! 光伏逆变器实时能效分析 袁瑞铭 丁恒春 陈颖 王婷 钱吉红 % 国网冀北电力有限公司电力科学研究院 北京 """ % 西安交通大学电气工程学院 陕西西安 +"" % 威胜集团系统及能效事业部 湖南长沙 "" 摘要 讨论光伏逆变器系统的能量损耗 从机理角度研究了系统中各部分损耗来源 给出了计算方法及其在逆变器实时损耗分析中的应用 首先介绍了常用三相光伏逆变器的基本结构 从其结构可以看出 可能的损耗来源是 & 反向二极管 直流侧电容 ( 滤波器 升压变压器 控制电路及冷却系统等 其次 对各部分损耗来源进行了分析 并给出了一套简单精确的计算方案 用于实时计算逆变器损耗 最后 通过实验和仿真评估了计算方案的精确性和实时性 并根据光伏系统的光照度 温度曲线计算了逆变器各部分日损耗曲线 本文提出的计算方法为逆变器的设计提供了一定的依据 关键词 光伏发电系统 光伏逆变器 功率损耗 实时损耗分析中图分类号 * 文献标志码 2 文章编号 *++$*! "#$% &'' "%' ' & "##' 342 56./. 7& 8 9:6 (8 3. '2&. ;2.: % 9-.9 519: 1-.-6-,-- &... 9-.9 (% -%.. ### (:. %,9: 9-.9.. <..- 4.=1.-! <. +## (:. % '1. &6 (: 1: ## (:. '#( :.196111 -:! 11..=- 1!1-/!01 -: 961 -: 11. -: 1!1-/ / -: /9:.1/.-691 -: 996-. /-: -: 11.-1.9-.. -./!1.1.=-% >.1-! -:.-691 -: 1.9 1-69-6 -::1 :-=-.9.=-% 21 9 1 /.-1 1-69-6 -: 11 /! 961! & =1. 7( 1. 99.- (.- 1- -1/ 9-9.96.- 9. 1!1-/% : -:!01 -: 11. 9611 -: 11. 9: - 11 1./ 996-996-. /-: -: -./ 996-..=- 11% : 9969! -./ /9 -:.1 /-:.1 =6-!?./-1 1./6-.1% >.! -:.! 11 96 9: - -:.=-.1 996-99. - -:. :-.-1.-! -/-6 96= -: :-=-.9 1!1-/% : 996-. /-: 1. -:.1 =.1 1.1 -: 1..=-% )% *&#+', :-=-.9 -. 1!1-/.=- 11 -./ 11 1111/- 引言 近年来 太阳能及其它可再生能源在全世界范围内受到关注并取得迅速发展 "# 年 全球光伏发电站总装机容量达到了 $% &' 中国的光伏市场发展尤其迅速 占全球的市场份额从 ## 年的 # 增长到 年的 随着光伏发电渗透率的提升 光伏系统中的能量损耗逐渐得到人们的重 视 光伏系统的能量损耗主要包括光伏阵列损耗 最大功率点跟踪的损失 直流电缆损耗 逆变器 系统损耗 交流电缆损耗等 本文研究逆变器系统的损耗 逆变器系统损耗来源主要包括电力电子器件 ( 滤波器 直流侧电容 变压器和其它损耗 针对这些损耗 目前有大量精确计算方法 对于电力电子器件的开关与导通损耗 文献 提出了利用计算机软件拟合器件技术手册中 ( ( 关系曲线 并据此精确计算器件导通 ) 关断损耗的方法 文献 * 提出了考虑结温时的曲线拟合计算方法 对于电感的铁耗 针对电力电子应用领域 文献 +$ 提出了优化的,-./-0 方法 文献 提出了 11 法 利用大量
