ABB LDSTA-01用YMIN电容器提高可再生能源系统的逆变器效率

　　随着世界朝着更绿色的电力解决方案发展，支持这些系统的电力电子设备必须设计为高效率。当扩展时，即使转换效率带来的边际功率增益也将节省大量能源。逆变器是构建光伏或风力发电设施所需的许多子系统的关键组件。它是风力涡轮机和/或PV面板与负载(例如能量存储系统(ESS)、电网或住宅)之间的接口。因此，这些系统的运行决定了系统的效率和可靠性成本。

　　图1显示了可再生能源在住宅规模上的前景，其中太阳能/风能装置连接到ESS，如家庭电池组。在这里，电网之间存在双向能量传输，既可以接收电力，也可以将电力传输回当地的公共设施。此外，EV充电中的双向交流/DC转换允许电力从高压EV电池发送到住宅。这种分布式架构背离了我们经常看到的传统集中式网格;它以更高的效率运行，而没有昂贵且有损耗的电力线基础设施。

　　图一。现代住宅能源网络包括复杂的双向电力传输。

　　可再生能源装置的核心是逆变器。其内部控制器将执行算法，以最大化来自风力/太阳能部署的功率输出，并在可能存在低输出功率时(例如，日落、阴天等)切换到ESS功率。).当能源供应系统产生的电力超过它所能使用的电力时，它会将多余的电力卖回给当地的公用电网。

　　在风能和太阳能装置中，逆变器在高效的能量转换、控制和通信、电流隔离以及双向充电和放电方面发挥着关键作用。电容在这些逆变器中执行基本功能，包括逆变器输入端的纹波减少和滤波、消除输出端的谐波成分，以及为敏感的内部功率半导体提供保护。本文讨论了逆变器在绿色能源中的作用，以及电容中必须优化的关键参数，以便为这些系统提供最佳支持。

　　逆变器在可再生能源系统中的作用

　　虽然逆变器的性能参数因用于风力发电还是太阳能发电而异，但风力涡轮机和太阳能逆变器的功率曲线差异很大(图2)。然而，基本功能保持不变:逆变器将输入的DC信号转换成稳定的交流输出。

　　图二。太阳能电池的IV曲线(左)和风力涡轮机的功率曲线(右)。

　　如图2左侧太阳能电池的IV曲线所示，为了获得太阳能电池的最大功率输出，它必须工作在最大功率点(PMP)。在右侧，风力涡轮机功率曲线显示了涡轮机从“接入”速度开始直到达到“额定”速度，此时涡轮机以其额定功率运行。在“切断”速度时，转子停止转动，以防止损坏系统。

　　光伏逆变器

　　太阳能逆变器可以是中央或串式逆变器，以及微型逆变器(MIs)。图3显示了串联逆变器如何将来自一组电池板的DC电压组合起来，并将其转换为交流电压，而MIs则对每个单独的太阳能电池板执行此操作。这两种系统都可以采用电池ESSs。对于中央逆变器配置，逆变器内的内部控制器切换到电池电源。

　　基于MI的配置有几个好处。例如，它消除了PV遮阳损失的负面影响。当物理障碍物阻挡单个太阳能电池板获得阳光时，电池板的功率输出自然会降低。然而，这将对捆绑在一起的板簇的生产产生负面影响。MIs的部署还允许在单个面板上实现最大功率点跟踪(MPPT ),并通过即插即用功能简化安装和维护。

　　图3。光伏板安装的两种主要配置。

　　风力逆变器

　　风速的可变性导致涡轮机发电机的输出功率具有变化的频率。因此，电力必须转换成DC，再转换回主电源的恒定频率的稳定交流电。这种配置随着更大的风力涡轮机装置而改变;不是将产生的电能转换成DC，而是使用驱动器和变压器产生标准的高压交流电压。逆变器是分布式电网架构中的关键组件，因为它依赖于较小的风力装置。

