光伏逆變器用三相三柱電抗器與三相五柱電抗器的應用比較

    摘 要：針對可再生能源逆變器需要并機運行以實現大功率電能輸出的特點，通過分析現用逆變器的并網用濾波電抗器，提出了一種新型的兼具有共模電流抑制效果的三相五柱電抗器方案，在保證各相電路的差模感量的同時，通過解耦磁集成的方法，使三相電抗器的零序電抗器大大增加。應用在逆變器并機系統中，可減小電路中的濾波電抗器的數量，改善系統的電路結構，減少逆變器的成本，具有較大的實際應用價值。

    關鍵詞：太陽能逆變；三相三柱電抗器；三相五柱電抗器；零序電抗器；

    一、并網逆變器并聯運行的系統模型
    基于可再生能源（如風能、太陽能等）的分布式發電技術是人類應對能源危機與解決環境污染的重要手段之一，近年來受到廣泛重視。隨著我國新能源產業的逐步發展，風力、光伏發電系統的容量也逐漸增加。單個并網逆變器已經不能滿足風力、光伏發電的容量要求，因此，實現逆變器并聯輸出得到了廣泛的研究。在參與并聯的每個逆變器輸出瞬時電壓嚴格相等的情況下，并聯系統內部理論上不存在環流，但是，由于構成逆變器的功率器件本身存在的觸發延時差異等因素的存在，在各逆變器控制中即使使用同步控制信號，實現各逆變器輸出瞬時電壓嚴格一致也十分困難，因此，在實際應用中，逆變器并聯系統中環流是普遍存在的。為了并聯系統的穩定性， 抑制環流已成為實現并聯控制的關鍵問題[1-4]。

    目前，并聯環流的抑制方法主要集中在通過優化控制算法，保證各并聯逆變器的輸出一致，為了實現精準控制需要精密的檢測元件、反饋系統、控制及驅動系統[3]，導致逆變器的控制系統變得冗雜，成本、體積都相應地增大。而采用增加零序電抗器的方法則可在保證控制系統不變的情況下獲得更好的并聯效果，但增加零序電抗器意味著逆變器成本和體積的增加[5]。本文將通過磁集成技術，在不增加體積的情況下，將共模（零序）電抗器集成到逆變電抗器中。

    以由兩臺125 kW 三相逆變器并機組成的250kW 光伏逆變系統為例， 其常用的結構框圖如圖1所示。其中三相逆變電路采用多電平逆變拓撲，濾波器采用LCL 型濾波器，為了保證濾波器有足夠的零序電抗器，前級濾波電抗器需要采用3 個獨立的單相鐵硅粉芯電抗器組成；后級濾波電抗器由于電流諧波較少，可以采用價格相對便宜的三相硅鋼電抗器[6]。

    三相五柱電抗器結構：由于前級濾波電抗器采用3 個獨立的單相鐵硅粉芯電抗器組成，逆變器內部需要很多的連接結構，導致系統結構復雜，體積、成本相應增加。而采用鐵硅粉芯材質作三相電抗器的磁芯，其3 個線圈各自漏感也可構成零序電抗器，其漏磁通主要由橫穿過磁芯柱的旁路磁通組成，如圖2 所示。而旁路磁通增大會使正序感量降低，正序諧波的抑制效果減弱；同時旁路磁通會穿過電感線圈，導致繞組渦流損耗的增加，對電抗器的效率、溫升都會產生明顯的影響[7,8]。為了保證三相電抗器具有足夠的零序電抗器，在三相磁柱之外增加2 個磁柱，構成三相五柱式的電抗器，其產品結構及鐵芯結構如圖3 所示。

    二、三相五柱電抗器方案設計
    1、電抗器設計要求
    具有零序感抗的該三相五柱式電抗器的技術要求如下： 額定電壓為400 Vac； 額定電流為216Aac；零序電流為60 A（ 峰峰值），8kHz；初始感量為230μH；額定感量為100μH、305 Adc；零序感抗為大于200μH；額定頻率為50Hz；開關頻率為9kHz；諧波含量約為30%；逆變器拓撲為三電平逆變電路；產品尺寸為380 mm×200 mm×400mm。

