光伏逆變器電壓暫降耐受能力刻畫與測(cè)試

汪 穎，任 杰，許 中，金耘嶺，肖先勇

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510001；3.南京燦能電力自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引 言

電壓暫降是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行不可避免的電能質(zhì)量擾動(dòng)事件。IEC和IEEE分別將電壓暫降定義為電壓有效值在短時(shí)間內(nèi)下降到正常電壓的1%～90%（IEC）或 10%～90%（IEEE），典型持續(xù)為 0.5周波到1min，然后電壓自動(dòng)恢復(fù)的擾動(dòng)事件。顯然，這類事件不是停電（停電定義為電壓下降到正常值的10%及以下，持續(xù)1min及以上），因此，沒被納入現(xiàn)有供電可靠性考核，在國(guó)內(nèi)外均無限制性標(biāo)準(zhǔn)。但是，隨著計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（adjustable speed drives，ASD）、交流接觸器（AC contactor，ACC）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）等設(shè)備的大量使用，這些設(shè)備對(duì)電壓暫降非常敏感，電壓暫降給高端制造企業(yè)等電力用戶造成了大量經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。與此同時(shí)，光伏發(fā)電等新能源發(fā)電裝置在電網(wǎng)的滲透率不斷提高，大量基于電力電子的換流器、逆變器等對(duì)電壓暫降也很敏感，且隨著新能源在電網(wǎng)中比例的不斷增加，如果電網(wǎng)故障引起的電壓暫降導(dǎo)致新能源發(fā)電裝置大量脫網(wǎng)，必將影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，造成大面積停電和極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)光伏逆變器電壓暫降耐受能力進(jìn)行測(cè)試，以期提升新能源發(fā)電裝置的低電壓穿越能力，具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)用戶側(cè)使用的PC、ASD、ACC等敏感設(shè)備的電壓暫降耐受能力開展了大量研究。基于研究測(cè)試可知，針對(duì)電壓暫降幅值和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)最基本特征，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的電壓暫降耐受能力如表1所示。

表1 敏感用電設(shè)備的電壓暫降耐受能力

現(xiàn)有設(shè)備電壓暫降耐受能力的研究，僅考慮了用電設(shè)備受電壓暫降的幅值和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)特征的影響，對(duì)光伏逆變器等新能源發(fā)電裝置的耐受能力研究不足，同時(shí)由于對(duì)電壓暫降事件的波形點(diǎn)、相位跳變、波形畸變等特征考慮不足，可能對(duì)耐受能力欠估計(jì)或過估計(jì)。

本文對(duì)光伏逆變器的電壓暫降耐受能力開展研究。從對(duì)光伏逆變器有影響的電壓暫降特征入手，提出了考慮電壓暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和波形點(diǎn)（pointon-wave，POW）特征的光伏逆變器電壓暫降耐受能力測(cè)試方法，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到了電壓耐受曲線，并進(jìn)一步引入過程免疫時(shí)間概念，用過程免疫時(shí)間曲線刻畫光伏逆變器的電壓暫降耐受能力。

1 電壓暫降波形點(diǎn)特征

電壓暫降特征包括了暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和波形點(diǎn)等特征。POW定義為發(fā)生和截止瞬間在電壓瞬時(shí)波形上的位置，通過設(shè)定電壓暫降開始和結(jié)束時(shí)電壓RMS值的閾值來確定，并用電壓相位角表示，如圖1所示。圖1（a）中紅色曲線為某次實(shí)測(cè)的電壓暫降RMS值，藍(lán)色線為設(shè)置90%閾值（198 V），紅、藍(lán)線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為電壓暫降波形起始點(diǎn)和波形結(jié)束點(diǎn)的對(duì)應(yīng)時(shí)刻，分別是第8.35周波和11.18周波。圖1（b）紅色曲線為電壓基波瞬時(shí)值，上述兩個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的基波電壓相位角分別為134°（波形起始點(diǎn)）和71°（波形結(jié)束點(diǎn)）。

