面向能源互聯(lián)網(wǎng)的高效單相變流器研究與設計

黃和平 顧章平 吳 斌 馮學禮 楊劍平 葉青青

（1.浙江正泰儀器儀表有限責任公司 2.上海正泰電源有限公司）

0 引言

隨著Micro-Grid網(wǎng)絡＋傳統(tǒng)電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、新型智能電力電子控制的結合研究與應用的深入，一種基于能源微電網(wǎng)互聯(lián)智能控制配電網(wǎng)絡應用產(chǎn)生，作為大電網(wǎng)的有益補充，能源物聯(lián)網(wǎng)時代需要智慧型清潔能源單元相匹配，不僅能改善電能質量和提供穩(wěn)定可靠的電能，還可根據(jù)系統(tǒng)各用電設備狀況動態(tài)調整能源分配，達到節(jié)能環(huán)保的目的。劉星撰寫《基于模糊控制的光伏蓄電池充放電控制器的研究與設計》明確指出“2012年工信部制定《太陽能光伏產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》［1］，微電網(wǎng)符合政策導向，發(fā)電優(yōu)勢明顯”，被國內外專家一致認為是電力系統(tǒng)發(fā)展方向，微電網(wǎng)中最關鍵的設備是連接微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)的變流器。發(fā)展面向能源物聯(lián)網(wǎng)的高效單相變流器成為必然趨勢。

并網(wǎng)型高效單相變流器可最大限度利用光伏發(fā)電輸出的電能，是微電網(wǎng)重要應用類型；成為目前國內外眾多機構和技術人員的研究熱點；文獻［2］中討論500W、100kHz單相高頻光伏并網(wǎng)逆變器的研究課題；文獻［3，4］討論了一種5kW儲能＋PWM軟開關變流）單相逆變器；文獻［5］研究了用于并網(wǎng)單相逆變器；文獻［6］研究了一種光伏逆變智能柜的電氣硬件設計；文獻［7］研究了500W單相光伏集成逆變器的綜述與研究。上述研究成果在推廣實際應用中暴露出以下問題。

1）目前市場上的單相機絕大多數(shù)是1～6kW的功率等級，國家標準規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級為8kW。

2）光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術規(guī)范（NBT 32004—2013）明確規(guī)定：無隔離變壓器的逆變器的最大效率不低于96%，Ⅲa級標準要求非隔離逆變器的最大效率不低96.5%。

3）現(xiàn)有單相變流器一類為帶變壓器隔離實現(xiàn)隔離和升壓的作用，5kW單相變流器工頻變壓器體積重達28kg，不便于安裝，成本高效率低；另一類為系統(tǒng)復雜，高成本的高頻變壓器，雖然體積和重量下降。但輸出效率偏低電流存在直流分量缺陷；再一類是獲得廣泛應用的為并網(wǎng)光伏發(fā)電功率密度不大于1.7W／in3的無變壓器型逆變器。

4）專利CN201110175051.4明確指出無變壓器型逆變器，共模電流經(jīng)接地寄生電容、分別于光伏板端、INV關管，L濾波電感及電網(wǎng)組成電通路接地點電通路，存在漏電操作人身的風險，INV管與L濾波電感組成的全橋電路或半橋電路，采用雙極性調制控制共模電流，INV管功耗大，濾波電感大，效率低；同樣采用兩級半橋電路拼成2倍的全橋電壓，復雜電路效率低。因此解決無隔離型變流器問題的關鍵是消除與抑制共模電流。

1 新型單相大功率逆變器拓撲電路設計

針對現(xiàn)有研究成果和需求的不足與局限性，對專利201110175051.4《一種無變壓器型逆變電路》提出“非對稱式高效逆變器”電路結構，與專利201010232636.0《一種光伏逆變器漏電流檢測方法》通過改變輸出濾波電感續(xù)流回路的的改進，消除了非隔離型單相逆變器中存在的高頻共模電壓和共模電流。結合圖1所示描述改進內容。