    2、電抗器方案演算
    鐵芯選型： 根據三相電抗器的經驗公式及電抗器尺寸的要求，選定鐵芯為相對磁導率60 的鐵硅粉芯，鐵芯柱截面為40 mm×75 mm，高度為260 mm，鐵芯軛尺寸為40 mm×75 mm×300 mm，邊柱尺寸為20mm×5 mm×260 mm，磁密為6000Gs。繞組選定：根據額定電流及其諧波的含量選定繞組為鋁箔，截面為0.8 mm×230 mm。匝數選定：根據電流、感量、磁密、截面積算得匝數為25 匝[9]。電抗器各部分的磁阻計算公式為Rx = hxu0ucAex（1）式中：Rx為磁柱的磁阻；hx為對應磁柱的磁路長度，非磁柱本身的長度；u0為真空磁導率；uc為磁性材料的相對磁導率；Aex為磁柱的磁路截面積。根據鐵硅粉芯的特性，磁導率與磁場強度的關系擬合曲線為u（Ha） = 6.000 1×10-6Ha2-3×10-9Ha3-0.004 05Ha+1 （2）式中，Ha 為磁柱中的磁場強度。代入安培環路定理，即NI=Hl（3）式中：N 為電抗器的線圈匝數；I 為電抗器的輸入電流；H 為磁芯的磁場強度；l 為磁路長度。可得鐵芯的磁路磁場強度與電抗器電流的關系，從而獲得鐵芯各部分的磁場強度。根據磁阻公式（1），核算通入峰值電流后磁路各部分的磁阻，即Rx（Ha） = hxu0ucu（Ha）Aex（4）則可得峰值電流下電感為L（Ha） = N2Rx（Ha）+Re（Ha）+Rg（5）式中：Rx（Ha）為電抗器鐵芯柱在磁場強度為Ha 時的磁阻；Re（Ha）為電抗器鐵芯軛在磁場強度為Ha時的磁阻；Rg為氣隙處的磁阻。計算得峰值電流下電感LIf為120 μH， 滿足設計要求。但由于邊柱的磁阻和單個中柱的磁阻相等，且三相零序電感為并聯關系，其耦合系數約為0.93，所以零序感抗只有108 μH，遠低于設計要求。

    零序感抗的大小與零序感抗磁路的磁阻成負相關，而中柱的磁阻決定了正序感抗的大小，不能隨意更改，所以只能盡量減小邊柱的磁阻，而邊柱的長度受限于中柱的高度，不能減小；增大邊柱截面積會導致邊柱體積明顯增大，綜上所得增大邊柱鐵芯的磁導率成了最優的選擇。考慮到零序電流為60 A，頻率為8 kHz，根據磁性材料的損耗和衰減特性，選擇B23P090 的取向硅鋼片作為邊柱的磁性材料[10，12]。由于取向硅鋼片的相對磁導率遠遠大于鐵硅粉芯的相對磁導率，所以在計算零序阻抗的磁阻時，邊柱的磁阻可以忽略[11]，則零序感抗為L0= L13 ×0.93×3 = 2303×0.93×3 = 213.9 μH （6）計算結果符合設計要求。

    3、三相五柱磁路仿真
    使用Maxwell 對三相五柱電抗器進行建模仿真。當電抗器的磁芯都是由鐵硅粉芯組成時，其磁鏈分布如圖4所示。由圖4可以看出，在鐵芯柱與鐵芯軛的接縫處存在較多的旁路磁通，而且這些旁路磁通有一部分直接與繞組鋁箔相交，這些磁鏈會在鋁箔內形成電阻很小的渦流，引起很大的線圈損耗。為減小旁路磁通的影響，將上下顎換成B23P090 取向硅鋼片，對其進行仿真，其磁鏈分布如圖5 所示。由圖可見，即使在電抗器繞組中通入零序電流，氣隙處的旁路磁通依然很小，減小旁路磁通引起附加損耗的同時減少了電抗器的漏磁，防止對周邊的器件產生電磁干擾。

    4、成本分析
    相比之前方案中采用的3 個獨立單相電抗器，三相五柱電抗器鐵芯、繞組的重量，尤其是采用混合磁路型三相五柱電抗器，鐵硅粉芯的用量可以減小20%以上，替換為單價只有鐵硅粉芯一半的硅鋼片；線包的總體數量減少一半，省掉了用于線包間連接的端子、線包間的絕緣材料，大大簡化了生產工藝，節約了人工成本；電抗器的機械固定結構減少了30%以上，且由于上、下軛使用硅鋼片，則電抗器的規定件可以使用普通碳素結構鋼，不必為了避免漏磁引起的過多損耗，而使用價格昂貴、不易加工的不銹鋼。經過核算，采用混合磁路型三相五柱電抗器的成本比采用3 個獨立單相電抗器減少20%以上。

    5、樣機數據
    根據以上的設計方案制作了一臺樣機進行了測試。經測試其輸入電流與電感的關系曲線如圖6和圖7 所示。由圖6 可見，在通入305 A 直流電流的情況下， 正序感量為108 μH， 大于要求的100μH，表明三相五柱式的正序感量完全滿足要求；從圖7 可以看出，其零序電感也達到了210μH，且隨著輸入電流的增大， 零序電感基本上不發生衰減，符合設計要求； 將產品安裝在逆變器上測試得到，在其零序電流只用8A（峰峰值），而之前采用3 個獨立單相電抗器時，零序電流為7.8 A（峰峰值），且整機效率由98.56%上升到了98.68%。

    三、關于三相三柱電抗器與三相五柱電抗器的結語
    通過仿真分析和實驗測試表明，提出的三相五柱式電抗器方案可以很好地實現零序電感抗與正序電抗器的集成，原理正確可行。相比于三柱式大漏感電抗器，產品參數能與系統需求精確匹配，設計過程更加簡單，產品旁路磁通很少，減少了不必要的損耗，優化了電抗器周邊的電磁環境；相比于之前由3 個單相電抗器組成的濾波器，在達到該系統要求的零序電流抑制的情況下，其效率、成本都有較大的提升。對系統而言，其結構更加簡單，省掉了大量的機械連接裝置，裝機更加方便，可靠性更高，占用機柜的體積更小，有利于降低大功率逆變器的成本，提高逆變器的效率和功率密度。