微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電力線信道阻抗特性的影響

阮永寶，孫煜皓，李明，張瑩，張子揚(yáng)，高瑾，Gehan A. J. Amaratunga

(1．云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500；2．云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500；3．劍橋大學(xué) 電氣工程系，英國 劍橋 CB3 0FA)

引 言

光伏發(fā)電在新型能源發(fā)展中占有越來越重要的地位，采用微型逆變器并網(wǎng)較集中式逆變器并網(wǎng)具有低壓并網(wǎng)、獨(dú)立最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、模塊化、小型化、組網(wǎng)靈活、安全性更好、發(fā)電效率更好、便于系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn).隨著智能電網(wǎng)的推廣和普及，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能監(jiān)控顯得尤為重要，不僅可以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可以利用大數(shù)據(jù)分析全國乃至全球的光伏發(fā)電情況.實(shí)現(xiàn)微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵之一是通信技術(shù)的選擇.相對(duì)于串口通信、光纖通信等通信方式而言，低壓窄帶電力線載波通信技術(shù)具有無須重新布設(shè)通信線、成本低廉、即插即用、可快速組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通信技術(shù)的理想解決方案.該技術(shù)將通信頻率限制在3～500 kHz范圍內(nèi)，利用低壓電力線作為通信媒介[1]，現(xiàn)已成為一種成熟的通訊方式.然而，電力線本身是設(shè)計(jì)用于傳輸工頻電能的，通信環(huán)境并不理想，噪聲干擾、阻抗變化等都直接影響著電力線載波通信的通信質(zhì)量.微型逆變器采用低壓220 V并網(wǎng)，這勢(shì)必對(duì)電力線信道特性產(chǎn)生影響.

為了實(shí)現(xiàn)電力線載波通信在并網(wǎng)前和并網(wǎng)后傳輸效率都達(dá)到最大，必須研究微型逆變器并網(wǎng)對(duì)電力線信道阻抗特性的影響，這一研究是將電力線載波通信應(yīng)用于微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ).國外對(duì)于電力線載波通信信道阻抗特性的研究較早，主要圍繞測(cè)量手段、不同場(chǎng)景測(cè)量以及阻抗特性分析展開研究.近年，Antoniali M和Tonello A M測(cè)量了家庭電網(wǎng)中負(fù)載阻抗特性[2].Vitale G測(cè)量分析了智能電網(wǎng)中直流電網(wǎng)的電力線載波通信信道阻抗特性[3].國內(nèi)起步較晚，主要追蹤國外的研究.但是由于國內(nèi)外電網(wǎng)屬性的差異，國外的研究成果不能完全適用于國內(nèi).張有兵設(shè)計(jì)了阻抗測(cè)量終端，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了建模分析[4].李家生等測(cè)量了低壓電力線信道阻抗，并設(shè)計(jì)了匹配方法[5].張皓嵐等測(cè)量分析了艦船電力線載波通信阻抗[6].從這些研究可以看出，沒有統(tǒng)一精確的電力線載波通信信道阻抗測(cè)量方法，不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同地點(diǎn)的測(cè)量手段不同，且測(cè)量結(jié)果也不同.

雖然國內(nèi)外已有大量對(duì)于電力線載波通信信道阻抗特性的研究，但是缺乏對(duì)于微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)電力線載波通信信道阻抗特性的研究.本文基于電壓比值法和矢量分析法設(shè)計(jì)了信道阻抗測(cè)量電路，實(shí)地測(cè)量分析了微型逆變器低壓光伏并網(wǎng)系統(tǒng)(并網(wǎng)功率為500 W)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后30～180 kHz頻段內(nèi)的電力線信道阻抗，并基于實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了信道阻抗建模分析.旨在研究微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)本地電力線信道特性的影響和微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的電力線信道阻抗特性.為微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電力線載波通信信道阻抗匹配設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，為電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)提供重要參考.