圖1 面向能源物聯(lián)網(wǎng)高效單相智慧型變流器系統(tǒng)圖

1.1 拓撲電路系統(tǒng)組成

圖1為國標規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級（8kW），面向能源物聯(lián)網(wǎng)高效單相智慧型變流器系統(tǒng)主要包括七個模塊：光伏陣列、最大功率跟蹤（MPPT）與逆變控制（PWM）、升壓變換器（boost）、INV變換器、濾波器（LCL）、智能控制器（DSP）、GPRS／WIFI通訊；PWM逆變控制由外環(huán)控制器、內環(huán)控制器和門極控制器組成。

額定輸出功率8000W輸入3組串數(shù)量的光伏陣列，光伏陣列輸出的采集輸出電流（額定輸出電流34.8A），經(jīng)光伏陣列連接的直流電容C1輸出的采集輸出電壓，輸入到2組最大功率跟蹤（MPPT）控制，最大功率跟蹤輸出參考信號輸入逆變控制（PWM）的外環(huán)控制器，經(jīng)外環(huán)控制器處理輸出參考信號輸入內環(huán)控制器，經(jīng)內環(huán)控制器處理的信號輸出為控制信號，輸入到門極控制器處理，經(jīng)門極控制器處理的信號驅動升壓變換器（boost）中功率開關T7，功率開關T7輸出最大輸入電壓600VDC，升壓變換器（boost）通過直流鏈中的直流儲能電容C2連接，非對稱式高效逆變橋組成的INV變換器，通過濾波L1、濾波L1和電容C2組成的濾波器（LCL）與電網(wǎng)連接；INV變換器輸出工作電流I1經(jīng)非對稱式高效逆變橋輸出到電網(wǎng)，高頻電流I2經(jīng)電容C3流回對稱式高效逆變橋。

1.2 非對稱式高效全橋逆變橋的建模設計

由于光伏系統(tǒng)成本較高，高收益率光伏逆變器要求高的轉換效率獲得。

1.2.1 非對稱式全橋逆變拓撲的結構設計

如圖1所示，INV變換器由6個功率開關與濾波器（LCL）組成，每個功率開關由開關管并列反接1個二極管；T1功率開關和T6功率開關及T2功率開關組成第一竄接管，T3功率開關和T4功率開關組成第二竄接管；T1功率開關和T4功率開關動作相同，T2功率開關和T3功率開關動作相同，L1濾波與電阻R1竄接在T1功率開關和T6功率開關之間，L2濾波與電阻R2竄接在T3功率開關和T3功率開關之間，濾波電容C3接在L1濾波和L2濾波的另一端；T5功率開關一端接在T6功率開關和T2功率開關之間，T5功率開關另一端接在T3功率開關和T4功率開關之間；以20kHz切換和以市電輸出頻率切換包括：T1功率開關、T2功率開關、T3功率開關、T4功率開關、T5功率開關和T6功率開關。

1.2.2 單項非對稱式全橋逆變拓撲的數(shù)學模型設計

如圖2所示，文獻［1］中介紹單項INV變換器電流電壓矢量關系：

圖2 單項INV變換器的工作電壓電流矢量圖

由于L1＝L2＝L，R1＝R2＝R，I1大于I2簡化為

從單相INV變換器工作的矢量關系可得出，只要改變逆變橋輸出電壓Uab的幅值和相應相位，就可控制并網(wǎng)電流的幅值和相應相位。將矢量關系轉換到時域中，可得到單相INV變換器在時域中的數(shù)學模型：

