光伏逆變器軟啟動(dòng)技術(shù)研究

劉志剛，閆飛朝，陳 煥

(華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

1 概述

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化的日益嚴(yán)重，光伏發(fā)電這種可再生能源并網(wǎng)技術(shù)越來越受到關(guān)注。光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變器啟機(jī)、停機(jī)常采用交流斷路器作為控制裝置。

斷路器控制逆變器直接起動(dòng)時(shí)電流可達(dá)額定電流值2～3倍，如此大的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成嚴(yán)重的沖擊，引起電壓降落，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，斷路器每日進(jìn)行啟、停機(jī)動(dòng)作，長(zhǎng)期運(yùn)行易發(fā)生螺絲松動(dòng)、觸頭磨損和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)異常等多種機(jī)械故障，影響逆變器穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)研究表明，機(jī)械故障是斷路器故障的主要原因。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)對(duì)斷路器可行性所做的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，80%的斷路器故障是因?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)特性不良導(dǎo)致的，而且大多數(shù)故障是由于操作機(jī)構(gòu)異常造成的。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機(jī)控制的軟啟動(dòng)器已經(jīng)大量應(yīng)用。晶閘管是由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成的元件，有陽極A、陰極K和控制級(jí)G三個(gè)電極，它能在電路中實(shí)現(xiàn)交流電的無觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，而且動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性好。本文提出了一種光伏逆變器的軟啟動(dòng)技術(shù)，所述系統(tǒng)包括采集單元、邏輯單元及執(zhí)行單元的結(jié)構(gòu)。邏輯單元接收從采集單元傳來的電壓信號(hào)，然后將該電信號(hào)與比較電壓進(jìn)行比較，當(dāng)滿足啟機(jī)條件后向執(zhí)行單元發(fā)送指令控制晶閘管分閘。

2 常用斷路器啟動(dòng)技術(shù)分析

光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。主要系統(tǒng)可以分為DC/DC 升壓電路和三相逆變橋兩級(jí)。前一級(jí)為DC/DC升壓電路，主要是由絕緣柵雙極型晶體管IGBT、二級(jí)管、電感和電容組成，主要完成直流電壓的調(diào)整和最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT)，以保證在光照和溫度變化時(shí)能夠輸出最大的有功功率。后一級(jí)為三相逆變橋電路，主要是由6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成的DC/AC變換器，其主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并完成并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相、低電壓穿越和防孤島效應(yīng)等。首、末端的濾波器可實(shí)現(xiàn)諧波抑制，提高電能質(zhì)量。

圖1 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交流斷路器利用線圈中通過電流時(shí)，電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，鐵心由于受到電場(chǎng)力的作用，實(shí)現(xiàn)主電路合閘和分閘。

某大型地面光伏電站的光伏逆變器設(shè)定日出時(shí)間和日落時(shí)間分別為5:27和18:36。當(dāng)光伏逆變器滿足圖2中所列的條件時(shí)，交流斷路器閉合，逆變器啟動(dòng)。

圖2 光伏逆變器啟機(jī)條件

由于逆變器啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，對(duì)供電的網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)生較大的電壓閃變，同時(shí)由于啟動(dòng)應(yīng)力較大，對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生沖擊，使逆變器的使用壽命降低。大型地面光伏電站要求電氣設(shè)備使用壽命達(dá)到25年。斷路器每日啟停，全壽命期間斷路器通斷次數(shù)超過18000次。另外，斷路器在長(zhǎng)期高頻率使用過程中容易出現(xiàn)螺絲松動(dòng)、觸頭磨損等機(jī)械故障，進(jìn)而造成逆變器停運(yùn)，影響光伏電站發(fā)電量。

3 晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)原理

晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)是采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓裝置，將其接入濾波器端子側(cè)和電網(wǎng)。主要電路是三相全控電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)的光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器軟啟動(dòng)技術(shù)采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓裝置，將其接入濾波器端子側(cè)和電網(wǎng)。該啟動(dòng)技術(shù)采用晶閘管與交流主接觸器配合使用，能夠降低晶閘管的損耗和提高逆變器的工作效率，同時(shí)降低電網(wǎng)諧波污染。軟啟動(dòng)技術(shù)同時(shí)具備軟停機(jī)功能，軟停機(jī)與軟啟動(dòng)過程相反。

3.1 晶閘管工作原理

晶閘管的結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)見圖4。晶閘管是一個(gè)四層半導(dǎo)體材料(P1N1P2N2)構(gòu)成的器件，在每?jī)蓪硬煌牟牧戏纸缑嫔隙夹纬蒔N結(jié)，共形成3個(gè)PN結(jié)(J1J2J3)。晶閘管有三個(gè)引出端，其中A(Anode，陽極)、K(Cathode，陰極)是功率引出端，G(Gate，門極)是控制引出端。N1層和P1層是輕微摻雜的，PN結(jié)J1有很大的寬度來承載高電壓。當(dāng)器件加上反向電壓時(shí)，PN結(jié)J1將承載大部分電壓。如果門極不觸發(fā)，當(dāng)器件加上正向電壓時(shí)，PN結(jié)J2承載大部分電壓。

圖4 晶閘管的結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)

當(dāng)晶閘管的門極不加控制信號(hào)時(shí)，晶閘管的四層結(jié)構(gòu)中3個(gè)PN結(jié)都處在反電壓作用下，晶閘管呈阻斷狀態(tài)；當(dāng)門極有觸發(fā)信號(hào)(IG＞0)時(shí)，正向轉(zhuǎn)折電壓隨IG的增大而下降，陽極電流逐漸增大，直至晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)去掉門極信號(hào)，晶閘管仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。

