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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. 軟磁材料在光伏產業中的應用
        發布時間:2018-05-28 來源:本站 點擊數:233
        太陽能資源豐富、分布廣泛,是最具發展潛力的可再生能源。隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出,太陽能光伏發電因其清潔、安全、便利、高效等特點,已成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業[1]。
          光伏逆變器為光伏發電系統的重要組成部分之一,主要功能是將太陽能模組輸出的直流電轉成交流電。光伏逆變器中的磁性元件主要包含EMC濾波電感、Boost升壓電感、逆變電感、高低頻隔離變壓器、驅動變壓器、互感器與(漏)電流傳感器等[2]。根據器件的性能要求不同,對應軟磁材料的要求也不一樣。因而根據光伏逆變器的具體設計要求,使用對應的軟磁材料非常必要。
          本文分別介紹了天通公司針對光伏逆變器中的功率電感、高頻隔離變壓器和EMI濾波電感對應的軟磁材料。
          2 光伏逆變器逆變器用軟磁材料
          2.1 功率電感用高Bs低損耗MnZn材料TPB15
          功率電感主要在逆變系統中充當濾波和儲能作用,一方面從工作電流的角度來看,功率電感在其整個工作段內紋波電流相對較大并且工作溫度較高,從而功率電感的直流偏置特性要求較高(尤其是高溫時),提高功率電感對應鐵氧體材料的高溫Bs(飽和磁通密度)非常必要;另一方面,從損耗的角度來看,功率電感的損耗可能占到太陽能逆變系統總損耗的20~40%,降低功率電感對應鐵氧體材料的功率損耗非常必要。針對光伏逆變器中的功率電感的性能要求,我們開發了高Bs低損耗MnZn材料TPB15。
          表1為TPB15材料與天通傳統的TP4材料的材料性能對比。圖1為 TPB15材料與天通傳統的TP4材料的Bs-T曲線對比。由表可見,相對于天通傳統的TP4材料,TPB15材料的Bs有顯著的提升,尤其是高溫的Bs。圖2為TPB15材料與天通傳統的TP4材料的Pcv-T曲線對比。由圖可見,相對于天通傳統的TP4材料,TPB15材料的功耗谷點設計在100℃左右,低溫段的功耗不如TP4材料,但是高溫段的功耗基本與TP4材料相當。一方面考慮到鐵氧體磁芯氣隙處的渦流損耗可以通過分布式氣隙和氣隙避讓技術來做優化處理,另一方面,使用高Bs材料,就可以把工作磁通密度Bm選得高一些,可以減小磁心的尺寸,因此TPB15材料能夠滿足光伏逆變器中的功率電感的低損耗和小型化的要求。
          2.2 高頻隔離變壓器用高頻低損耗MnZn材料TP5i
          高頻隔離式變壓器一方面可以有效的隔離掉直流諧波,防止對交流電網產生干擾,另一方面還有升壓功能。其工作頻率較高,體積相對較小,特別適用于現在逐步流行的太陽能微逆變器。為提高逆變器效率,高頻隔離式變壓器用鐵氧體磁芯要求高使用頻率、高飽和磁化強度、低損耗。針對光伏逆變器中的高頻隔離式變壓器的性能要求,我們開發了高頻低損耗MnZn材料TP5i[3]。
          表2為TP5i材料與天通傳統的TP4材料的材料性能對比。如表所示,TP5i材料的高頻損耗較小,相對于天通傳統的TP4材料,更適合高頻隔離式變壓器的高頻低損耗要求。圖3為TP5i材質磁芯產品與國外合格產品Pcv-T特性對比。由圖可見,TP5i材料在整個使用的溫度段內具有更低的損耗,使用TP5i材料做成的高頻隔離變壓器,相對于國外產品,高溫100℃的功耗Pcv降低40%以上。我們知道,逆變器出力狀態還受天氣變化影響。光照強,陽光直射情況出力大;夜間光照弱,逆變器處于停機狀態,逆變器出力變小,電池效率下降。TP5i材料在低溫和高溫段的損耗均較小,非常有利于微逆變器的轉換效率的提高。
          2.3 EMI濾波電感用高直流疊加低損耗FeSiAl磁粉芯
          在光伏逆變器中,起消除直流和交流中高次諧波作用的磁性元件是濾波電感器。直流濾波電感器接在逆變器輸入端,要承受直流和交流疊加,工作電流大,電感也大[4]。傳統的鐵氧體材料由于受Snoek極限的限制,在高頻使用時,抗EMI能力下降,因此具有特殊軟磁性能的金屬磁粉芯材料成為制作光伏逆變器中EMI濾波電感的理想材料。
          在各類金屬磁粉芯中,鐵硅鋁磁粉芯具有分布式氣隙、飽和磁感應強度大、寬恒磁導率、高居里溫度、溫度穩定性好、在高頻下具有極低的損耗,幾近為零的磁致伸縮系數使其成為消除濾波電感器中的高頻噪聲的最佳選擇。針對光伏逆變器中的EMI濾波電感的性能要求,我們開發了高直流疊加低損耗FeSiAl磁粉芯。
          圖4為我們開發的各種磁導率的鐵硅鋁磁粉芯的直流偏置特性。由圖可見,鐵硅鋁磁粉芯由于是分布式氣隙,具有軟飽和特性,隨著偏置電流的增加,磁導率緩慢下降;在相同的偏置電流下,隨磁導率下降,磁導率下降率越?。ㄖ绷髌锰匦栽胶茫?。通過粉末粒度、復合方法、鈍化工藝、熱處理氣氛等因素的研究,我們可以對FeSiAl磁粉芯的直流疊加特性進行有效控制[5]。
          圖5和圖6分別為26μ~40μ、60μ~125μ FeSiAl磁粉芯的功耗特性。由圖可見,26μ~40μ的功耗要比60μ~125μ鐵硅鋁磁粉芯的要低。FeSiAl磁粉芯磁導率越高,功率損耗越低,而直流疊加特性將變差,因而需要根據光伏逆變器中EMI濾波電感的具體要求選擇適當的磁導率的FeSiAl磁粉芯來兼顧功率損耗和直流疊加特性的雙重要求。



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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