1.3 單相逆變器的單極性調制

單極性調制即PWM信號在半個周期中只在單極性范圍內變化。

調制原理如圖3所示。

圖3 非對稱式高效全橋逆變橋單極性控制原圖

為了提高效率。采用單極性控制方式，減小共模干擾，增加了鉗位續(xù)流回路（拓撲電路見圖1INV變換器），這種設計僅需1個功率開關動作在逆變橋輸出電壓再輸入電壓的一半電壓、一半電感就可實現(xiàn)切換，其余逆變電路功率開關不工作，大大降低了功率開關的損耗；在逆變器工作過程中，將高頻跳變電壓鉗位，從而大大減小了系統(tǒng)的共模電壓，減小了相應的共模電流，在續(xù)流期間電流不經(jīng)過逆變橋的半導體，降低了開關損耗。將干擾源限制在特定范圍內，使整機電磁干擾水平符合民用標準；在設計中，優(yōu)化電路布局、布線，將干擾源電路限制在特定的部分中，并做好衰減、隔離、屏蔽等措施，整機EMI達到ClassB等級，提高了光伏電池板的壽命和發(fā)電量及系統(tǒng)收入。

2 小體積第二代新型鐵硅磁材與開關頻率與電感優(yōu)化設計

為了提高INV變換器的效率，減小電感體積作為逆變器中的重要組成部分對逆變器的性能有重要的決定作用，其設計的好壞直接關系到系統(tǒng)的輸出特性及性能指標，以及成本、體積、重量。我們通過Mathcad計算軟件，進行電感的設計計算，對比不同的磁性材料，選擇開關頻率，設計電感值，計算損耗、紋波等，最終選擇了第二代鐵硅磁心，調整開關頻率及優(yōu)化電感值，使整機達到了優(yōu)良的性能及較高的效率和較小的體積、重量。第二代鐵硅磁心具有低磁致伸縮系數(shù)、超低損耗，氣隙分布式分布和高飽和磁通密度，穩(wěn)定的溫度及頻率特性。根據(jù)其特點優(yōu)化設計，設計合適的感量和紋波，平衡其磁損和鐵損，充分發(fā)揮了其相同感量下所需匝數(shù)少、銅損低以及大電流下感量跌落小，紋波小、鐵損低的優(yōu)勢，取得了不錯的效果。

2.1 電感量設計計算

計算最大波紋電流。

線路模式最大波紋電流預設：S-Load（最大功率負荷）為8kW；VO-rms-min（最小電壓）為176V；VO-rms-Hormar（最大電壓）為230V。

圖4 磁電感參數(shù)圖

采用兩顆電感串聯(lián)，每顆L1＝450Uh

ID571＝32.6mm；ID571磁心內徑。

OD571＝62mm；ID571磁心外徑。

交叉計算公式pcco－NPH－60

圖5 磁場強度與有效磁導率百分比

2.2 電感匝數(shù)設計計算

選擇電流密度：J＝3A／mm2。

選擇導線線徑：wire￠＝2.2mm。

計算單根線的截面積：扼流圈電流計算線路和蝙蝠模式。

2.3 電感線徑選擇及窗口系數(shù)計算設計

選擇導線并計算N圈的核心窗口電線所需要的截面積：漆包線為11.667mm2。

峰值電流的磁導率百分比必須大于0度和運行壓力之間的差異：

銅系數(shù)：a＝4×10－3；銅電阻：p＝1.6×10－8。

2.4 電感重要時變參數(shù)設計

重要參數(shù)隨時間變化：

圖7 重要參數(shù)隨時間變化一

圖8 重要參數(shù)隨時間變化二

2.5 逆變電感的實際波紋電流設計

逆變電感的實際波紋電流

圖9 重要參數(shù)隨時間變化三

圖11 逆變電感的實際波紋電流一

圖12 逆變電感的實際波紋電流二

2.6 電感損耗及溫升計算設計

計算線路模式下的銅損：

2.7 逆變器效率計算設計

圖13 逆變器效率計算一

圖14 逆變器效率計算二

圖15 逆變器效率計算三

圖16 逆變器效率計算四

（1）計算IGBT和二極管的總損失

根據(jù)經(jīng)驗估算，因為供應商沒有提供足夠的信息。

（2）所有半導體組件的總損耗

單顆電感銅線長度：

3 優(yōu)化結構、損耗與散熱的熱仿真建模設計

采用專業(yè)熱仿真軟件仿真，結合損耗分布計算，優(yōu)化結構及散熱設計，分散熱源，優(yōu)化散熱器形狀和尺寸，降低熱點溫度，減小整機體積及重量，適合于家用及單人安裝維護單相逆變器；由于一般都是安裝在家庭室內，要求美觀、小巧、重量輕、無噪音。要做到噪音低，就不能加風扇幫助冷卻，只能自然冷卻。對于8kW這個功率等級，由于功率大、損耗大、總發(fā)熱量大，要做到自然冷卻顯然是有很大困難的。