　　对电容器的需求

　　逆变器输入

　　电容器用在逆变器的输入、输出和控制电路中。在典型的光伏逆变器(无论是MI还是其他)中，DC/DC转换器调整光伏电压以匹配DC链电压。转换器设计用于跟踪光伏电源的最大功率点(MPP )(图4)。然后，DC信号通过逆变器转换成交流电用于电网连接。DC输入端使用滤波电容，以确保更干净的信号输入转换器。这是通过消除DC电源的噪声和干扰，最小化干扰信号对逆变器电路的影响来实现的。

　　DC环节电压的扰动直接转化为光伏电压，从而使MPPT算法不稳定。DC链路电容必须足够大，以避免将DC链路电压波动传递到光伏电压中，并消除第一级的高频电压纹波。

　　图4。带有输入电容器的太阳能装置，用于过滤从太阳能电池到升压转换器的DC功率，带有DC连接电容器，用于抑制转换器和逆变器之间的电压波动，带有输出滤波器，用于减少最终交流信号中的谐波含量。

　　您可以在图5中看到类似的原理是如何应用于风力部署的。随着风力涡轮机的速度增加，永磁同步发电机(PMSG)的电压成比例地上升。这存在DC电压可能超过其额定电压的风险。在这些应用中，DC环节电容器必须承受来自整流器和逆变器的纹波电流。

　　图5。风力发电装置，带有DC连接电容器以抑制整流器和逆变器之间的电压波动，以及输出滤波器以减少最终交流信号中的谐波含量。

　　逆变器输出

　　由于太阳能和风能装置向住宅供电，并返回到电网，它们的设计必须符合地区干线电力质量标准。例如，在美国，IEEE 519标准用于制定电网上允许的谐波电压量的限制，而欧洲电网谐波含量的标准是IEC 61000-3-2。

　　逆变器有时在没有用于纹波补偿的功率因数校正(PFC)的情况下运行。相反，输出滤波电容用于减少谐波含量，满足负载对高质量交流电源的要求，并确保符合电网互联标准。对于光伏应用中的管理信息系统电解电容是处理这个的标准。工程师通常更喜欢使用电解电容来有效控制电压纹波，因为其大尺寸允许单位体积的高电容。

　　可靠的电解电容器

　　这些应用中经常采用电解电容，因为其电容密度高，可以更好地消除总线上的纹波。然而，这些电容器通常有可靠性方面的考虑，特别是在高工作温度下，电解质泄漏或蒸发会导致ESR增加和电容下降。电解电容通常决定功率转换器和逆变器的寿命。

　　电解电容器通常在85°C和105°C之间的最高温度下的额定工作时间为1，000小时至10，000小时。YMIN电解电容器具有高电容密度，在105°C(221°f)的温度下具有6，000小时至10，000小时的高可靠性。这属于可靠性范围的高端，确保逆变器性能更加稳定。理想情况下，电容器将在低于这些规定温度下工作。阿伦尼乌斯方程(如下所示)通常用于评估电容寿命。

　　其中:

　　L0是制造商在温度上限下的最大额定寿命(小时)

　　Tm是制造商的最大额定耐久温度

　　T是电容器的工作温度。

　　这个等式得出了一个共识，即温度每降低10°C(50°F ),预期寿命就会增加一倍，从而大大延长YMIN电容的工作寿命。

　　可再生能源对可靠电容的需求

　　下一代公用电网将依赖太阳能和风能等可再生能源。这些能源的中心是它们的电源电路，将虹吸的能量转换成可靠的交流电，输送到住宅或送回电网。这些转换器和逆变器的主要功能是有效抑制整流器和逆变器中的电压纹波，同时滤除不需要的EMI和噪声。这些任务要求使用分立电容，但为了有效地做到这一点，这些元件必须具有高电容密度。

　　这就需要使用电解电容器;然而，这些电容可能被视为电源信号链中最薄弱的一环，其寿命远远短于相邻电路。这些电容器最常见的失效模式发生在高温下，此时电解质的蒸发导致ESR急剧增加，电容下降。为了解决这个问题，必须部署高可靠性电解电容，这种电容能够承受最长时间的最高额定温度。YMIN电解电容属于这一类，在105°c时的工作寿命高达10，000小时，由于YMIN电容在相同体积内存储更多电荷，因此它们可以有效地平滑这些应用中的电压纹波并稳定电流，从而提高可再生应用中的转换效率。