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  • 浅谈超薄、高性价比单相光伏逆变器的设计方案
  • 2017-04-10 19:02:39  发布:  来源:John Fang、啓勤
  • 摘要:近年来,光伏行业发展迅速,在全民光伏扶贫的政策的驱动下,作为光伏系统中的核心部件光伏逆变器将是竞争的重点。

     前言

     
    近年来,光伏行业发展迅速,在全民光伏扶贫的政策的驱动下,作为光伏系统中的核心部件光伏逆变器将是竞争的重点。随着市场竞争的白日化,归根结底是产品性能和服务的竞争,而性价比是最为重要的内容,是各大逆变器设计者思考的重点,光伏逆变器国内较早在09年已经研发成功并且达到批量生产,迄今为止,硬件和软件平台较为成熟,进一步的发展无非是在技术层面对机器的如何做的更小,提高功率密度,减小体积,提高综合性价比等方面进行突破。为了顺应我国光伏行业的发展的大趋势,本文从以下几大角度出发浅谈小型化逆变器的设计思路。
     
    一、整机结构:
     
    目前机壳可采用压铸的工艺,将散热器和箱体做成一体,减少了组装的成本,体现一体化的机构设计。PCB的结构上可采用叠板的设计思路,选用小型的继电器和扁平型电感可进行叠板设计。为减小内部PCB的占板面积,电感可设计放在散热器内部,挖个圆形洞把电感放进去,电感上面放置PCBA的组件,电感的端子与PCBA下层进行电气连接如图一模型
     
    1.jpg
    图一
     
    二、拓扑:
     
    拓扑设计可参考HERIC(高效率和可靠逆变器概念)如图二,这样的拓扑结构在交流侧增加了一个采用两个背靠背IGBT器件(绝缘栅双极型晶体管)的旁路桥臂。交流旁路提供
     
    了两个重要功能。
     
    2.1理论分析:
     
    1)在零电压状态时避免了L1(2)和CPV间的无功功率交换,从而提高了效率。
     
    2)在零电压状态时将光伏模块和电网隔离,从而消除了VPE中的高频成分
     
    这种设计主要特征为:
     
    1)S1-S4和S2-S3以高频方式开关,S+(S-)以电网频率开关。
     
    2)存在两种零电压状态:S+=ON和S-=ON(当桥臂关断时)
     
    优点:
     
    1)滤波器上的电压是单极性的(0→+VPV→0→-VPV→0),从而降低了铁芯的消耗。
     
    2)效率可高达97%,这是因为零电压状态时在L1(2)和CPV间没有无功功率交换,并且一个桥臂的开关频率低。
     
    3)VPE中只含有电网频率分量而没有开关分量,因此产生的漏电流和EMI都很小。
     
    应用该拓扑设计,改善了采用双极性调制的全桥逆变器的性能,它通过交流旁路为电路 增加零电压状态提高了效率。由于这种拓扑结构的效率高和漏电流及EMI小,因此它非常适合用于无变压器型光伏逆变器。Sunways将这一经典的H桥型的新型拓扑申请的专利,适合2.7~5KW功率段产品。
     
    2.2 专利规避
     
    为了促进我国光伏行业的发展,针对上述HERIC拓扑,可以在专利方面做些规避。比如可以在图二的S1管或S3管与BUS+串入一个处于常通状态的IGBT,综合看比H6的成本更低,从研发经验看layout走线较为顺利,可实现双层板,相比四层板价格价格可降30%。
     
    2.jpg
    图二
     
    三、电子线路优化:
     
    3.1辅助电源:
     
    业界内简称SPS,起初从主变压器输出的HF-POWER信号去驱动4个并联的变压器(3个INV驱动变压器和1个COMM-POWER变压器)为了从空间和成本考虑,将4个变压器合成为一个变压器。因拓扑的差异性,用EI30~EI33变压器便可满足需求。
     
    3.2辅助电源拓扑:
     