1 信道阻抗測(cè)量原理及電路設(shè)計(jì)

圖1 測(cè)量原理示意圖

Fig.1 The basic principle diagram of impedance measurement

圖2 電壓矢量圖

(1)

|V1|2=|V2|2+|V3|2+2|V2||V3|cosθ

(2)

(3)

如果0≤θ≤900，則：

(4)

則負(fù)載電阻值Rload和負(fù)載電抗值Xload為：

Rload=|Zload|·cosθ

(5)

Xload=|Zload|·sinθ

(6)

在測(cè)量電力線的信道阻抗時(shí)，電力線即負(fù)載.但是，由于低壓電力線傳輸220 V市電壓，所以需要利用耦合變壓器將測(cè)量電路與市電網(wǎng)隔離，用以保護(hù)測(cè)量電路元件.接入耦合變壓器后，測(cè)量總負(fù)載就包括耦合器和電力線兩部分，如圖3所示.其中，耦合器的阻抗Rcoupler和Xcoupler是已知的，電力線的信道阻抗Rchannel、Xchannel可由測(cè)量的總阻抗Rtotal、Xtotal減去耦合器阻抗得出，即：

Rchannel=Rload-Rcoupler

(7)

Xchannel=Xtotal-Xcoupler

(8)

(9)

圖3 負(fù)載結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為阻抗測(cè)量電路實(shí)物圖，圖5為低壓電力線阻抗測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.信號(hào)發(fā)生源產(chǎn)生30～180 kHz 峰值電壓為5 V的交流信號(hào)，阻抗測(cè)量電路耦合低壓電力線，利用示波器測(cè)量記錄阻抗測(cè)量電路上的三個(gè)電壓RMS值|V1|、|V2|、|V3|，代入式(1)～(3)，然后根據(jù)式(4)～(9)計(jì)算出電力線的阻抗Rchannel、Xchannel、Zchannel和阻抗模|Zchannel|.

圖4 阻抗測(cè)量電路實(shí)物圖

圖5 阻抗測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果分析

2.1 信道特性測(cè)量系統(tǒng)介紹

信道阻抗特性測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，單塊電池板額定功率為200 W，逆變器的最大輸出功率為250 W，實(shí)驗(yàn)時(shí)共采用4個(gè)微型并網(wǎng)組件(一個(gè)組件包括一個(gè)電池板和一個(gè)逆變器)，每個(gè)微型并網(wǎng)組件通過一個(gè)開關(guān)S連接電力線，切換開關(guān)S可以增減并網(wǎng)的電池組件數(shù)量，從而得到不同的并網(wǎng)發(fā)電功率.

圖6 信道阻抗測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 阻抗特性測(cè)量方法、結(jié)果及分析

信道阻抗特性測(cè)量電路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在圖5、圖6中指出.根據(jù)當(dāng)?shù)?云南昆明)11月份太陽輻照條件，四個(gè)組件的并網(wǎng)功率最易控制在400～700 W之間，所以將實(shí)際并網(wǎng)功率為500 W左右的微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象.首先，斷開所有開關(guān)S，測(cè)量光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前電力線信道的阻抗特性一次性值，然后通過開關(guān)S1、S2、S3和S4控制總并網(wǎng)功率為500 W左右，待系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定后測(cè)量其并網(wǎng)后電力線信道阻抗特性一次性值,測(cè)量頻率范圍為30～180 kHz.根據(jù)本地光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際可發(fā)電時(shí)間，實(shí)驗(yàn)選擇了一天之內(nèi)的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，分別為8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00.圖7(a)為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的電力線電阻一次性值，圖7(b)為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)后不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的電力線電阻一次性值.將五次測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均后得到圖7(c)微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線電阻值的統(tǒng)計(jì)平均值.

圖7(a) 并網(wǎng)前不同時(shí)間點(diǎn)電力線電阻一次性值

圖7(b) 并網(wǎng)后不同時(shí)間點(diǎn)電力線電阻一次性值

Fig.7(b) PLC channel resistance in different time after grid-connecting

圖7(c) 并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線電阻統(tǒng)計(jì)平均值

Fig.7(c) Statistical averages of PLC channel resist-ance before and after grid-connecting

圖7(a)、7(b)反映電力線電阻特性受時(shí)間影響很小，這主要是因?yàn)樵摐y(cè)量系統(tǒng)選擇的C相電力線在本實(shí)驗(yàn)樓負(fù)載極少且光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.從而可更清晰地反映微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電力線信道電阻特性的影響.從圖7(c)可以看出微型逆變器光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線信道電阻特性存在一定的差異，主要表現(xiàn)在并網(wǎng)功率為500 W時(shí)，在30～180 kHz頻段內(nèi)，并網(wǎng)后電力線信道電阻值比并網(wǎng)前本地電力線信道電阻值減小2～10歐姆左右.為了使電力線載波通信信號(hào)傳輸效率最大，在電力線載波通信信道阻抗匹配設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線電阻的變化調(diào)節(jié)相適應(yīng)匹配電阻值.

