并網光伏發(fā)電系統(tǒng)勵磁涌流抑制方法研究

蘇小玲，韓民曉，劉海軍

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

光伏發(fā)電有離網和并網兩種方式。過去，由于太陽電池的生產成本居高不下，光伏發(fā)電多數(shù)被用于偏遠的無電地區(qū)，而且以戶用及村莊用的中小系統(tǒng)居多，都屬于離網型用戶。但是近年來，光伏產業(yè)及其市場發(fā)生了極大的變化，開始由邊遠農村地區(qū)逐步向城市并網發(fā)電、光伏建筑集成的方向快速邁進,太陽能己經全球性地由“補充能源”的角色被認可將是下一代“替代能源”。光伏發(fā)電的并網方式有以下幾種。

1）無變壓器方式：這種方式通過升壓斬波器、逆變器和濾波器，直接與電力系統(tǒng)相連，造價適中，宜于小型輕量化，但存在直流分量流入系統(tǒng)的可能性。要對直流問題進行專門考慮。

2）高頻連接方式：高頻逆變后，通過變壓器隔離，再經過整流逆變與系統(tǒng)相連。這種電路也設有隔離變壓器，直流分量不會流入主電網，避免了直流偏磁，濾波器也易于設計，諧波水平低。不過高頻電磁干擾問題嚴重,要采用濾波和屏蔽等抑制措施。

3）工頻變壓器方式：光伏輸出經過平波，逆變?yōu)V波后，通過工頻變壓器與系統(tǒng)連接。采用工頻隔離，避免了直流偏磁，減少了諧波。由于電路中的半導體器件少,可適應比較惡劣的使用條件。開關頻率低，產生的電磁干擾小。雖然主變壓器和濾波電感體積大，但是,可采用低頻材料制造，成本并不高。這種方式是現(xiàn)在采用較為廣泛的一種，所以以下的研究討論針對工頻變壓器方式進行[1-2]。

工頻變壓器方式太陽能光伏并網系統(tǒng)結構如圖1所示。首先太陽能電池組件將太陽光能轉化成電能的形式，并將電能調節(jié)成滿足SPWM全橋逆變器需要的直流電壓，然后經SPWM全橋逆變器逆變?yōu)榻涣鳎詈笸ㄟ^工頻變壓器變?yōu)殡娋W電壓等級。光伏系統(tǒng)的并網控制方式有軟并網和硬并網兩種。軟并網方式首先將變壓器并入電網，然后給逆變器發(fā)觸發(fā)脈沖使其工作。硬并網方式是首先發(fā)觸發(fā)脈沖使逆變橋處于工作狀態(tài)，當滿足并網條件時，通過控制讓變壓器并網。這兩種并網方式在并網時，并網變壓器都會產生勵磁涌流現(xiàn)象。這對電氣設備與電網都是不利的。傳統(tǒng)的控制方法雖然可以在一定程度上抑制光伏并網變壓器的勵磁涌流，但是實現(xiàn)方法復雜，使得運行操作復雜化。投資成本、運行成本偏高。在硬并網方式下采用V-t-f控制的方法可以有效地抑制勵磁涌流，簡化運行操作過程。

圖1 光伏并網系統(tǒng)結構

1 并網變壓器勵磁涌流

光伏系統(tǒng)采用軟并網方式并網時，首先將變壓器并入電網，然后給逆變器發(fā)觸發(fā)脈沖使其工作。在符合并網條件時，閉合開關K2和接觸器KM1將變壓器并入電網。通常情況下，此時逆變橋左側即電容兩端的電壓高于變壓器一次側的電壓，所以逆變橋上的二極管均處于阻斷狀態(tài)。變壓器一次側相當于空載，從而導致變壓器產生勵磁涌流。硬并網方式是首先發(fā)觸發(fā)脈沖使逆變橋處于工作狀態(tài)，符合并網條件時通過控制讓變壓器并網。當逆變器處于逆變狀態(tài)時，由于變壓器二次側空載，變壓器內部也會產生勵磁涌流現(xiàn)象[3]。