    设计此处裕量较大,随着成本压力的增加,双管单端反激优化为单管单端反激,既满足了性能要求,又降低了成本。
     
    传统辅助电源一般从BUS侧取电,但稿主觉得可以从电网接口取电,这样可以有两方面好处:
     
    (1)避免早晚PV能量微弱时产生的重复启动导致SPS电源异常锁死;
     
    (2)电整流后电压较低,对应开关管选型和变压器设计的需求成本会极大降低 (电网最高 AC300V,PV最高600V)。
     
    (3)SPS电网取电,可以除去掉PV的假负载电路,原理是在+15V没有建立前,假负载一直处于工作状态,当+15V建立后,假负载电路停止工作。这样可以简化SPS电源设计,降低成本,减少额外电路占用PCB空间。业界常用的假负载电路如图三:
     
    3.jpg
    图三
     
    3.3绝缘阻抗检测:
     
    传统双路输入的逆变器起初用两个继电器,但目前软件算法的深入,用单个继电器便完全可以实现两个继电器的性能。
     
    3.4 CPU冗余:
     
    最早要求冗余的是德国VDE-0126-1-1,要求在检测电网电压、电网过零点、漏电流、逆变电流等方面要求做冗余检测,所以要多一颗辅CPU,成本就会增加,随着国内市场的放开,考虑到国内监管不严格和低成本的需求,有些厂家已经把辅CPU去掉或者不焊接。
     
    3.5漏电流检测方案:
     
    现在大部分逆变器厂家依然沿用传统方案分立器件所搭的电路,由于分立器件的离散性和耦合性较差,特别在电网较差的场合如:澳洲电网的单线传输特殊性,导致国内逆变器厂商大面积误报漏电错误信息,带来很大的经济损失。另外雷击很容易使GFCI电路失效,虽然经过几代国内外工程师的优化,在漏电互感线圈的每个端口防止大量的钳位二极管保护,还未彻底解决这类问题的发生,所以Magtron针对现场的发生的客诉以及逆变器小型化,集成化的设计理念,开发出高度集成的漏电流传感器并且得到大批量的应用,目前已有许多典型逆变器厂家选用模块式的漏电流检测方案。数据表明,相对分立器件的管控成本较低,类似客诉事件大大降低,售后成本也大幅下降。
     
    Magtron独创的Type B型RCMU(关于TypeB型的RCMU分析可百度搜寻稿主上一篇文章“RCMU在光伏逆变器中的研究说明”)在光伏逆变器中得到广泛的认可。为了逆变器的研发与制造商考虑,Magtron基于“Magtron iFluxgate”系列技术方案,在原器件的方案上对RCMU进行强势升级,开发了一款专为匹配小功率逆变器要求和成本的一款全球超小型
     
    漏电流传感器RCMU101SM1-AI如图四,为高绝缘强度、高功率密度、高性价比的超薄逆变器的方案奠定了设计基础。该器件采用SoC集成方案,包含全球独特的Self-Check功能。具有全温区线性度高、精度良好、单电源供电、电路应用简单,并且兼容RCMU各个型号等特点,其模块化的设计、PCB插件式的安装让客户在实际使用更加方便和快捷。体积上相比中大功率的RCMU有明显的减小,体积减少3/4以上。使得逆变器AC端的布局可以更加灵活。
     
    Magtron检测TypeB型漏电流利用的是环形磁通门原理:
     
    被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下(如图四驱动波形),其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”,通过这道“门”,相应的磁通量即被调制,并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场,从而间接的达到测量电流的目的。
     
    4.jpg
    图四
     
    整个过程可以概括为:当磁通门式电流传感器工作时,激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励,使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时,则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波,波形正负上下对称。当存在直流外在和激励交变磁场,直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和,而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此,造成激励周期内正负半周不对称,从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比,因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流。
     
    模块主要特点:
     
    5.jpg
    图五
     
    •最小检测范围由直流0mA~交流500mA(可数字化调整)
     