( 实验建立数据库 据此精确查找各种工作状态下器件的导通 关断损耗 以上方法均能较为精确地计算损耗 但计算公式相当复杂且难以得到相关参数 因此 上述计算方法在实际工程中难以应用 针对此问题 本文首先分析了光伏逆变器各部分的损耗机理 对计算精度与计算复杂度做出折中 并据此挑选出用于工程 较为精确计算损耗的方法 本文基于 光伏逆变器 通过仿真和实验验证了该计算方案的有效性 最后 利用上述计算方案 对于确定的光伏发电系统 可根据实时光照强度及环境温度计算出逆变器损耗 并绘制逆变器各部分的日损耗曲线 逆变器的实时损耗分析为其能效机理研究及优化设计提供了理论依据 耗 单个 的功率损耗如图 所示 图 中! 为单个 的开关状态 当开关状态发生变化时 开关动作从开始执行到最终完成存在一定时延 在此时延内电压电流均不为零 产生对应的损耗 对于开关 # 频率为 " 的 其开关功率损耗为 光伏逆变器结构 在大规模光伏发电系统中 光伏逆变器的作用是将光伏电池发出的直流电能变换成交流电能 目前 大型光伏发电站使用的逆变器系统多为三相大功 率非隔离型逆变器系统 其拓扑结构如图 所示 图 光伏逆变器系统结构由于器件的非理想性 逆变系统中会产生功率损耗 由图 结构可知 系统中可能产生损耗的功率器件有电力电子器件 绝缘栅双极型晶体管 反向二极管 直流端电容器 滤波器 升压变压器等 下面分别分析每一部分器件的损耗机理及计算方法 光伏逆变器的损耗机理与理论计算 电力电子器件损耗模型由于 和二极管都是非理想性的 在实际应用中会造成能量损失 和二极管的损耗可以分为开关损耗和导通损耗两部分 开关损耗对于 开关损耗包括开通损耗和关断损 "$ % &'" " & 式中 为功率因数角 分别为 额定工作电压 工作电流 分别为 开通前的电压 开通后的工作电流 分别为单个 在额定电压和额定电流状态下开通 关断 次损失的能量 在开关过程中只考虑反向二极管的反向恢复损 ( 耗 其开关功率损耗为 "$)*+ % " &'" 式中 为二极管的额定工作电压 工作电流 为单个二极管在额定电压和额定电流状态下关断 次损失的能量 导通损耗 当 和二极管处于导通状态时 压降不为, 零 三相逆变器中单个 的导通损耗为 % # & ( '" -& & # '". - ( 式中. 为正向导通电压 为正向导通电阻 - 为逆变器输出电流峰值 为 /- 调制比 单个二极管的导通损耗为, % # 0 ( '" ) -& 1 # '" ) -, 式中 ) 为二极管正向导通电压 ) 为其正向导通电阻 图 直流侧电容损耗模型 功率损耗示意图 考虑到电容的损耗机理 实际的电容可以被简 化成如图 ( 所示模型
图 中 代表阻抗 为介电损耗角 为 和 之间的相角 为 的补角 为等效串联电容 为等效容抗 为等效串联电阻 这些参数之间的关系为 式中 为电网角频率 电容损耗可以表示为 对于直流侧电容 损耗主要是由调制过程中产生的纹波电流造成的 当采用 调制方式时 电容侧纹波电流为!" # $%& ' 式中 # 为输出逆变器侧相电流的峰值 为逆变器输出电流滞后电压相位差 根据电容等效电阻 可以求得纹波电流下损耗值大小 进而得到总的直流电容损耗 滤波器损耗模型 对于大功率逆变器 常采用的滤波器为三阶 滤波器 在 结构中 滤波电感 滤波电容这些无源器件上都存在损耗 一般来说滤波电感的损耗大于滤波电容 图 滤波电容损耗 根据图 所示的电容等效模型以及损耗计算式 可计算出滤波电容的损耗 此处造成电容损耗的电流为逆变器输出侧的基波及谐波电流 计算方!" 法为 #) &( * + 式中 为谐波次数 * 为第 次谐波的电压有效值 若定义电容器耗散因数,, 则式 + 可以改写为 电容等效模型 ' 和铁耗 磁芯损耗 其中 铜耗是由绕组的内电阻造!" 成的 计算方法为 %- %.# 式中 % 为交流电阻.