圖1 波形點(diǎn)特征定義

波形起始點(diǎn)指電壓暫降開始時(shí)基波電壓相位角，波形結(jié)束點(diǎn)是電壓暫降結(jié)束時(shí)基波電壓相位角[4]，二者對(duì)于依賴電壓瞬時(shí)波形相位角的設(shè)備均有影響[5]。IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，POW是導(dǎo)致機(jī)電式接觸器跳閘的重要原因[6]；IEEE 1346——1998標(biāo)準(zhǔn)中指出，有些設(shè)備對(duì)波形起始點(diǎn)特征非常敏感[7]；IEEE 1159——2009也指出，波形點(diǎn)特征可能會(huì)導(dǎo)致接觸器或繼保設(shè)備誤操作，導(dǎo)致設(shè)備跳閘[8]。

除了在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中指出了POW的影響外，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)POW對(duì)設(shè)備的影響進(jìn)行了測(cè)試與仿真。英國(guó)學(xué)者Djokic[9]、西班牙學(xué)者Guasch和Pedra[10]、美國(guó)學(xué)者Collins[11]、日本學(xué)者Iyoda等[12]對(duì)交流接觸器、感應(yīng)電機(jī)等的電壓暫降耐受能力進(jìn)行了實(shí)測(cè)或仿真研究，證明POW對(duì)電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。作為新能源并網(wǎng)的重要設(shè)備，光伏逆變器是典型的電力電子裝置，其導(dǎo)通和截止特性直接影響光伏并網(wǎng)發(fā)電單元，當(dāng)光伏發(fā)電裝置在電網(wǎng)中的比例較大時(shí)，直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電壓暫降耐受能力及其刻畫方法

2.1 設(shè)備電壓暫降耐受能力

一般來說，當(dāng)設(shè)備供電電壓為標(biāo)稱值時(shí)，設(shè)備能達(dá)到設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。如果在特定時(shí)間電壓降低或降到0，設(shè)備就可能運(yùn)行不正?；蛲耆＿\(yùn)。對(duì)于任何給定設(shè)備，均可通過測(cè)試或試驗(yàn)方式確定其可承受的供電中斷時(shí)間。同樣，對(duì)于供電電壓偏離標(biāo)稱電壓或額定電壓的耐受能力，也可以通過試驗(yàn)或測(cè)試確定。IEEE 1346——1998標(biāo)準(zhǔn)中建議設(shè)備電壓耐受能力可由電壓耐受曲線來刻畫，在該標(biāo)準(zhǔn)中，還提出了比較設(shè)備特性和供電質(zhì)量的具體方法。

2.2 電壓耐受曲線（VTC）刻畫法

在工程實(shí)際中，單次停電或電壓中斷事件造成的經(jīng)濟(jì)損失可能比單次電壓暫降事件損失更大，但在電網(wǎng)中，電壓暫降發(fā)生次數(shù)一般是停電或電壓中斷事件的8～20倍，其造成的累計(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓中斷或停電損失。從1980年起，美國(guó)計(jì)算機(jī)與商用設(shè)備制造商協(xié)會(huì)針對(duì)大型計(jì)算機(jī)、平板顯示器提出了平滑的CBEMA曲線，后來該協(xié)會(huì)更名為信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)，CBEMA曲線相應(yīng)地調(diào)整為用折線形式表示的ITIC曲線，并被推廣應(yīng)用到所有電壓暫降敏感設(shè)備，但并非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)（semiconductor equipmentmaterials international，SEMI）針對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)用電設(shè)備的電壓耐受能力制定了SEMI F47標(biāo)準(zhǔn)，是全球半導(dǎo)體制造企業(yè)強(qiáng)制執(zhí)行的用電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。無論是CBEMA、ITIC，還是SEMI F47，這些曲線或標(biāo)準(zhǔn)均從設(shè)備受電壓暫降影響時(shí)設(shè)備的電氣狀態(tài)角度對(duì)設(shè)備的電壓暫降耐受能力進(jìn)行刻畫，因此，這些曲線可統(tǒng)稱為設(shè)備電壓耐受曲線（voltage tolerance curve，VTC）。

