黃和平 顧章平 吳 斌 馮學(xué)禮 楊劍平 葉青青
(1.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司 2.上海正泰電源有限公司)
隨著Micro-Grid網(wǎng)絡(luò)+傳統(tǒng)電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、新型智能電力電子控制的結(jié)合研究與應(yīng)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(luò)應(yīng)用產(chǎn)生,作為大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充,能源物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要智慧型清潔能源單元相匹配,不僅能改善電能質(zhì)量和提供穩(wěn)定可靠的電能,還可根據(jù)系統(tǒng)各用電設(shè)備狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整能源分配,達(dá)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(shè)計(jì)》明確指出“2012年工信部制定《太陽(yáng)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(dǎo)向,發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯”,被國(guó)內(nèi)外專家一致認(rèn)為是電力系統(tǒng)發(fā)展方向,微電網(wǎng)中最關(guān)鍵的設(shè)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(shì)。
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(yīng)用類型;成為目前國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和技術(shù)人員的研究熱點(diǎn);文獻(xiàn)[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(xiàn)[3,4]討論了一種5kW儲(chǔ)能+PWM軟開(kāi)關(guān)變流)單相逆變器;文獻(xiàn)[5]研究了用于并網(wǎng)單相逆變器;文獻(xiàn)[6]研究了一種光伏逆變智能柜的電氣硬件設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[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(shí)際應(yīng)用中暴露出以下問(wèn)題。
1)目前市場(chǎng)上的單相機(jī)絕大多數(shù)是1~6kW的功率等級(jí),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級(jí)為8kW。
2)光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范(NBT 32004—2013)明確規(guī)定:無(wú)隔離變壓器的逆變器的最大效率不低于96%,Ⅲa級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dá)28kg,不便于安裝,成本高效率低;另一類為系統(tǒng)復(fù)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(yīng)用的為并網(wǎng)光伏發(fā)電功率密度不大于1.7W/in3的無(wú)變壓器型逆變器。
4)專利CN201110175051.4明確指出無(wú)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(guān)管,L濾波電感及電網(wǎng)組成電通路接地點(diǎn)電通路,存在漏電操作人身的風(fēng)險(xiǎn),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(diào)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(jí)半橋電路拼成2倍的全橋電壓,復(fù)雜電路效率低。因此解決無(wú)隔離型變流器問(wèn)題的關(guān)鍵是消除與抑制共模電流。
針對(duì)現(xiàn)有研究成果和需求的不足與局限性,對(duì)專利201110175051.4《一種無(wú)變壓器型逆變電路》提出“非對(duì)稱式高效逆變器”電路結(jié)構(gòu),與專利201010232636.0《一種光伏逆變器漏電流檢測(cè)方法》通過(guò)改變輸出濾波電感續(xù)流回路的的改進(jìn),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(jié)合圖1所示描述改進(jìn)內(nèi)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
