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太阳光发电站用逆变器和电磁器件
[发布时间]:2010年7月23日 [来源]:电子变压器资讯网 [点击率]:5749
【导读】: 前言 太阳光发电站是21世纪中有发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净的太阳光能,有利于环境保护,无可动部件,可分散灵活配置,将得到年增长率超过20%的快速发展。因此太阳光发电站不仅...

3 太阳光发电站逆变器中的电磁器件
3.1 工频变压器
在逆变器工频变压器绝缘方式主电路中,起绝缘和电压及功率变换作用的电磁器件是工频变压器。磁心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,磁心工作磁通密度取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,重量也重。从国外的工频变压器绝缘方式的太阳光发电逆变器的样机来看,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。
20世纪80年代中期报导,美国的10KVA工频变压器绝缘方式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心,铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁心的五分之一,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心还小。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方式逆变器。其中的工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁心或者搭接式磁心,不但效率高,成本也非常低,是一种综合指标较好的方案。
3.2高频逆变器
在逆变器高频变压器绝缘方式主电路中,起绝缘和电压及功率变换作用的电磁器件是高频变压器。一般多效采用MnZn软磁铁氧体作为磁心。高频变压器绝缘方式逆变器大量用于家庭用于太阳光发电站。其中的开关器件采用绝缘栅极晶体管(IGBT),工作频率20~40kH2,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型磁心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,饱和磁通密度1.86T,居里温度457℃,磁致伸缩系数1.49×10-6,在无磁场热处理后:20kH20.2T下损耗为3.7w/kg,20kH20.5T下损耗为25.6w/kg,40kH20.5T下损耗小于40w/kg。而MnZn软磁铁氧体,饱和磁通密度0.4T,居里温度180℃,磁致伸缩系数为14×10-6,20kH20.2T下损耗为1.25w/kg。从这两种材料性能对比可以看出,采用1K104铁基非晶合金制造太阳光发电站用高频变压器,工作磁通密度高,可达0.5T,因此体积和重量比软磁铁氧体小,总损耗小,因此效率比软磁铁氧体高。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。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20kH2至40kH2逆变器中高频变压器比较理想的磁心材料。
3.3 驱动变压器
在逆变器主电路中,起信号变换和驱动开关器件作用的电磁器件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁心。高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁心。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关。例如图5是一种用于驱动绝缘栅极晶体管(IGBT)的驱动电路原理图和电压波形和晶体管VCE电压波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下,而开关器件上加的电压为门限电压Vth和正弦波电压的叠加。在正弦波电压高于门限电压时,驱动开关器件导通。正弦波低于门限电压时,开关器件断开。稳压器ZB是为了限制门限电压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期间接近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20kH2,还要进行正弦脉冲宽度调制(WPWM)。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和降低体积及重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁心来制作SPWM驱动变压器。
3.4滤波电感器
   在逆变器主电路中,起消除直流中和交流中高次谐波作用的电磁器件是滤波电感器。直流滤波电感器接在逆变器的输入端,要承受叠加直流和交流,工作电流大,电感也大,要求磁心具有恒磁导特性,一般至少是同样参数的交流滤波电感器容量的两倍。交流滤波电感器只承受交流,磁心中磁通双向工作,不要求具有恒磁导特性,磁导率远大于直流滤波电感器,一般与电容器组成兀型或者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心,交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。
3.5贮能电感器和正激变压器
在逆变器无变压器无绝缘方式中,升压部分起贮能和变换作用的电磁器件是贮能电感器,由于它的线圈只有一个绕组,因此在变换同样容量的能量条件下,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方式逆变器的效率高,贮能电感器可采用铁粉心、取向硅钢和非晶合金。
从逆变器无变压器无绝缘方式改进而形成的正激变压器绝缘方式中,起贮能和变换及绝缘作用的电磁器件是正激变压器,其设计原理则与升压部分贮能电感器相似,但是多了副绕组的恢复绕组,体积和重量比同容量高频变压器大。
不过总体效率仍然比逆变器高频变压器绝缘方式主电路高。具体设计原则仍然是减小损耗和降低体积及重量和制造成本,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20kH2左右。
3.6抗电磁干扰滤波电感器
   在太阳光发电站逆变器主电路中,在输入和输出端都应当接抗共模和差模电磁干扰滤波电路,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心,差模滤波电感器采用软磁铁氧体磁心。

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