    •集成安全自检(Self-check)功能,安规件级别
     
    •超小安装体积:长*宽*高=26mm*12mm*23mm
     
    •系统成本有显著降低的Type B型RCMU
     
    •故障电流检测根据IEC62109或VDE0126
     
    •BW=DC~700Hz频率范围
     
    3.6 PV侧电流传感器
     
    PV侧电流传感器主要有以下作用:
     
    •LCD显示电流;
     
    •计算Pdc用于MPPT追踪;
     
    •输入BOOST电流限流;
     
    •参与PV内环的控制;
     
    •直流过流保护及产生中断;
     
    业界在用的双电源方案,在设计辅助电源时,多设计了一个绕组,这样会增加电源设计的复杂度,双电源本身的损耗会大于单电源的,同时双电源的器件本身价格要大于单电源,因此开发一款小型化、低成本单电源的电流传感器应运而生。针对逆变器的PV侧电流检测的需求,Magtron独立开发的单芯片、超小体积电流传感器MS20 Series如图五。MS以独有的小型化,高带宽的优势在超薄逆变器中有着得天独厚的优势,随着软件算法的进步和发展,
     
    相比日前主流的高精度闭环电流传感器有着巨大的设计价值和应用前景。
     
    Magtron SoC芯片方案电流检测技术:
     
    如图六单芯片ASIC解决方案,PGA可编程增益单元,可根据客户不同量程需求匹配不同的增益比以及根据电流大小变化自动调节增益输出,实现全量程高精度;TC温度校正模块可实现全温区高低温校正补偿;可编程基准模块让电压基准任意可调节成为现实;芯片上的Stable Output输出驱动模块具有吸收100mA,推动50mA电流的能力;OTP可编程E-Fuse阵列存储器,大大提升了存储的可靠性和持久性;专用DSP数字信号处理器实现双向高速串行通讯;
     
    6.jpg
    图六
     
    模块主要特点:
     
    7.jpg
    图七
     
    •增益以及电流量程可调
     
    •内置智能传感SoC芯片
     
    •超小体积,长*宽*高=15*6*12mm
     
    •BW=DC~150KHz,交直流都可测,响应时间<3uS
     
    •高线性度εL=0.4‰
     
    四、磁性元器件优化
     
    行业起初,非晶电感的应用比较广泛,后来由于铁硅铝的性价比较高,控制特性较好,噪音等方面优势,非晶电感在本行业应用越来越少,铁硅铝已经主宰逆变器行业的舞台。在整机成本中磁性元件的价格占的比重较大,以5KW单相逆变器为例,逆变开关频率20KHZ,经MATHCAD计算单个逆变电感需要3个MS226060的铁硅铝磁环,30KHZ时候需要2个;BOOST开关频率30KH计算需要2个MS226060磁环。稿主建议将开关频率提高40KHZ~60KHZ这样可以大量减少磁环叠加的个数,降低了成本,提高了效率,电感整个高度尺寸降低,逆变器内部较高的电子元件一般是电感,所以降低电感尺寸是小型化设计和降本的法宝之一。
     
    五、辅助散热
     
    众所周知,逆变器的内部系统最大温度点会影响器件的选型。机体内部的结温将直接影响器件模块的寿命。对于现在一般用的K10/K52的绝缘纸方案,可将其更新用陶瓷散热的方式,陶瓷片的导热系数高于K10/K52的30倍左右,温升比K10/K52方案低10°以上,这样可减小热损耗,降低散热器成本和提高逆变器的使用寿命。
     
    六、结束语
     
    本文对光伏逆变器小型化,低成本化设计提供点思路。光伏逆变器发展到今天,综观逆变器行业,除了拥有专利的支撑,如何把有限的资源做到高效的整合和管控,做到稳定性和低成本是最终的目标,目前已有几家主流的光伏逆变器厂家能够利用先进技术与高性价比器件的整合,实现机器高效率发电的基本要求。
     
    未来产品竞争越来越激励,为了应对这种局面Magtron全力致力于低成本,小型化的设计理念,为光伏逆变器设计者全面提供产品和技术上的全套解决方案与服务。
     
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