2.3 過程免疫時(shí)間（PIT）曲線刻畫法

事實(shí)上，在用電側(cè)能直接感知電壓暫降造成的損失不是電氣工程師，而是儀器儀表、過程或工藝工程師，但其往往對(duì)設(shè)備的電氣特性理解并不深刻，更直觀感知的不是設(shè)備電氣狀態(tài)，而是生產(chǎn)過程或工藝中的物理參數(shù)。因此，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議、國(guó)際供電協(xié)會(huì)等成立聯(lián)合工作組C4.110，并于2010年提出了評(píng)價(jià)敏感設(shè)備或過程電壓暫降耐受能力的過程免疫時(shí)間（process immunity time，PIT）概念，并建議了過程敏感設(shè)備和敏感環(huán)節(jié)的識(shí)別方法。

對(duì)于給定敏感設(shè)備或過程，在給定電壓暫降（暫降幅值、持續(xù)時(shí)間等特征確定）作用下，每臺(tái)設(shè)備或每條生產(chǎn)線均有一條PIT曲線，當(dāng)參數(shù)達(dá)到或超過限制值時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間被C4.110定義為PIT時(shí)間。也就是說，對(duì)于同樣的電壓暫降，不同設(shè)備或過程，或同樣的設(shè)備處于不同工況時(shí)的PIT時(shí)間不同，因此，用PIT刻畫用電設(shè)備的電壓暫降耐受特性更符合實(shí)際。典型PIT概念如圖2所示。

圖2 過程免疫時(shí)間（PIT）的定義

圖中，如果電壓暫降發(fā)生在t1時(shí)刻，設(shè)備或過程物理參數(shù)維持正常（Pnom）Δt時(shí)間后發(fā)生偏離，到t2時(shí)刻達(dá)到限制值Plimit，定義設(shè)備或過程從t1到t2的時(shí)段為過程或設(shè)備的電壓暫降免疫時(shí)間。

顯然，對(duì)于不同設(shè)備或過程，或?qū)τ诓煌锢韰?shù)，PIT曲線不同；對(duì)于不同的電壓暫降，PIT曲線也不同；對(duì)于同樣生產(chǎn)線或設(shè)備，當(dāng)工藝要求不同時(shí)，PIT時(shí)間也會(huì)不同。更進(jìn)一步地，物理參數(shù)是對(duì)整個(gè)電壓暫降事件的綜合響應(yīng)，在現(xiàn)有對(duì)電壓暫降的認(rèn)識(shí)和刻畫中，主要考慮了暫降幅值和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)最基本的特征，但根據(jù)IEEE 1564——2014標(biāo)準(zhǔn)可知，電壓暫降除了這兩個(gè)特征外，還有波形點(diǎn)、相位跳變、波形畸變、電壓損失、能量損失等特征?？坍嬰妷簳航档目茖W(xué)方法是采用電壓暫降特征向量，但是，不同設(shè)備或生產(chǎn)過程對(duì)電壓暫降特征的敏感特性不同，因此，當(dāng)分析和評(píng)價(jià)不同生產(chǎn)線或設(shè)備的電壓暫降耐受能力時(shí)，需根據(jù)實(shí)際物理屬性和敏感特征進(jìn)行刻畫。因此，對(duì)于不同敏感設(shè)備或過程，在進(jìn)行敏感特征分析的基礎(chǔ)上，需通過必要測(cè)試和仿真建模并采用VTC與PIT相結(jié)合的方式刻畫其電壓暫降耐受能力。本文以光伏逆變器輸出電流為物理參數(shù)，提出用PIT曲線刻畫的電壓暫降耐受能力刻畫方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

3 測(cè)試環(huán)境與測(cè)試過程

3.1 測(cè)試環(huán)境

采用四川大學(xué)與南京燦能電力自動(dòng)化股份有限公司在IEEE 1564——2014標(biāo)準(zhǔn)定義基礎(chǔ)上提出的電壓暫降特征計(jì)算方法，用可編程電源模擬電壓暫降源，在四川大學(xué)、廣州供電局有限公司實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)光伏逆變器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，原理如圖3所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔埽偻ㄟ^光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)，與電網(wǎng)協(xié)同向本地阻性負(fù)載（5 kW）供電。

