科研動(dòng)態(tài)
光儲(chǔ)變流器電感損耗分析與計(jì)算
中文題目：光儲(chǔ)變流器電感損耗分析與計(jì)算
論文題目：Analysis and Calculation of Inductance Loss in Photovoltaic Storage Inverter
錄用期刊/會(huì)議：2024 IEEE 4th International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence (DTPI)（EI檢索國(guó)際會(huì)議）
原文DOI：10.1109/DTPI61353.2024.10778734
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10778734
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024.12.12
作者列表：
1） 魏學(xué)良 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
2） 張若谷 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù)（含量子技術(shù)）專(zhuān)業(yè) 碩 23
3） 曹旭東 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
4） 余 蜜 武漢中為高科新能源有限公司
摘要:
為降低光儲(chǔ)變流器在空載狀態(tài)下的損耗并提高能量轉(zhuǎn)換效率，提出了一種基于 T 型三電平逆變電路的光儲(chǔ)變流器電感損耗計(jì)算方法?；诠鈨?chǔ)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了光伏電路、儲(chǔ)能電路和逆變電路的工作原理。利用磁芯損耗分離模型，計(jì)算了不同占空比矩形波激勵(lì)下光伏電路和儲(chǔ)能電路的空載電感損耗。對(duì) T 型三電平逆變電路在正弦脈寬調(diào)制（SPWM）下的電感紋波電流進(jìn)行了量化，并計(jì)算了該紋波電流下的空載電感損耗。采用兩臺(tái) 12 千瓦的光儲(chǔ)變流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所提出的空載電感損耗計(jì)算方法的有效性。
背景與動(dòng)機(jī):
微電網(wǎng)能高效可靠地整合分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如風(fēng)電、光電）、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力負(fù)荷，是未來(lái)智能配用電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。光伏 - 儲(chǔ)能微電網(wǎng)可平抑光伏發(fā)電輸出波動(dòng)，促進(jìn)光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷與電網(wǎng)深度融合，實(shí)現(xiàn)可再生能源充分利用，光伏 - 儲(chǔ)能變流器是光伏 - 儲(chǔ)能微電網(wǎng)的具體實(shí)現(xiàn)。
提高光伏 - 儲(chǔ)能變流器的效率是關(guān)鍵目標(biāo)。由于電感損耗是影響變流器效率的重要因素，而現(xiàn)有計(jì)算方法未完全適用于 T 型三電平光伏 - 儲(chǔ)能變流器在空載狀態(tài)下的情況，因此，本文分析T型變流器的工作原理，提出了適用于其空載狀態(tài)下電感損耗的計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性，以助力提升此類(lèi)變流器的效率。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
通過(guò)分析圖一所示的T型變流器結(jié)構(gòu)
圖1 T型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過(guò)分析其中的光伏升壓電路、儲(chǔ)能雙向變流器電路、T型三電平變流器電路的工作原理，進(jìn)行工作模式分析得到當(dāng)光儲(chǔ)變流器處于空載狀態(tài)時(shí)，光伏升壓電路工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，此時(shí)電感損耗近似為0，雙向變流器電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，此時(shí)電感損耗為：
此時(shí)的T型三電平變流器電路工作在SPWM調(diào)制模式，分析得到此時(shí)的電感損耗為：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
利用圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用了兩臺(tái)光儲(chǔ)變流器。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 1（PCS - 1）處于并網(wǎng)模式，它將電網(wǎng)能量存儲(chǔ)到電池中并輸出恒定電壓，可將其視為一個(gè)電池。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 2（PCS - 2）處于離網(wǎng)模式，它與一個(gè)光伏模擬源以及由光儲(chǔ)變流器 1 充當(dāng)?shù)碾姵叵噙B。分別測(cè)量了光儲(chǔ)變流器 2 在不同電感組合情況下的損耗。
圖2 光伏儲(chǔ)能變流器電感損耗測(cè)量示意圖
根據(jù)分析兩組組合的電感繞組中的磁芯數(shù)據(jù)和銅線(xiàn)數(shù)據(jù)，以及圖3和圖4所示的儲(chǔ)能電感與變流器電感電流波形。因?yàn)楣ぷ髦袉坞姼袚p耗難以得到，通過(guò)分析不同組合之間的電感差值來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。最終得到了如表1所示的組合電感損耗的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值。
圖3 組合1：儲(chǔ)能電感與變流器電感電流波形
圖4 組合2：儲(chǔ)能電感與變流器電感電流波形
表1 組合電感理論計(jì)算損耗差值與實(shí)際測(cè)量損耗差值
根據(jù)表1分析得到了從組合1到組合2能夠有效降低電感損耗，并且計(jì)算差值控制在15%以?xún)?nèi)，也驗(yàn)證了本文提出電感損耗計(jì)算方法的有效性。
結(jié)論:
本文基于光儲(chǔ)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，提出了一種光儲(chǔ)變流器空載運(yùn)行時(shí)電感損耗的分析與計(jì)算方法。該方法考慮了功率電感的激勵(lì)波形、調(diào)制方式和工作模式，并結(jié)合電感制造商提供的磁芯損耗計(jì)算公式，得到了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的有效性。采用上述計(jì)算方法可為功率電感的選型提供參考和指導(dǎo)，有效降低光儲(chǔ)變流器或類(lèi)似電力電子產(chǎn)品的空載損耗。
作者簡(jiǎn)介:
魏學(xué)良，博士，講師。博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用專(zhuān)業(yè)。主要研究方向?yàn)闊o(wú)縫并離網(wǎng)雙向儲(chǔ)能PCS，多臺(tái)區(qū)柔性互聯(lián)裝置，能量路由器，虛擬同步電機(jī)VSG，交直流微網(wǎng)系統(tǒng)，光伏、儲(chǔ)能、充電樁變換器，高頻UPS，車(chē)載電源，光儲(chǔ)柴一體機(jī)系統(tǒng)，光儲(chǔ)柴工商業(yè)系統(tǒng)，油田邊探井新能源微網(wǎng)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR，雙電源無(wú)縫切換裝置，有源濾波器APF，靜止無(wú)功發(fā)生器SVG等。