逆變器并機(jī)用三相電抗器設(shè)計(jì)

王建剛，陳 為,2，曾 平，于曉強(qiáng)

（1.青島云路新能源科技有限公司，青島266000；2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350108）

逆變器并機(jī)用三相電抗器設(shè)計(jì)

王建剛1，陳 為1,2，曾 平1，于曉強(qiáng)1

（1.青島云路新能源科技有限公司，青島266000；2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350108）

針對(duì)可再生能源逆變器需要并機(jī)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)大功率電能輸出的特點(diǎn)，通過分析現(xiàn)用逆變器的并網(wǎng)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(shí)，通過解耦磁集成的方法，使三相電抗器的零序電抗大大增加。應(yīng)用在逆變器并機(jī)系統(tǒng)中，可減小電路中的濾波電抗器的數(shù)量，改善系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，減少逆變器的成本，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

太陽能逆變；三相五柱電抗器；零序電抗

Abstract：In this paper,proposed a new three-phase reactor having the common mode current suppression effect, working in renewable energy power inverters which need to work in parallel to achieve a power output,in order to achieve high power output.The scheme making the three-phase reactor’s zero sequence reactance greatly increased by the magnetic integrated approach while ensuring the differential mode inductance of each phase.The reactor used in the inverter system which need to work in parallel,can reduce the number of filter reactors,improve the system’s circuit configuration,reduce the inverter’s cost,have a great practical value.

Keywords:solar inverter;three-phase five-limb reactor;zero-sequence reactance

基于可再生能源（如風(fēng)能、太陽能等）的分布式發(fā)電技術(shù)是人類應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與解決環(huán)境污染的重要手段之一，近年來受到廣泛重視。隨著我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量也逐漸增加。

單個(gè)并網(wǎng)逆變器已經(jīng)不能滿足風(fēng)力、光伏發(fā)電的容量要求，因此，實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)輸出得到了廣泛的研究。在參與并聯(lián)的每個(gè)逆變器輸出瞬時(shí)電壓嚴(yán)格相等的情況下，并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部理論上不存在環(huán)流，但是，由于構(gòu)成逆變器的功率器件本身存在的觸發(fā)延時(shí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)各逆變器輸出瞬時(shí)電壓嚴(yán)格一致也十分困難，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流是普遍存在的。為了并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制環(huán)流已成為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制的關(guān)鍵問題[1-4]。

目前，并聯(lián)環(huán)流的抑制方法主要集中在通過優(yōu)化控制算法，保證各并聯(lián)逆變器的輸出一致，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制需要精密的檢測(cè)元件、反饋系統(tǒng)、控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]，導(dǎo)致逆變器的控制系統(tǒng)變得冗雜，成本、體積都相應(yīng)地增大。而采用增加零序電抗的方法則可在保證控制系統(tǒng)不變的情況下獲得更好的并聯(lián)效果，但增加零序電抗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(shù)，在不增加體積的情況下，將共模（零序）電抗集成到逆變電抗中。

1 并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)模型

以由兩臺(tái)125 kW三相逆變器并機(jī)組成的250 kW光伏逆變系統(tǒng)為例，其常用的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中三相逆變電路采用多電平逆變拓?fù)?，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，前級(jí)濾波電抗器需要采用3個(gè)獨(dú)立的單相鐵硅粉芯電抗器組成；后級(jí)濾波電抗器由于電流諧波較少，可以采用價(jià)格相對(duì)便宜的三相硅鋼電抗器[6]。

圖1 250 kW并機(jī)式光伏逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of 250 kW photovoltaic inverter system with parallel mode

1.2 三相五柱電抗器結(jié)構(gòu)