圖3 測(cè)試原理圖

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境如圖4所示，光伏陣列鋪設(shè)在房屋頂樓。

圖4 光伏逆變器測(cè)試環(huán)境

3.2 測(cè)試過程

1）將光伏逆變器與模擬電網(wǎng)（Chroma可編程交流電源6590）相連。光伏逆變器在交流側(cè)電壓為220V的情況下正常啟動(dòng)并運(yùn)行。經(jīng)多次測(cè)試，光伏逆變器每次開機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間大約需要1min。

2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，在可編程交流電源上設(shè)置一段電壓暫降：該電源先穩(wěn)定在220 V，運(yùn)行1 min，再發(fā)生暫降，暫降后電源恢復(fù)到220V工作狀態(tài)。

3）記錄電壓暫降時(shí)光伏逆變器是否脫網(wǎng)。如果光伏逆變器脫網(wǎng)，當(dāng)電壓恢復(fù)到220V后需5s左右，光伏逆變器恢復(fù)并網(wǎng)。

4）結(jié)束一次實(shí)驗(yàn)后，重新在可編程交流電源上設(shè)置一段電壓暫降，再次啟動(dòng)光伏逆變器，開始新一次測(cè)試。

每次測(cè)試在可編程交流電源上設(shè)置不同持續(xù)時(shí)間、幅值和POW的電壓暫降，分別測(cè)試得到在POW為 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°時(shí)并網(wǎng)光伏逆變器的電壓耐受曲線。在一定POW度數(shù)下，電壓暫降幅值為 0～0.9pu，每隔 0.02pu，暫降持續(xù)時(shí)間為 0～90ms，每隔5ms設(shè)置一次測(cè)試暫降。記錄在各次電壓暫降作用下，光伏逆變器是否能夠保持并網(wǎng)，如能保持并網(wǎng)，認(rèn)為光伏逆變器能夠穿越該電壓暫降；如不能保持并網(wǎng)，則光伏逆變器不能穿越該電壓暫降。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 不同POW時(shí)的光伏逆變器電壓耐受能力

分別設(shè)置 POW 為 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°進(jìn)行測(cè)試，得7條并網(wǎng)光伏逆變器的電壓耐受曲線，如圖5所示（測(cè)試中，POW均為波形起始點(diǎn)）。由圖可知，在相同暫降幅值和持續(xù)時(shí)間下，不同波形點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏逆變器運(yùn)行狀態(tài)可能不同，證明了光伏逆變器對(duì)POW敏感。圖5平面上任一個(gè)橫縱坐標(biāo)構(gòu)成的點(diǎn)表示一次暫降事件，每條VTC曲線左上方的點(diǎn)表示光伏逆變器能保持并網(wǎng)，VTC右下方的點(diǎn)表示光伏逆變器不能保持并網(wǎng)。

圖5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到的光伏逆變器電壓耐受曲線

當(dāng)POW在45°以下時(shí)，對(duì)于0.4pu以下的電壓暫降，如果持續(xù)時(shí)間超過20ms，光伏逆變器將不能穿越而脫網(wǎng)；如果持續(xù)時(shí)間少于20 ms，光伏逆變器能穿越。但當(dāng)POW高于45°時(shí)，對(duì)于幅值在0.4pu以下的電壓暫降，光伏逆變器保持并網(wǎng)的時(shí)間降低到10ms，當(dāng)暫降持續(xù)時(shí)間超過10ms時(shí)，光伏逆變器脫網(wǎng)。當(dāng)電壓暫降幅值在0～0.4 pu，持續(xù)時(shí)間 0～20 ms時(shí)，POW越小，光伏逆變器能承受的暫降持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，證明了對(duì)于光伏逆變器而言，刻畫其電壓暫降敏感特性的電壓暫降應(yīng)采用由電壓暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和POW構(gòu)成的特征向量，并將該向量用作測(cè)試向量。

在圖5中，對(duì)POW敏感的另一區(qū)段集中于暫降幅值0.4～0.6pu，暫降持續(xù)時(shí)間20～25ms的區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，POW為0°時(shí)（黑色曲線）比POW為90°時(shí)（紅色曲線）能耐受更低幅值的電壓暫降。換言之，在該區(qū)域，POW越小，光伏逆變器的電壓暫降耐受能力更強(qiáng)。這證明了當(dāng)暫降幅值在0.4～0.6pu時(shí)，需考慮POW的影響。由測(cè)試結(jié)果還可知，在本文的測(cè)試環(huán)境下，當(dāng)暫降幅值在0.72 pu以上時(shí)，光伏逆變器完全具有耐受能力。