圖1為國(guó)標(biāo)規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級(jí)(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(gè)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(nèi)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?dāng)?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(hào)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(hào)輸入內(nèi)環(huán)控制器,經(jīng)內(nèi)環(huán)控制器處理的信號(hào)輸出為控制信號(hào),輸入到門極控制器處理,經(jīng)門極控制器處理的信號(hào)驅(qū)動(dòng)升壓變換器(boost)中功率開(kāi)關(guān)T7,功率開(kāi)關(guān)T7輸出最大輸入電壓600VDC,升壓變換器(boost)通過(guò)直流鏈中的直流儲(chǔ)能電容C2連接,非對(duì)稱式高效逆變橋組成的INV變換器,通過(guò)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(duì)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(duì)稱式高效逆變橋。
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(zhuǎn)換效率獲得。
1.2.1 非對(duì)稱式全橋逆變拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖1所示,INV變換器由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)與濾波器(LCL)組成,每個(gè)功率開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)管并列反接1個(gè)二極管;T1功率開(kāi)關(guān)和T6功率開(kāi)關(guān)及T2功率開(kāi)關(guān)組成第一竄接管,T3功率開(kāi)關(guān)和T4功率開(kāi)關(guān)組成第二竄接管;T1功率開(kāi)關(guān)和T4功率開(kāi)關(guān)動(dòng)作相同,T2功率開(kāi)關(guān)和T3功率開(kāi)關(guān)動(dòng)作相同,L1濾波與電阻R1竄接在T1功率開(kāi)關(guān)和T6功率開(kāi)關(guān)之間,L2濾波與電阻R2竄接在T3功率開(kāi)關(guān)和T3功率開(kāi)關(guān)之間,濾波電容C3接在L1濾波和L2濾波的另一端;T5功率開(kāi)關(guān)一端接在T6功率開(kāi)關(guān)和T2功率開(kāi)關(guān)之間,T5功率開(kāi)關(guān)另一端接在T3功率開(kāi)關(guān)和T4功率開(kāi)關(guān)之間;以20kHz切換和以市電輸出頻率切換包括:T1功率開(kāi)關(guān)、T2功率開(kāi)關(guān)、T3功率開(kāi)關(guān)、T4功率開(kāi)關(guān)、T5功率開(kāi)關(guān)和T6功率開(kāi)關(guān)。
1.2.2 單項(xiàng)非對(duì)稱式全橋逆變拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)
如圖2所示,文獻(xiàn)[1]中介紹單項(xiàng)INV變換器電流電壓矢量關(guān)系:
圖2 單項(xiàng)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(jiǎn)化為
從單相INV變換器工作的矢量關(guān)系可得出,只要改變逆變橋輸出電壓Uab的幅值和相應(yīng)相位,就可控制并網(wǎng)電流的幅值和相應(yīng)相位。將矢量關(guān)系轉(zhuǎn)換到時(shí)域中,可得到單相INV變換器在時(shí)域中的數(shù)學(xué)模型:
單極性調(diào)制即PWM信號(hào)在半個(gè)周期中只在單極性范圍內(nèi)變化。
調(diào)制原理如圖3所示。
圖3 非對(duì)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?fù)潆娐芬?jiàn)圖1INV變換器),這種設(shè)計(jì)僅需1個(gè)功率開(kāi)關(guān)動(dòng)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(shí)現(xiàn)切換,其余逆變電路功率開(kāi)關(guān)不工作,大大降低了功率開(kāi)關(guān)的損耗;在逆變器工作過(guò)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(yīng)的共模電流,在續(xù)流期間電流不經(jīng)過(guò)逆變橋的半導(dǎo)體,降低了開(kāi)關(guān)損耗。將干擾源限制在特定范圍內(nèi),使整機(jī)電磁干擾水平符合民用標(biāo)準(zhǔn);在設(shè)計(jì)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(jī)EMI達(dá)到ClassB等級(jí),提高了光伏電池板的壽命和發(fā)電量及系統(tǒng)收入。
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(duì)逆變器的性能有重要的決定作用,其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出特性及性能指標(biāo),以及成本、體積、重量。我們通過(guò)Mathcad計(jì)算軟件,進(jìn)行電感的設(shè)計(jì)計(jì)算,對(duì)比不同的磁性材料,選擇開(kāi)關(guān)頻率,設(shè)計(jì)電感值,計(jì)算損耗、紋波等,最終選擇了第二代鐵硅磁心,調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率及優(yōu)化電感值,使整機(jī)達(dá)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(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)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(shì),取得了不錯(cuò)的效果。