# 为流过电流的有效值 其中 % 的计算方法为 % % $ & +$+ & 式中 & 为圆形导体的半径 为集肤深度 其计算方法为 式中 分别为电流频率 导体的渗透率和电导率 % 为直流电阻 直流电阻的计算方法为 % $ #) 式中 为绕线圈数 为每圈平均长度 为材料每厘米的直流电阻 #) 为器件的最高温度 等于温升 加环境温度 式 中所有参数都由电感生产厂家提供 磁滞损耗铁耗主要是由铁心中的磁场变化引起的 分为磁滞损耗 涡流损耗和剩余损耗 在本文中第一种损耗远大于其余两种损耗 因此只考虑磁滞损耗 工程中一般使用 /0,#/1 方程来计算磁滞损耗 / % #) 式中 为频率 % 为 /0,#/1 参数 这些参数可在器件技术手册中查到 #) 为最大磁密度 且 #)! 0! & " # % 式中 为磁通量! 0 和! & 分别为输入和输出电压 " 为开关导通时间 为绕线圈数 # % 为铁心横截面积 变压器及其他部分损耗由于变压器结构与电感相似 因此其损耗可以根据前文介绍的电感损耗计算方法来计算 其他部分损耗主要是指逆变器系统中的冷却系统及控制系统的损耗 以及保险丝 接触器 断路器等器件在有电流流过时 由于内阻的存在而发热造成的损耗 冷却 控制系统的损耗一般可通过技术手册中的数据查询或计算得到 其余部分损耗由于器件内阻难以获得一般无法计算 在实际工程中 根据经验一般将这部分损耗视为恒定值 #) &(, 滤波电感损耗 滤波电感损耗可分为 部分 铜耗 绕组损耗 仿真及实验验证 前文详细介绍了光伏逆变器的各部分损耗及计
# && 算方法 为了验证计算方法的精确性与实时性 本节将计算结果与仿真 实验结果进行了比较 由于在实验中难以分别获得各部分的损耗 因此本文通过仿真验证了电力电子器件的功率损耗 整体验证分为 步 通过基于 的仿真模型验证电力电子器件部分 和反并联二极管 的损耗计算正确性 该仿真包括对于器件开通关断损耗的实时测量模块 在后文中将详细介绍 其余部分 电感 电容及其它 损耗计算方法的验证由实验完成 此部分将通过对比不同输出功率点的计算和实验总损耗来实现 系统的功率流图如图! 所示 实验及仿真采用了 "# $ 三相光伏逆变器 拓扑结构如图 所示 系统参数见表 态计算的 查询表中储存了器件技术手册中的数据 包括 ( 曲线 % ( % 曲线 ) )** ++ ( 曲线等 的开关损耗和二极管反向恢复损耗的仿真计算流程如图 所示 逻辑判断用于识别器件的开关动作 当一个开通或关断动作被识别 系统通过查询表找到对应的损耗值 加入到总损耗中 图 功率损耗示意图 表 仿真及实验参数 参数 数值 参数 数值 -).$ ## /0 #1 - /0 ""1 ) /0 "1"& - /%," /%!"" -) / " - / &&""" -) / &# 电力电子器件损耗的仿真验证仿真主要考虑 和反向二极管的损耗及计算方法 采用的 模块型号为 %&##'& 输入端直流电压为!# 仿真模型如图 所示 在计算模块 见图 中 单个 的损耗是通过实时监测开关动作及导通状 图 开关损耗计算流程图在验证过程中 电力电子器件的功率损耗计算及其实时仿真计算同时进行以便将两结果进行对比 由此得到的仿真及计算的 和反向二极管在不同功率输出点处的损耗结果如图, 所示 图 注 : 为额定功率 功率损耗计算示意图 图 和反向二极管的功率损耗由图, 可知 在不同的输出功率点 计算与仿真结果基本吻合 由此证明本文提出的计算方法不仅形式简单 并且能够用于精确计算 与反向二极管的损耗 实验验证逆变器系统的拓扑结构如图 所示 参数值由表
给出 在全功率范围对逆变器功耗特性进行研究 采集欧标效率各个效率点 额定功率的 的电压 电流数据 通过实验及计算得到系统在不同功率点的输入和输出功率 输出效率及计算得到的各部分能耗分别如图 和图 所示 电网 由于本文中并网侧环境确定 因此仅需考虑光照和温度这两个环境因素 即可确定逆变器的实时能耗与效率特性 本文根据实时测量的光照及温度数据 利用上文所述的实时损耗计算方法对逆变器系统的日损耗特性进行分析 所采用的逆变器系统拓扑结构与参数分别如图 及表 所示 光伏组件参数如表 所示 测量得到的日光照辐射强度及温度的变化曲线分别如图 图 所示 计算得到逆变器系统的实时功率 效率变化如图 图 所示 其中各部分的功率损耗如图 所示 图 不同输出功率点效率 表 光伏组件参数 参数 数值 参数 数值!" # $%!" &!' &# %!' & 电池串联数! 