光伏并网逆变器用电抗器的优化设计
王放;王春芳
【摘 要】Reactor is the key component in photovoltaic grid inverter, the core of reactor adopts a multi air gap structure.There are many problems such as uneven distribution of magnetic field and large loss in the operation process.In order to solve these problems, this paper presents a structure of three-phase reactor with fifteen period of air gap by increasing the number of air gap in the column.The Ansoft Maxwell is respectively used to establish the three-dimensional (3D) mathematic model of a eleven air-gap and fifteen air-gap reactor, through a series of analysis of the magnetic simulation, electromagnetic field simulation can be obtained.It is concluded that the 15 air gap reactor has the advantages of uniform magnetic field distribution and low loss, which provides a reference for the further optimization of reactor design.%电抗器是光伏并网逆变器的关键部件,其铁芯多采用多气隙结构,运行过程中存在着磁场分布不均、损耗较大等问题.针对这些问题,中文提出了一种15气隙磁路结构的三相电抗器,在原有11段气隙电抗器铁芯结构基础上进行了改进,增加了中柱气隙分段
数目.采用有限元分析法,利用Ansoft Maxwell软件建立了11气隙和15气隙电抗器的三维模型,进行了电磁场模拟,得出了15气隙电抗器具有磁场分布更均匀和损耗低的优点,为进一步优化电抗器的设计提供参考.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)002
【总页数】3页(P72-73,77)
【关键词】光伏发电;逆变器;电抗器;电磁场模拟
【作 者】王放;王春芳
【作者单位】青岛大学 自动化与电气工程学院,山东 青岛 266071;青岛大学 自动化与电气工程学院,山东 青岛 266071
【正文语种】中 文
对于光伏并网发电系统，电抗器是逆变器组成部分中最关键的部件之一[1]。电抗器在较长时间运行情况下，会出现磁场分布不均和损耗较大等问题，另外，其基本结构和磁性材料的选择也会影响到电抗器的运行情况。由于磁性材料的非线性特性，研究电抗器和磁芯的磁场分布从而优化结构十分重要[2]。
本文以光伏逆变并网系统用三相电抗器为主要研究对象，采用有限元分析法对电抗器进行电磁场模拟，从而得到相应的磁场分布，其磁场分布直接影响电抗器的损耗。本文通过改变分段气隙的数量对电抗器进行电磁场模拟并对比分析(图1)。仿真结果表明15气隙电抗器的磁场分布更均匀，有效地降低了损耗。
1.1 电抗器的电磁场计算数学模型
本文模拟了500 kVA光伏并网逆变器用电抗器。电抗器在运行过程中，各个部件产生温升的热源由铁芯损耗和线圈铜带绕组产生的欧姆损耗组成。铁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。
将电抗器的三维模型分为涡流区和非涡流区。涡流区主要由磁芯、磁轭等构成，非涡流区主要由外围空气、线圈绕组、骨架等构成，其结构如图2所示。
涡流区的控制方程[3]为:
(-σ-σV)=0
式中，σ为电导率，S/m；μ为磁导率,H/m；U为标量电位，V；A为矢量磁位；t为时间。
非涡流区的控制方程为：
由麦克斯韦方程及矢量磁位定义，得
H=B
B=×A
式中，H为磁场强度；B为磁感应强度； J为电流密度。
reactor 性能1.2 电抗器的磁路结构
为了避免磁通饱和，光伏并网逆变器的电抗器采用中柱带多气隙的磁路结构。某厂家生产的电抗器的主视图剖面如图1(a)所示。由于气隙附近有漏磁场，会影响到线圈的发热。为了减
小电抗器模型中气隙的漏磁场对磁场分布的影响，本文提出了一种具有15段气隙电抗器的结构，其主视图剖面如图1(b)所示。15段气隙电抗器的结构和11段气隙电抗器的结构大致相同，气隙总厚度保持20 mm不变，只改变了气隙的分段数目。11、15段气隙电抗器的磁芯尺寸为180×500×390 mm。磁芯、磁轭硅钢片型号选择B27AHV150，其性能参数由生产厂家提供。
1.3 电抗器的立体模型
将光伏逆变器用电抗器作为计算分析的模型，经过合理简化处理后，应用Ansoft Maxwell软件建立电抗器计算模型，如图2所示。
1.4 给定激励源和建立边界条件
本文模拟的光伏并网逆变器用电抗器，其基波电流为1 100 A，基波频率为50 Hz，谐波频率为3 kHz。线圈匝数为12，电感值为0.1 mH。以安匝数作为电抗器的激励源，三相电流的相位差为120°。在一般情况下，电流在块状导体和线圈中分布是均匀的，可以将安匝数直接添加在相应截面上。采用Ansoft Maxwell/3D模式下的默认边界条件。
1.5 网格剖分
网格剖分采用四面体单元进行自适应剖分,该单元形状简单，对于复杂三维实体和复杂曲面实体的网格剖分稳定，可以使得所计算的模型有一个更稳定更真实的结果。因此可以在大部分三维有限元软件中到它的应用案例。在自适应分析的每一步，对误差较大处的网格进行细化，满足求解精度设定的条件后终止。具体流程如图3所示。
1.6 求解
首先设置磁芯、绕组等材料的属性、加载激励源、仿真时间以及步长等。主要依据公式(1)～(6)进行电磁场计算、分析，得到分段气隙电抗器的磁感应强度矢量图，其结果如图4(a)、(b)所示。
由图4可以看出：11气隙与15气隙电抗器结构的磁感应强度上下、左右均为对称分布，磁感应强度在气隙处明显比其他地方要弱一些；但15气隙电抗器磁感应强度比11气隙电抗器磁感应强度分布更均匀，并且较小一些。可见在相同条件下，15气隙电抗器的磁场强度不易达到饱和，因此提高了系统的可靠性，这也间接反映15气隙电抗器不会造成局部过热，并且损耗也可以降低。
对两种分段数目的气隙电抗器铁芯的磁感应强度进行仿真，仿真结果如图5(a)、(b)所示。
综合仿真结果可以看出，气隙的分段数目直接影响电抗器的磁感应强度分布，原因是由于气隙附近有漏磁通，影响线圈的发热，而磁感应强度分布的疏密程度又能影响电抗器的损耗，分布越密的地方损耗越大，而分布越稀疏的地方损耗越小。
本文通过对11气隙和15气隙电抗器和铁芯的电磁场仿真对比分析，得出15气隙电抗器和铁芯的磁感应强度弱于11气隙电抗器的磁感应强度；因此电抗器的磁场强度不易达到饱和，分布更均匀，保证了系统的稳定性；由此可以降低损耗。采用相同方法，保持气隙总厚度不变，继续增加气隙的分段数目进行仿真，其优化效果并不明显，同时考虑到电抗器成本以及工艺复杂程度的问题，证明了15气隙电抗器已经达到了提高系统可靠性、降低损耗的最优优化效果。
【相关文献】
[1] Calais M, Myrzik J, Spooner T, Agelidis V G. Inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems and overview[C]. IEEE Power Electron. Spec. Conf. Rec., 2002, (4):1995-2000.
[2] 余 波,杨 海,童 泽.一种三相铁心电抗器磁场分析及其电感量计算[J].变压器,2011,48(6):17-19.
[3] Biro O, Preis K. On the Use of the Magnetic Vector Potential in the Finite-Element Analysis of 3-D Eddy Current[J]. IEEE Transaction on Magnetics, 1989, 25(4):3154-3159.

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