計(jì)算最大波紋電流。
線路模式最大波紋電流預(yù)設(shè):S-Load(最大功率負(fù)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(nèi)徑。
OD571=62mm;ID571磁心外徑。
交叉計(jì)算公式pcco-NPH-60
圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度與有效磁導(dǎo)率百分比
選擇電流密度:J=3A/mm2。
選擇導(dǎo)線線徑:wire¢=2.2mm。
計(jì)算單根線的截面積:扼流圈電流計(jì)算線路和蝙蝠模式。
選擇導(dǎo)線并計(jì)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(dǎo)率百分比必須大于0度和運(yùn)行壓力之間的差異:
銅系數(shù):a=4×10-3;銅電阻:p=1.6×10-8。
重要參數(shù)隨時(shí)間變化:
圖7 重要參數(shù)隨時(shí)間變化一
圖8 重要參數(shù)隨時(shí)間變化二
逆變電感的實(shí)際波紋電流
圖9 重要參數(shù)隨時(shí)間變化三
圖11 逆變電感的實(shí)際波紋電流一
圖12 逆變電感的實(shí)際波紋電流二
計(jì)算線路模式下的銅損:
圖13 逆變器效率計(jì)算一
圖14 逆變器效率計(jì)算二
圖15 逆變器效率計(jì)算三
圖16 逆變器效率計(jì)算四
(1)計(jì)算IGBT和二極管的總損失
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算,因?yàn)楣?yīng)商沒(méi)有提供足夠的信息。
(2)所有半導(dǎo)體組件的總損耗
單顆電感銅線長(zhǎng)度:
采用專業(yè)熱仿真軟件仿真,結(jié)合損耗分布計(jì)算,優(yōu)化結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì),分散熱源,優(yōu)化散熱器形狀和尺寸,降低熱點(diǎn)溫度,減小整機(jī)體積及重量,適合于家用及單人安裝維護(hù)單相逆變器;由于一般都是安裝在家庭室內(nèi),要求美觀、小巧、重量輕、無(wú)噪音。要做到噪音低,就不能加風(fēng)扇幫助冷卻,只能自然冷卻。對(duì)于8kW這個(gè)功率等級(jí),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。
圖17 熱仿真流程圖
圖18 熱源器件布局圖
熱源器件布局信息如下。
機(jī)殼外形尺寸:360mm(寬度)×450mm(高度)×110(深度);材質(zhì):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(zhì):AL6063;基板厚度:8mm。
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(nèi)部環(huán)溫降6℃。
圖10 重要參數(shù)隨時(shí)間變化四
本項(xiàng)目采用專業(yè)熱仿真軟件仿真,結(jié)合損耗分布計(jì)算,優(yōu)化結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì),分散熱源,優(yōu)化散熱器形狀和尺寸,降低熱點(diǎn)溫度,減小整機(jī)體積及重量,適合于家用及單人安裝維護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),我們主要從以下幾個(gè)方面來(lái)入手。
圖19 熱源件模型圖
一是優(yōu)化設(shè)計(jì)、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?yàn)檫@個(gè)條件是整機(jī)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(cè)試能不能通過(guò),通過(guò)器件選擇、控制方式的調(diào)整以及電感設(shè)計(jì)的優(yōu)化,優(yōu)化滿載最惡劣條件下的效率,達(dá)到96.4%,降低整機(jī)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(jié)構(gòu)及特性,功率器件實(shí)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(shí)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(dǎo)致局部溫升過(guò)高,而沒(méi)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(biāo)。為此,實(shí)現(xiàn)了將熱源分散,同時(shí)又不影響電氣性能的實(shí)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(guò)精細(xì)的效率提升以及優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì),本項(xiàng)目最終將實(shí)現(xiàn)單相8kW單向變流器的自然散熱,而且整機(jī)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(dāng),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(hù)的戶用逆變器設(shè)計(jì)目標(biāo)。