3.1 熱仿真流程圖（見圖17）

圖17 熱仿真流程圖

3.2 熱源件模型建立（見圖18）

圖18 熱源器件布局圖

熱源器件布局信息如下。

機殼外形尺寸：360mm（寬度）×450mm（高度）×110（深度）；材質：AL5052T1.5mm。

散熱外形尺寸如下。

散熱器：360mm（寬度）×450mm（高度）×50（深度）；齒高：42mm；齒厚：2.5mm；齒間距：12.8mm；材質：AL6063；基板厚度：8mm。

3.3 散熱器優(yōu)化與熱仿真

散熱器熱的齒高由42mm改為60mm，齒間距由10mm改為11.5mm，齒數(shù)由27改為30，經(jīng)圖10的熱仿真。晶體管及電感溫度降為10℃，內部環(huán)溫降6℃。

圖10 重要參數(shù)隨時間變化四

本項目采用專業(yè)熱仿真軟件仿真，結合損耗分布計算，優(yōu)化結構及散熱設計，分散熱源，優(yōu)化散熱器形狀和尺寸，降低熱點溫度，減小整機體積及重量，適合于家用及單人安裝維護。為了實現(xiàn)這個目標，我們主要從以下幾個方面來入手。

圖19 熱源件模型圖

一是優(yōu)化設計、提高效率，尤其是滿載最惡劣條件（滿載MPPT電壓低，電網(wǎng)電壓高，環(huán)境高溫）下的效率，因為這個條件是整機總損耗最高的，也就是發(fā)熱量最大的條件，它直接決定熱測試能不能通過，通過器件選擇、控制方式的調整以及電感設計的優(yōu)化，優(yōu)化滿載最惡劣條件下的效率，達到96.4%，降低整機損耗約20W。效率提高，總損耗減小，總的發(fā)熱量減小，從而從根本上為8kW單向變流器自然散熱提供了可能性。

二是合理布局，分散熱源，最大限度地利用散熱器。由于光伏逆變器（變流器）的電路結構及特性，功率器件實際上是比較集中的，常規(guī)的做法為了電氣

圖20 散熱器熱仿真模型圖

特性實現(xiàn)的方便性形成的布局往往功率器件是比較集中的，功率器件也就是主要的發(fā)熱源排布密集，導致局部溫升過高，而沒有發(fā)熱源的地方溫升很低，散熱器利用率低，整體散熱效率低，最惡劣條件下某些元器件溫升超標。為此，實現(xiàn)了將熱源分散，同時又不影響電氣性能的實現(xiàn)，以及EMI干擾與抗干擾的順利解決。從而為8kW自然散熱提供了可操作的方案。

通過精細的效率提升以及優(yōu)化的散熱設計，本項目最終將實現(xiàn)單相8kW單向變流器的自然散熱，而且整機重量控制在17kg以下，比業(yè)界一般水平輕3kg以上，體積與市面上5kW逆變器相當，功率密度提高30%以上。完成了體積小、重量輕、外形美觀、方便安裝維護的戶用逆變器設計目標。

4 開發(fā)遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，方便用戶隨時隨地了解變流器狀況

如圖21所示，逆變器配置有GPRS／WiFi通訊模塊，用戶可通過手機APP直接連接逆變器，在線跟蹤逆變器的電壓、電流、功率、發(fā)電量等工作狀況，安裝商也可以隨時查詢逆變器的工作狀況、歷史數(shù)據(jù)、故障信息，并可以根據(jù)需要對逆變器下發(fā)控制指令，如開關機、限制功率大小、有功無功控制、調整保護參數(shù)等，還可以對逆變器進行遠程程序更新（如圖22所示）。大大提高了用戶使用的方便性及客戶體驗，提高了故障定位及問題解決的效率，真正實現(xiàn)了智能逆變器及對其的遠程“監(jiān)”和“控”。

