光儲變流器電感損耗分析與計算
中文題目：光儲變流器電感損耗分析與計算
論文題目：Analysis and Calculation of Inductance Loss in Photovoltaic Storage Inverter
錄用期刊/會議：2024 IEEE 4th International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence (DTPI)（EI檢索國際會議）
原文DOI：10.1109/DTPI61353.2024.10778734
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10778734
錄用/見刊時間：2024.12.12
作者列表：
1） 魏學(xué)良 中國石油大學(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)）專業(yè) 碩 23
3） 曹旭東 中國石油大學(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變流器電感損耗計算方法。基于光儲變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，分析了光伏電路、儲能電路和逆變電路的工作原理。利用磁芯損耗分離模型，計算了不同占空比矩形波激勵下光伏電路和儲能電路的空載電感損耗。對 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行了量化，并計算了該紋波電流下的空載電感損耗。采用兩臺 12 千瓦的光儲變流器進行實驗驗證，證明了所提出的空載電感損耗計算方法的有效性。
背景與動機:
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）、儲能系統(tǒng)和電力負荷，是未來智能配用電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。光伏 - 儲能微電網(wǎng)可平抑光伏發(fā)電輸出波動，促進光伏、儲能、負荷與電網(wǎng)深度融合，實現(xiàn)可再生能源充分利用，光伏 - 儲能變流器是光伏 - 儲能微電網(wǎng)的具體實現(xiàn)。
提高光伏 - 儲能變流器的效率是關(guān)鍵目標。由于電感損耗是影響變流器效率的重要因素，而現(xiàn)有計算方法未完全適用于 T 型三電平光伏 - 儲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)下電感損耗的計算方法，并通過實驗驗證該方法的有效性，以助力提升此類變流器的效率。
設(shè)計與實現(xiàn):
通過分析圖一所示的T型變流器結(jié)構(gòu)
圖1 T型變流器拓撲結(jié)構(gòu)
通過分析其中的光伏升壓電路、儲能雙向變流器電路、T型三電平變流器電路的工作原理，進行工作模式分析得到當光儲變流器處于空載狀態(tài)時，光伏升壓電路工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，此時電感損耗近似為0，雙向變流器電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，此時電感損耗為：
此時的T型三電平變流器電路工作在SPWM調(diào)制模式，分析得到此時的電感損耗為：
實驗結(jié)果及分析:
利用圖2所示的實驗平臺，采用了兩臺光儲變流器。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 1（PCS - 1）處于并網(wǎng)模式，它將電網(wǎng)能量存儲到電池中并輸出恒定電壓，可將其視為一個電池。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 2（PCS - 2）處于離網(wǎng)模式，它與一個光伏模擬源以及由光儲變流器 1 充當?shù)碾姵叵噙B。分別測量了光儲變流器 2 在不同電感組合情況下的損耗。
圖2 光伏儲能變流器電感損耗測量示意圖
根據(jù)分析兩組組合的電感繞組中的磁芯數(shù)據(jù)和銅線數(shù)據(jù)，以及圖3和圖4所示的儲能電感與變流器電感電流波形。因為工作中單電感損耗難以得到，通過分析不同組合之間的電感差值來進行驗證。最終得到了如表1所示的組合電感損耗的理論計算值與實際測量值。
圖3 組合1：儲能電感與變流器電感電流波形
圖4 組合2：儲能電感與變流器電感電流波形
表1 組合電感理論計算損耗差值與實際測量損耗差值
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，并且計算差值控制在15%以內(nèi)，也驗證了本文提出電感損耗計算方法的有效性。
結(jié)論:
本文基于光儲變流器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了一種光儲變流器空載運行時電感損耗的分析與計算方法。該方法考慮了功率電感的激勵波形、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算公式，得到了與實驗數(shù)據(jù)吻合良好的計算結(jié)果，驗證了該計算方法的有效性。采用上述計算方法可為功率電感的選型提供參考和指導(dǎo)，有效降低光儲變流器或類似電力電子產(chǎn)品的空載損耗。
作者簡介:
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)用專業(yè)。主要研究方向為無縫并離網(wǎng)雙向儲能PCS，多臺區(qū)柔性互聯(lián)裝置，能量路由器，虛擬同步電機VSG，交直流微網(wǎng)系統(tǒng)，光伏、儲能、充電樁變換器，高頻UPS，車載電源，光儲柴一體機系統(tǒng)，光儲柴工商業(yè)系統(tǒng)，油田邊探井新能源微網(wǎng)系統(tǒng)，動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR，雙電源無縫切換裝置，有源濾波器APF，靜止無功發(fā)生器SVG等。