如圖21所示,逆變器配置有GPRS/WiFi通訊模塊,用戶可通過(guò)手機(jī)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(shí)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(duì)逆變器下發(fā)控制指令,如開(kāi)關(guān)機(jī)、限制功率大小、有功無(wú)功控制、調(diào)整保護(hù)參數(shù)等,還可以對(duì)逆變器進(jìn)行遠(yuǎn)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(yàn),提高了故障定位及問(wèn)題解決的效率,真正實(shí)現(xiàn)了智能逆變器及對(duì)其的遠(yuǎn)程“監(jiān)”和“控”。
圖21 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
手機(jī)APP界面,如圖22所示。
圖22 手機(jī)APP界面圖
本項(xiàng)目預(yù)期總投入3000萬(wàn)元,項(xiàng)目實(shí)施周期為3年,2021年度內(nèi)累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售1億元,邊際利潤(rùn)3000萬(wàn),投資回收期為3年。項(xiàng)目研發(fā)成功后,項(xiàng)目開(kāi)發(fā)產(chǎn)品預(yù)計(jì)年產(chǎn)量達(dá)到30000臺(tái),單臺(tái)價(jià)格為3500元人民幣。項(xiàng)目期限內(nèi)累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售1億元,邊際利潤(rùn)3000萬(wàn)。
預(yù)期項(xiàng)目完成后實(shí)現(xiàn)的銷售業(yè)績(jī)?nèi)绫?所示。
表1 生產(chǎn)銷售信息(2021-05-18)
本項(xiàng)目屬于2019年上海市工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)重點(diǎn)方向重點(diǎn)領(lǐng)域“補(bǔ)短板”專題第八項(xiàng)“高效單相光伏變流器”(項(xiàng)目立項(xiàng)編號(hào):CYQJ-2019-1-08)。
完成面向能源物聯(lián)網(wǎng)的高效單相變流器開(kāi)發(fā),突破單相大功率電路拓?fù)?、電感設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)、內(nèi)部電路設(shè)計(jì)及干擾抑制設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)科技查新對(duì)比綜合技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平(見(jiàn)表2),指標(biāo)先進(jìn),功能強(qiáng)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?dāng)?shù)量為3,MPPT數(shù)量為2,轉(zhuǎn)換效率>98%,MPPT效率>99%,輸出總電流諧波<3%,防護(hù)等級(jí)IP65,具有WiFi、Zigbee等多種通訊方式,滿足物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)交互的需求。
表2 對(duì)比查新信息(2020-8-17)
通過(guò)本課題的以下五方面的創(chuàng)新研究設(shè)計(jì)及應(yīng)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(duì)智慧清潔能源的需求,智能監(jiān)控用電設(shè)備的運(yùn)行狀況,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能源分配,達(dá)到有效節(jié)電的目的。
1)開(kāi)發(fā)新型的適合于單相大功率應(yīng)用的電路拓?fù)浼夹g(shù),提高整機(jī)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(kāi)關(guān)損耗和EMI方面的問(wèn)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(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的單相光伏逆變器輸出的最大功率等級(jí)8kW。
2)獨(dú)創(chuàng)采用新型的第二代鐵硅磁性材料,優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率及電感設(shè)計(jì),提高效率,減小體積電感作為逆變器中的重要組成設(shè)計(jì)部分,提高逆變器的輸出特性及性能指標(biāo),降低單相大功率變流器成本、體積、重量。
3)本項(xiàng)目采用專業(yè)熱仿真軟件仿真,結(jié)合損耗分布計(jì)算,優(yōu)化結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì),分散熱源,優(yōu)化散熱器形狀和尺寸,降低熱點(diǎn)溫度,減小整機(jī)體積及重量,適合于家用及單人安裝維護(hù)。
4)開(kāi)創(chuàng)優(yōu)化內(nèi)部電路設(shè)計(jì)及干擾抑制設(shè)計(jì),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(nèi),使整機(jī)電磁干擾水平符合民用標(biāo)準(zhǔn)。
5)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng),方便用戶隨時(shí)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(yàn),提高了故障定位及問(wèn)題解決的效率,真正實(shí)現(xiàn)了智能逆變器的遠(yuǎn)程“監(jiān)”和“控。