設外施電壓按正弦規(guī)律變化，則電壓方程式為

式中，N1，r1為一次繞組的匝數(shù)和電阻；Φ1為一次繞組的全部磁通；U1為外施電壓有效值；α為外施電壓初相角；im為激磁電流。

式（2）全解有兩個分量，即穩(wěn)態(tài)分量Φ′1和瞬態(tài)分量Φ″1。

由于r1<<ωLav,則

代入式（3）得

式中，Φm為穩(wěn)態(tài)時的磁通幅值；c為積分常數(shù)，由初始條件決定。C=Φmcos α+Φsy，Φsy為鐵心剩磁。代入式（4）得磁通的解析式

如果在α=0時接通電源，瞬態(tài)分量的幅值最大，情形最不利，在合閘后的半個周期穩(wěn)態(tài)分量的瞬時值和暫態(tài)分量的瞬時值相疊加可達2Φm+Φsy。顯然這時的磁路非常飽和，相應的激磁電流急劇增大，可達正常值的幾百倍，或者說可達幾倍額定電流。如果在初始角α=90°時接通電源，不含瞬態(tài)分量磁通，合閘后立即進入穩(wěn)態(tài)。需要強調指出，由于磁路的非線性，電感并非常數(shù)，從而激磁電流也并非按指數(shù)函數(shù)衰減。一般來講，小型變壓器的電阻較大，電抗較小，衰減也較快，約幾個周期就可達到穩(wěn)態(tài)。大型變壓器的電阻較小，電抗較大，衰減也慢些，可能延續(xù)幾秒。最初幾個周期的沖擊電流有可能使過電流保護裝置誤動作。所以，需要抑制并網變壓器的勵磁涌流現(xiàn)象[4-5]。

2 并網變壓器勵磁涌流的仿真

利用Matlab軟件建立太陽能并網變壓器勵磁涌流仿真分析的系統(tǒng)模型。仿真所用變壓器、等效電源、逆變橋、斷路器以及測量模塊等均采用Matlab模塊庫中的標準模型。其中變壓器為300 kV·A，0.38 V/10 kV。算法采用ode23s.仿真電路結構如圖2所示。針對工頻變壓器硬并網的勵磁涌流進行仿真分析。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為0°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖3所示。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖4所示。

通過對圖3和圖4的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0°時，合閘變壓器的勵磁涌流電流為1100 A。當A相合閘初始相角為90°時，電流為200 A,負向達到了-300 A。可以看到光伏系統(tǒng)并網時變壓器會產生勵磁涌流，并且該電流很大。這可能使過電流保護裝置誤動作，對變壓器等電氣設備以及電網都是不利的。所以需要變壓器勵磁涌流抑制技術來抑制這種大電流的產生。

圖2 仿真電路結構

圖3 合閘初始相角為變壓器的勵磁涌流波形

圖4 合閘初始相角為變壓器的勵磁涌流波形

3 變壓器勵磁涌流抑制技術的基本原理和方法

根據變壓器勵磁涌流的產生原理和特征,目前抑制變壓器勵磁涌流的方法主要有串聯(lián)電阻法和選相位關合法[6-7]。

3.1 串聯(lián)電阻法

變壓器合閘時,在變壓器的輸入端與電網間串聯(lián)適當電阻可以限制沖擊電流,待沖擊電流衰減到額定電流之內時再將限流電阻切除。串聯(lián)電阻法能有效限制沖擊電流,有利于合閘沖擊電流的快速衰減。