由于前級(jí)濾波電抗器采用3個(gè)獨(dú)立的單相鐵硅粉芯電抗器組成，逆變器內(nèi)部需要很多的連接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積、成本相應(yīng)增加。而采用鐵硅粉芯材質(zhì)作三相電抗器的磁芯，其3個(gè)線圈各自漏感也可構(gòu)成零序電抗，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(huì)使正序感量降低，正序諧波的抑制效果減弱；同時(shí)旁路磁通會(huì)穿過電感線圈，導(dǎo)致繞組渦流損耗的增加，對(duì)電抗器的效率、溫升都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響[7,8]。

圖2 三相三柱式電抗器通入零序電流時(shí)磁鏈分布Fig.2 Flux distribution of three-phase three-limb reactors in the zero sequence current

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(gè)磁柱，構(gòu)成三相五柱式的電抗器，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及鐵芯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 三相五柱電抗器方案設(shè)計(jì)

2.1 電抗器技術(shù)要求

具有零序感抗的該三相五柱式電抗器的技術(shù)要求如下：額定電壓為400 Vac；額定電流為216 Aac；零序電流為60 A（峰峰值），8 kHz；初始感量為230 μH；額定感量為100 μH、305 Adc；零序感抗為大于200 μH；額定頻率為50 Hz；開關(guān)頻率為9 kHz；諧波含量約為30%；逆變器拓?fù)錇槿娖侥孀冸娐?；產(chǎn)品尺寸為380 mm×200 mm×400 mm。

2.2 電抗器方案演算

鐵芯選型：根據(jù)三相電抗器的經(jīng)驗(yàn)公式及電抗器尺寸的要求，選定鐵芯為相對(duì)磁導(dǎo)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20 mm×75 mm×260 mm，磁密為6 000 Gs。

繞組選定：根據(jù)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(shù)選定：根據(jù)電流、感量、磁密、截面積算得匝數(shù)為25匝[9]。

電抗器各部分的磁阻計(jì)算公式為

式中：Rx為磁柱的磁阻；hx為對(duì)應(yīng)磁柱的磁路長(zhǎng)度，非磁柱本身的長(zhǎng)度；u0為真空磁導(dǎo)率；uc為磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；Aex為磁柱的磁路截面積。

根據(jù)鐵硅粉芯的特性，磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系擬合曲線為

式中，Ha為磁柱中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

代入安培環(huán)路定理，即

式中：N為電抗器的線圈匝數(shù)；I為電抗器的輸入電流；H為磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度；l為磁路長(zhǎng)度。

可得鐵芯的磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度與電抗器電流的關(guān)系，從而獲得鐵芯各部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)磁阻公式（1），核算通入峰值電流后磁路各部分的磁阻，即

則可得峰值電流下電感為

式中：Rx（Ha）為電抗器鐵芯柱在磁場(chǎng)強(qiáng)度為Ha時(shí)的磁阻；Re（Ha）為電抗器鐵芯軛在磁場(chǎng)強(qiáng)度為Ha時(shí)的磁阻；Rg為氣隙處的磁阻。

計(jì)算得峰值電流下電感LIf為120 μH，滿足設(shè)計(jì)要求。但由于邊柱的磁阻和單個(gè)中柱的磁阻相等，且三相零序電感為并聯(lián)關(guān)系，其耦合系數(shù)約為0.93，所以零序感抗只有108 μH，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。

零序感抗的大小與零序感抗磁路的磁阻成負(fù)相關(guān)，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(zhǎng)度受限于中柱的高度，不能減?。辉龃筮呏孛娣e會(huì)導(dǎo)致邊柱體積明顯增大，綜上所得增大邊柱鐵芯的磁導(dǎo)率成了最優(yōu)的選擇。考慮到零序電流為60 A，頻率為8 kHz，根據(jù)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(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵硅粉芯的相對(duì)磁導(dǎo)率，所以在計(jì)算零序阻抗的磁阻時(shí)，邊柱的磁阻可以忽略[11]，則零序感抗為

計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 全粉芯三相五柱電抗器通入正序電流時(shí)磁鏈分布Fig.4 Flux distribution of three-phase five-limb reactor with powder core inputting positive sequence current

