太阳能发电站逆变器中的电磁元件
 
        光伏逆变器是太阳能发电站中重要的一环,占到光伏成本的10%~15%,因此对于内部元器件的了解是非常重要的。  
 

工频变压器

 
        在逆变器采用工频变压器绝缘的主电路中,起绝缘及功率变换作用的电磁元件是工频变压器。磁芯多数采用冷轧取向硅钢E型冲片叠装而成。线圈采用高强度漆包铜线。为了降低铁损和铜损,磁芯工作磁通密度取1.1~1.1T,线圈工作电流密度取1.5A/mm2。因此,工频变压器体积大,重量重。从国外的工频变压器绝缘方式的太阳光发电用逆变器的样机来看,其中工频变压器约占逆变器总重量的50%,逆变器总效率约为90%左右。据报导,美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器,工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯,铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁芯的1/5,总体效率可以达到95%。工作磁通密度取1.3T,体积和重量比硅钢磁芯还小。因此,可以预测在10kVA以上的太阳光发电站中,由于开关器件工作电流大,开关频率不宜高,而采用工频变压器绝缘的逆变器,其工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯或者搭接式磁芯,效率高,成本也比较低,是一种综合指标较好的方案。
 
高频变压器
 
        在逆变器采用高频变压器绝缘的主电路中,起绝缘及功率变换作用的电磁元件是高频变压器,多数采用MnZn软磁铁氧体作为磁芯。高频变压器绝缘的逆变器大量用于家庭太阳光发电站。其开关器件采用IGBT,工作频率20~40kHz,处于高频范围的低端,并不能充分发挥MnZn软磁铁氧体的优点。因此,可以考虑另一种方案,采用铁基非晶合金环型和CD型磁芯来制作逆变器中的高频变压器。
        例如,新开发的铁基含钴非晶合金1K104,其饱和磁通密度1?86T,居里温度457℃,磁致伸缩系数1.49×10-6。热处理后,在200kHz/0.2T下损耗为3.7W/kg,20kHz/0.5T下损耗为25.6W/kg,40kHz/0.5T下损耗小于40W/kg。而MnZn软磁铁氧体,其饱和磁通密度0.4T,居里温度180℃,磁致伸缩系数为14×10-6,在20kHz/0.2T下损耗为12.5W/kg。从这两种材料性能对比可以看出,采用1K104铁基非晶合金太阳光发电站用高频变压器,工作磁通密度高,可达0.5T,它的体积和重量比软磁铁氧体小,总损耗小,效率比软磁铁氧体高。它的居里温度高,在-70℃~+100℃范围内受温度变化影响比软磁铁氧体影响小。它的磁致伸缩系数小,产生的电磁干扰比软磁铁氧体低。因此,是工作频率为20kHz~40kHz逆变器中高频变压器比较理想的磁芯材料。  
 

驱动变压器

 
        在逆变器中,进行信号变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁芯。高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁芯。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关。图5是一种驱动IGBT的电路原理与相关波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下,在正弦波电压高于门限电压时,IGBT导通,低于门限电压时,断开。稳压器Dz决定门限电压Vth的大小,使它与副边输出电压幅值相近,从而使开关器件导通接近180°。在这种驱动电路中,工作在正弦波电压下的驱动变压器损耗小,体积和重量也小,不会产生电磁干扰。 作为高频SPWM逆变电路中的驱动变压器,载波频率一般都高于20kHz,还要进行正弦脉冲宽度调制(SPWM)。驱动电路和驱动变压器比图5中要复杂一些,但是,设计原则仍然是减小损耗,降低体积、重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁芯来制作SPWM驱动变压器。
 

滤波电感器

 
        在逆变器中,起消除直流和交流中高次谐波作用的电磁元件是滤波电感器。直流滤波电感器接在逆变器的输入端,要承受直流和交流的叠加,工作电流大,电感也大,要求磁芯具有恒磁导特性,至少是同样参数的交流滤波电感器容量的2倍。交流滤波电感器只承受交流,磁芯中磁通双向工作,不要求具有恒磁导特性,磁导率远大于直流滤波电感器,一般与电容器组成π型或者T型滤波电路,主要针对高次谐波含量最大的3次谐波来设计。直流滤波电感器可采用铁粉芯,交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。
 

贮能电感器和正激变压器

 
        在逆变器采用无变压器无绝缘的主电路中,升压部分起贮能和变换作用的电磁元件是贮能电感器。由于它的线圈只有一个绕组,在变换同样容量的条件下,体积和重量都比变压器小。设计时要根据升压电路型式和参数来决定。但是损耗也比变压器小,因此,无变压器无绝缘的逆变器效率高,贮能电感器可采用铁粉芯、取向硅钢和非晶合金。
        从无变压器无绝缘的逆变器改进而来的正激变压器绝缘的逆变器中,起贮能和变换及绝缘作用的电磁元件是正激变压器,其设计原则与升压部分贮能电感器类似,只是多了副绕组和恢复绕组,体积和重量比同容量高频变压器大。不过总体效率仍然比采用高频变压器绝缘的逆变器高。具体设计原则仍然是减小损耗,降低体积、重量和制造成本,正激变压器可采用软磁铁氧体和非晶体合金,一般载波频率为20kHz左右。 
 
2.6 抗电磁干扰滤波电感器
 
        在太阳光发电站逆变器主电路中,输入和输出端都应当接抗共模和差模干扰的滤波电路,其中的滤波电感器参照抗电磁干扰标准进行设计。抗电磁干扰共模滤波电感器可采用软磁铁氧体和非晶纳米晶磁芯,差模滤波电感器采用软磁铁氧体磁芯。