圖21 監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

手機APP界面，如圖22所示。

圖22 手機APP界面圖

5 設計應用及查新分析結果

5.1 新型單相大功率變流器生產(chǎn)銷售與效益分析

本項目預期總投入3000萬元，項目實施周期為3年，2021年度內累計實現(xiàn)銷售1億元，邊際利潤3000萬，投資回收期為3年。項目研發(fā)成功后，項目開發(fā)產(chǎn)品預計年產(chǎn)量達到30000臺，單臺價格為3500元人民幣。項目期限內累計實現(xiàn)銷售1億元，邊際利潤3000萬。

預期項目完成后實現(xiàn)的銷售業(yè)績如表1所示。

表1 生產(chǎn)銷售信息（2021－05－18）

5.2 新型單相大功率變流器技術先進性查新

本項目屬于2019年上海市工業(yè)強基專項重點方向重點領域“補短板”專題第八項“高效單相光伏變流器”（項目立項編號：CYQJ－2019－1－08）。

完成面向能源物聯(lián)網(wǎng)的高效單相變流器開發(fā)，突破單相大功率電路拓撲、電感設計、遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)、內部電路設計及干擾抑制設計等關鍵技術，經(jīng)科技查新對比綜合技術水平達到國際先進水平（見表2），指標先進，功能強大：額定輸出功率8000W，額定輸出電流34.8A，最大輸入電壓600VDC，輸入組串數(shù)量為3，MPPT數(shù)量為2，轉換效率＞98%，MPPT效率＞99%，輸出總電流諧波＜3%，防護等級IP65，具有WiFi、Zigbee等多種通訊方式，滿足物聯(lián)網(wǎng)實時交互的需求。

表2 對比查新信息（2020－8－17）

6 結術語

通過本課題的以下五方面的創(chuàng)新研究設計及應用，面向能源物聯(lián)網(wǎng)的高效單相變流器可以滿足家庭物聯(lián)網(wǎng)及能源物聯(lián)網(wǎng)對智慧清潔能源的需求，智能監(jiān)控用電設備的運行狀況，動態(tài)調節(jié)能源分配，達到有效節(jié)電的目的。

1）開發(fā)新型的適合于單相大功率應用的電路拓撲技術，提高整機效率至98%以上，解決減小了系統(tǒng)的共模電壓與共模電流，以減小功率器件的開關損耗和EMI方面的問題。提高光伏電池板的壽命和發(fā)電量，降低系統(tǒng)收益。使其單相大功率變流器達到國標規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級8kW。

2）獨創(chuàng)采用新型的第二代鐵硅磁性材料，優(yōu)化開關頻率及電感設計，提高效率，減小體積電感作為逆變器中的重要組成設計部分，提高逆變器的輸出特性及性能指標，降低單相大功率變流器成本、體積、重量。

3）本項目采用專業(yè)熱仿真軟件仿真，結合損耗分布計算，優(yōu)化結構及散熱設計，分散熱源，優(yōu)化散熱器形狀和尺寸，降低熱點溫度，減小整機體積及重量，適合于家用及單人安裝維護。

4）開創(chuàng)優(yōu)化內部電路設計及干擾抑制設計，采用單極性控制方式，減小共模干擾，增加續(xù)流鉗位電路，將干擾源限制在特定范圍內，使整機電磁干擾水平符合民用標準。

5）開發(fā)遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，方便用戶隨時隨地了解變流器狀況，大大提高了用戶使用的方便性及客戶體驗，提高了故障定位及問題解決的效率，真正實現(xiàn)了智能逆變器的遠程“監(jiān)”和“控。