以下是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電抗特性結(jié)果：圖8(a)為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的電力線電抗一次性值，圖8(b)為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)后不同時(shí)間點(diǎn)測(cè)得的電力線電抗一次性值.將五次測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均后得到圖8(c)微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后后電力線電抗值的統(tǒng)計(jì)平均值.

圖8(a) 并網(wǎng)前不同時(shí)間點(diǎn)電力線電抗一次性值

圖8(b) 并網(wǎng)后不同時(shí)間點(diǎn)電力線電抗一次性值

圖8(c) 并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線電抗統(tǒng)計(jì)平均值

圖8(a)、8(b)說明時(shí)間對(duì)電力線電抗特性影響很小，從而排除時(shí)間因素對(duì)電力線信道阻抗特性的影響.從圖8(c)可以看出微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電抗特性變化明顯，主要表現(xiàn)在并網(wǎng)功率為500 W時(shí)，30～180 kHz頻段內(nèi)，微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線信道呈感性，且并網(wǎng)后感抗值較并網(wǎng)前減小2～5 Ω左右.在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電力線載波通信阻抗匹配設(shè)計(jì)時(shí)，需要調(diào)節(jié)匹配電容值.

圖9為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前與并網(wǎng)后電力線阻抗模值的統(tǒng)計(jì)平均值比較.從圖9中可以看出并網(wǎng)功率為500 W時(shí)，30～180 kHz頻段內(nèi)低壓光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后電力線信道阻抗模比并網(wǎng)前小0～5 Ω左右.

綜上所述，在低壓光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電力線載波通信阻抗匹配設(shè)計(jì)中，需要考慮光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線信道阻抗特性的變化.根據(jù)此變化，選擇相應(yīng)的匹配電阻和電容，從而獲得最大的信號(hào)發(fā)射和接受功率，提高信號(hào)傳輸效率.

圖9 并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線阻抗模統(tǒng)計(jì)平均值

3 微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)低壓電力線通信阻抗特性模型

根據(jù)阻抗測(cè)量得到的阻抗模曲線(如圖9)，采用最小二乘法曲線擬合可以得到微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后電力線載波通信信道阻抗特性模型.

低壓光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前阻抗特性模型：

|Zchannel|=4.421 23×10-9×f5-2.251 28×10-6×f4+4.198 74×10-4×f3-0.034 936×f2+1.333 61×f-11.149 177

低壓光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后阻抗特性模型：

|Zchannel|=-4.384 2×10-10×f5-5.694 07×10-8×f4+2.663 6×10-5×f3-0.006 110 48×f2+0.459 929×f-6.348 168 49

圖10 實(shí)測(cè)阻抗模與曲線擬合的比較

圖10給出了微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)阻抗特性模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較.從圖中可以看出，最小二乘法曲線擬合能較好地反映阻抗特性，用該模型可簡化該系統(tǒng)的阻抗特性分析和阻抗匹配設(shè)計(jì).

4 結(jié) 論

基于比值法和電壓矢量法設(shè)計(jì)了30～180 kHz頻段信道阻抗測(cè)量電路，實(shí)地測(cè)量分析了總并網(wǎng)功率為500 W的微型逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前后電力線載波通信信道阻抗特性，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果建立了微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)阻抗特性模型.結(jié)果表明：微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)本地電力線載波通信信道阻抗特性產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：總并網(wǎng)功率為500 W時(shí)，在30～180 kHz頻段內(nèi)，與微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)前相比，并網(wǎng)后信道電阻值減小了2～10 Ω左右，感抗值減小了2～5 Ω左右，阻抗模值減小了5 Ω左右.為了實(shí)現(xiàn)微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中低壓電力線載波通信傳輸效率最大化，必須根據(jù)微型逆變器并網(wǎng)前和并網(wǎng)后低壓電力線信道阻抗特性的變化選擇相適應(yīng)的信道阻抗匹配電阻和電容值.此研究可為微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中低壓電力線載波通信的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.

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