雖然串聯(lián)電阻法能有效限制沖擊電流,對合閘沖擊電流的快速衰減有利,但增加了投資和操作的復雜性。

3.2 選相位合閘法

從變壓器勵磁涌流的影響因素可知,變壓器勵磁涌流的大小與合閘的初相角有很大關系。選相位合閘法通過控制三相合閘的時間,即控制三相開關。有快速合閘和延遲合閘兩種方法。延遲合閘依據鐵芯磁通平衡效應策略,單相先合閘,用合閘時產生的非周期分量的磁通抵消剩磁,另外兩相在2～3工頻周期后,在首合相電壓過零點時合閘。延遲合閘的理論依據是鐵芯磁通平衡效應。

控制合閘初相角后,勵磁涌流的幅值也大幅度減小,說明通過控制合閘時電壓的初相角,能夠有效地抑制勵磁涌流的暫態(tài)過程,但變壓器的合閘時刻與鐵芯中的剩磁有關,仍然有較大的涌流。

4 變壓器勵磁涌流抑制新技術

4.1 采用V-f-t控制的方法抑制變壓器的勵磁涌流基本原理

系統(tǒng)的基本原理結構如圖5所示。圖中t/f函數(shù)產生頻率隨時間變化的曲線，用示波器Vt/f觀察曲線。由函數(shù)V/f產生電壓隨頻率變化的關系曲線。使用不同的函數(shù)進行仿真。

圖5 V-f-t控制系統(tǒng)原理圖

4.2 不同V-f曲線下的仿真結果

1）當頻率隨時間按線性變化，函數(shù)表達式為

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角0°為時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖6所示。

圖6 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖7所示。

圖7 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖6、圖7的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0時，合閘變壓器的勵磁涌流電流為1300 A。當A相合閘初始相角為60°時，電流為1000 A。當A相合閘初始相角為90°時，電流為450 A。根據比較可以得出，當頻率隨時間線性變化時，沒有勵磁涌流現(xiàn)象發(fā)生。在5 s時f-t的曲線斜率由0.2變?yōu)?。在這一點變壓器就有勵磁涌流而且電流較大。

2）當頻率隨時間按線性變化，選擇斜率為0.1。

變壓器有剩磁當A相合閘初始相角為時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖8所示。

圖8 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖9所示。

圖9 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖8、圖9的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0時合閘，變壓器的勵磁涌流電流為1170 A。當A相合閘初始相角為60°時，電流1100 A。當A相合閘初始相角為時，電流為850 A。根據比較可以得出，當頻率隨時間線性變化90°時，沒有勵磁涌流現(xiàn)象發(fā)生。在10 s時f-t的曲線斜率由0.1變?yōu)?。在這一點變壓器就有勵磁涌流，而且電流較大。

根據以上分析發(fā)現(xiàn)，當t-f曲線按線性變化時不會有勵磁涌流現(xiàn)象。但是當曲線的斜率發(fā)生突變時就有勵磁涌流。所以在V-t-f控制時，不能采用這種曲線。

3）當頻率隨時間按指數(shù)變化，其函數(shù)表達式為

設定電壓隨頻率線性變化。即V/f曲線為一條斜率為常數(shù)的直線。設斜率為1。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為0時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖10所示。

圖10 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖11所示。

圖11 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖10、圖11的對比可以看到，選擇不同的合閘角合閘變壓器一次側的電流均小于3 A，沒有勵磁涌流。說明采用指數(shù)函數(shù)曲線可以完全抑制光伏并網變壓器的勵磁涌流。

5 結論

光伏并網逆變技術經過近幾年的研究和發(fā)展,技術已經成熟。光伏并網的控制方式有軟并網和硬并網兩種，通過分析可知兩種方式均會在合閘時產生勵磁涌流現(xiàn)象。為了延長變壓器的使用壽命,提高電力系統(tǒng)供電質量,必須對變壓器勵磁涌流進行抑制.串聯(lián)電阻法和選相位合閘法都有其局限性,。選擇硬并網方式并采用V-t-f控制法后,選擇指數(shù)函數(shù)曲線能有效地抑制勵磁涌流。仿真實驗表明了這種方法的可行性。

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