4.2 不同工況下的光伏逆變器電壓耐受能力

由于光伏逆變器的電壓暫降耐受能力受多方面因素影響，包括電壓暫降特征、工作環(huán)境（陽光、溫度）、所帶負(fù)載等。因此，對(duì)光伏逆變器在不同的運(yùn)行功率下受POW影響的情況進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖6、圖7所示。

當(dāng)陽光更充足，光伏逆變器工作在2.87kW（圖7為2.58 kW）時(shí)，VTC如紅色實(shí)線；藍(lán)色虛線為陽光較弱時(shí)，光伏逆變器工作在0.61 kW（圖7為0.84kW）時(shí)的VTC。除了紅、藍(lán)色線重合部分，藍(lán)色虛線均在紅色實(shí)線左上方，這證明當(dāng)所帶負(fù)載較輕時(shí)，光伏逆變器的電壓暫降耐受能力更強(qiáng)。

4.3 考慮光伏逆變器電流的PIT曲線

圖6 不同運(yùn)行工況下的光伏逆變器電壓耐受曲線（POW為15°）

圖7 不同運(yùn)行工況下的光伏逆變器電壓耐受曲線（POW為75°）

因光伏逆變器配置了過流保護(hù)，其電壓暫降耐受能力與逆變器工作狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)逆變器電流達(dá)到保護(hù)定值時(shí)，逆變器將脫網(wǎng)。因此，光伏逆變器電流是度量其電壓暫降耐受能力的重要物理參數(shù)，本文對(duì)其PIT曲線進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)光伏逆變器施加4次電壓暫降V1～V4，暫降持續(xù)時(shí)間均為80ms、暫降幅值0.65pu。V1僅有暫降幅值和持續(xù)時(shí)間兩個(gè)基本特征，V2有暫降幅值、持續(xù)時(shí)間、60°相位跳變3個(gè)暫降特征，V3有幅值、持續(xù)時(shí)間、90°POW 3個(gè)暫降特征，V4有幅值、持續(xù)時(shí)間、90°POW、60°相位跳變4個(gè)暫降特征，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。隨著暫降發(fā)生，逆變器電流有效值上升，到大約17A時(shí)，過流保護(hù)啟動(dòng)，逆變器脫網(wǎng)。對(duì)應(yīng)的PIT時(shí)間如圖8橫坐標(biāo)的下方?？梢?，考慮不同暫降特征時(shí)，光伏逆變器的電壓暫降耐受能力不同。證明了測(cè)試光伏逆變器電壓暫降耐受能力時(shí)，需同時(shí)考慮物理參數(shù)和保護(hù)配置，并證明采用PIT刻畫光伏逆變器的電壓暫降耐受能力更符合實(shí)際。

圖8 PV輸出電流有效值

5 結(jié)束語

本文從敏感設(shè)備和過程的電壓暫降耐受能力入手，研究了電壓暫降耐受能力的刻畫方法，并基于電壓暫降特征向量對(duì)光伏逆變器的電壓暫降耐受能力進(jìn)行了測(cè)試，主要結(jié)論如下：

1）以光伏逆變器輸出電流為物理參數(shù)，采用PIT法刻畫光伏逆變器的電壓暫降耐受能力，更符合實(shí)際。

2）在刻畫光伏逆變器電壓暫降耐受能力時(shí)，需同時(shí)考慮暫降幅值、持續(xù)時(shí)間和波形點(diǎn)等特征及逆變器工況等，采用電壓暫降特征向量進(jìn)行刻畫和測(cè)試，能更全面地反映光伏逆變器的實(shí)際耐受能力。

3）考慮到光伏逆變本身配置的保護(hù)，并以受保護(hù)的物理參數(shù)所對(duì)應(yīng)的PIT曲線作為評(píng)價(jià)電壓暫降耐受能力，是值得更進(jìn)一步深入研究的命題。

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