个 电池并联数! 组 图 总体功率损耗分析从图 可以看出 本文提出的损耗计算方法与实验结果接近 尤其是在输出功率较小时有很高的精确度 当输出功率升高至 时 总损耗的计算误差最大 在其余情况下 计算误差均小于 由此可见 本文提供的计算方法可以较为精确地计算和分析系统的损耗 通过图 所示的计算结果 可以对各部分的损耗进行评估 并可据此提出降低损耗的优化措施 以便更好地设计低损耗的逆变器系统 在本文的计算结果中 电力电子开关损耗占总损耗的比例随输出功率增加而增大 在额定功率输出时约占总损耗的 滤波器及变压器损耗均较大 且随输出功率增加而增大 直流侧电容在总损耗中占比很小 可以近似忽略 图 日辐射强度曲线 图 日温度曲线 光伏逆变器系统的实时损耗分析 对于一个已知的并网光伏系统 逆变器的损耗取决于其输入及输出环境 逆变器系统的输入为光伏阵列输出的直流电能 因此影响输入的外界因素主要有光照强度与环境温度 其输出环境为并网侧 图 实时功率变化曲线根据图 所示的计算结果 可以在系统动态运行过程中对每一部分的损耗进行评估 并可据此有
图 实时效率变化曲线图 日损耗变化曲线针对性地提出降低损耗的优化措施 更好地设计低损耗的逆变器系统 结论 本文对逆变器系统的损耗进行了分析 并提出了实用的损耗计算方法来评估各部分的损耗 通过基于 三相光伏逆变器系统的仿真和实验 验证了所提计算方法的精确性和实时性 结合主要环境变量 辐照强度与环境温度 的监测 该评估方案可研究不同外界环境时逆变器系统的实时损耗 本文所得结果有助于从内部机理角度深入理解光伏逆变器的损耗机制 为低损耗逆变器系统的设计提供依据 参考文献 王成山 王守相 分布式发电供能系统若干问题研究 电力系统自动化 陈炜 艾欣 吴涛 等 光伏并网发电系统对电网的影响研究综述 电力自动化设备 时宝良 石敏 张红义 等 光伏电站发电量低原因分析及处理 内蒙古电力技术 黄倩 马亮 陈玉华 等 基于!"#$%& 的高频逆变器的热设计及分析 电子设计工程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陆兵 刘维亭 三相 5$* 逆变器的调制建模和仿真 电子设计工程 晁光 王养浩 杨月红 等 三相光伏逆变器的低电压穿越控制策略研究 陕西电力 杨祯 章建峰 朱振山 下垂控制逆变器谐波阻抗分析 陕西电力 刘瑶 光伏并网变流器损耗分析与优化设计 ' 北京 北京交通大学 &,% %") 9 ",66-6 13 $*!3=-.-6 613!.6 #0-4.14 $8- %014/.136!## $4--7136 )% " 9*#,")# $9#5 -. /0,66 #6.12/.13 "//41. 13 )1 - /.- $:06-7 $8-56.-2" %0::-:- $:06-7 $8- "3--34-!### &,%,%& + *5")', * %3/0.14/0 "/04:0/.13 +- *5 ":-3. 5.-66 3 +- '",13 "//41. (0./- '",13 $* "3=-.- 56.-26" /613.3 13.!3.-3/.13/0 "3--34-3 #0-4.14/0 */413-6 /37 '1=-6 赵争鸣 雷一 贺凡波 等 大容量并网光伏电站技术综述 电力系统自动化 责任编辑付小平 收稿日期 作者简介 袁瑞铭 (1974), 男, 山东诸城人, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为电能计量和智能用电