3 三相五柱磁路仿真

使用Maxwell對(duì)三相五柱電抗器進(jìn)行建模仿真。當(dāng)電抗器的磁芯都是由鐵硅粉芯組成時(shí)，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(huì)在鋁箔內(nèi)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(duì)其進(jìn)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(shí)減少了電抗器的漏磁，防止對(duì)周邊的器件產(chǎn)生電磁干擾。

圖5 粉芯、硅鋼混合三相五柱電抗器通入正序、零序電流時(shí)磁鏈分布Fig.5 Flux distribution of three-phase five-limb reactor with powder core and silicon steel inputting positive sequence current and zero sequence current

4 成本分析

相比之前方案中采用的3個(gè)獨(dú)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(jià)只有鐵硅粉芯一半的硅鋼片；線包的總體數(shù)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(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，節(jié)約了人工成本；電抗器的機(jī)械固定結(jié)構(gòu)減少了30%以上，且由于上、下軛使用硅鋼片，則電抗器的規(guī)定件可以使用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，不必為了避免漏磁引起的過多損耗，而使用價(jià)格昂貴、不易加工的不銹鋼。

經(jīng)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(gè)獨(dú)立單相電抗器減少20%以上。

5 樣機(jī)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案制作了一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試其輸入電流與電感的關(guān)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100 μH，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(dá)到了210 μH，且隨著輸入電流的增大，零序電感基本上不發(fā)生衰減，符合設(shè)計(jì)要求；將產(chǎn)品安裝在逆變器上測(cè)試得到，在其零序電流只用8 A（峰峰值），而之前采用3個(gè)獨(dú)立單相電抗器時(shí)，零序電流為7.8 A（峰峰值），且整機(jī)效率由98.56%上升到了98.68%。

圖6 三相五柱電抗器輸入電流與正序電感關(guān)系曲線Fig.6 L-I curve of three-phase five-limb reactor which input positive sequence current

圖7 三相五柱電抗器輸入電流與零序電感關(guān)系曲線Fig.7 L-I curve of three-phase five-limb reactor which input zero sequence current

6 結(jié)語

通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，提出的三相五柱式電抗器方案可以很好地實(shí)現(xiàn)零序電感抗與正序電抗的集成，原理正確可行。相比于三柱式大漏感電抗器，產(chǎn)品參數(shù)能與系統(tǒng)需求精確匹配，設(shè)計(jì)過程更加簡(jiǎn)單，產(chǎn)品旁路磁通很少，減少了不必要的損耗，優(yōu)化了電抗器周邊的電磁環(huán)境；相比于之前由3個(gè)單相電抗器組成的濾波器，在達(dá)到該系統(tǒng)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(duì)系統(tǒng)而言，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，省掉了大量的機(jī)械連接裝置，裝機(jī)更加方便，可靠性更高，占用機(jī)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。

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Three-phase Reactors Designed for Parallel Connected Inverters

WANG Jiangang1,CHEN Wei1,2,ZENG Ping1,YU Xiaoqiang1
（1.Qingdao Yunlu Energy Technology Co.Ltd.,Qingdao 266000,China;2.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China）

王建剛

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．5.169

TM402

A

2015-12-08；

2016-02-20

王建剛（1980-），男，中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)員，碩士，工程師，研究方向：新能源行業(yè)用磁性元件設(shè)計(jì)、制造，E-mail：succeed_ ren@163.com。

陳為（1958-），男，中國(guó)電源學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子功率變換、高頻磁技術(shù)、電磁兼容等方向，E-mail：chw@fzu.edu.cn。

曾平（1983-），男，本科，工程師，研究方向：新能源行業(yè)用磁性元件設(shè)計(jì)、制造，E-mail：xiaoping0502@126.com。

于曉強(qiáng)（1988-），男，中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)員，通信作者，碩士，工程師，研究方向：電力電子功率變換用磁性元件設(shè)計(jì)、制造，E-mail：yuxiaoqiang777@163.com。