3.2 晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)分析

為了論證晶閘管等元件啟機(jī)技術(shù)的合理性，本文以某相電壓為例詳細(xì)分析軟啟動(dòng)技術(shù)輸出電壓特性，其調(diào)壓電路中對(duì)應(yīng)的相電壓見圖5。其中U為濾波器側(cè)的輸出電壓，α為觸發(fā)角，φ為續(xù)流角，θ是導(dǎo)通角。

圖5 某相調(diào)壓電路相電壓波形圖

由圖5可知，導(dǎo)通θ、觸發(fā)角α和續(xù)流角φ之間的函數(shù)關(guān)系式為：

設(shè)電壓U的表達(dá)式為：

1)公交刷卡乘客上車站點(diǎn)識(shí)別包含2個(gè)模型，基于IC卡刷卡時(shí)間識(shí)別(模型2)相較于基于GPS時(shí)間識(shí)別(模型1)存在明顯缺陷，部分站點(diǎn)缺乏刷卡數(shù)據(jù)或部分乘客刷卡時(shí)公交車輛已經(jīng)駛離站點(diǎn)，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致下車站點(diǎn)無法識(shí)別或識(shí)別錯(cuò)誤. 并且利用實(shí)際數(shù)據(jù)試算時(shí)發(fā)現(xiàn)采用模型2識(shí)別，站點(diǎn)序號(hào)基本對(duì)應(yīng)不上，而模型1站點(diǎn)識(shí)別率高達(dá)98.31%，所以最終選取模型1為識(shí)別模型.

晶閘管輸出電壓有效值UL表達(dá)式為：

式(3)化簡(jiǎn)為：

由式(4)可知，觸發(fā)角α越小，晶閘管的輸出電壓越大。而且，輸出電壓與觸發(fā)角之間存在連續(xù)函數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。對(duì)于恒定的負(fù)載而言，續(xù)流角φ是常量，只要改變晶閘管觸發(fā)角 的大小就可以改變晶閘管的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出電壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求。

3.3 軟啟動(dòng)硬件系統(tǒng)分析

軟啟動(dòng)技術(shù)硬件包括采集單元、邏輯單元和執(zhí)行單元。采集單元顧名思義就是在一次系統(tǒng)上增加測(cè)點(diǎn)，采集晶閘管上、下游電壓。為了便于分析，本文用U1、U2表示晶閘管上、下游的電壓量。從圖6可以看出，VSM1、VSM2分別測(cè)量晶閘管上游電壓U1、下游電壓U2，VSM測(cè)量的電壓量通過信號(hào)線傳遞給逆變器的CPU單元，二次電源供給VSM用電，GND代表保護(hù)接地。

圖6 采集單元電路連接圖

VSM模塊用于采集交流電壓信號(hào)的實(shí)現(xiàn)電路較多，其一原理見圖7。電路串聯(lián)分壓電路、濾波電路、電壓跟隨器、光電耦合器和穩(wěn)壓管。Uac為待檢測(cè)交流電壓，霍爾電壓傳感器采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過分壓電路使電壓限制在合適的范圍；RC濾波器濾除采集信號(hào)中的噪聲；電壓跟隨器可以確保輸出信號(hào)不受輸入電路的電阻的干擾，起到防止電壓沖擊的作用；光電耦合器有效地實(shí)現(xiàn)阻斷電路之間的電聯(lián)系，而且不切斷他們之間的信號(hào)傳遞，隔離性能好，不受電磁波干擾，工作穩(wěn)定可靠；穩(wěn)壓管將輸出電壓Upot限制在一定范圍，起到保護(hù)電路的作用。

圖7 VSM模塊的原理

邏輯單元是用來比較電壓U1和U2的大小。當(dāng)滿足表達(dá)式 (為某一數(shù)值)時(shí)，滿足軟啟動(dòng)的電壓?jiǎn)C(jī)條件。邏輯單元采用運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)和比較器、電阻R等元件集成，其電路圖見圖8。

圖8 邏輯單元的電路圖

圖8所示，運(yùn)算放大器A工作在線性區(qū)，輸入信號(hào)為晶閘管上、下游電壓U1和U2，輸出的電壓Ua。窗口比較器由兩個(gè)比較器并聯(lián)組成，并聯(lián)的兩個(gè)比較器工作在非線性區(qū)域，輸出信號(hào)只有高電平和低電平，窗口比較器分別接入ε、－ε和Ua。當(dāng)信號(hào)Ua大于ε時(shí)，比較器A1的輸出電壓U01=UOH，比較器A2的輸出電壓U02=－UOH。使得二極管D1導(dǎo)通，D2截止，輸出電壓Ub=UOH；當(dāng)信號(hào)－ε＜Ua＜ε時(shí)，比較器A1的輸出電壓U01=－UOH，比較器A2的輸出電壓U02=－UOH。使得二極管D1和D2截止，輸出電壓Ub=0；信號(hào)Ua小于－ε時(shí)，比較器A1的輸出電壓U01=－UOH，比較器A2的輸出電壓U02=UOH。使得二極管D1截止，D2導(dǎo)通，輸出電壓Ub=UOH其特性曲線見圖9。當(dāng)電壓Ua位于門限電壓之間，即滿足：－ε＜Ua＜ε時(shí)，輸出低電平，滿足啟機(jī)條件。當(dāng)電壓U不在門限電位范圍之間時(shí)，即：Ua＞ε或Ua＜－ε，輸出為高電平，不滿足啟機(jī)條件。

圖9 窗口比較器的特性曲線

所述邏輯單元還包括三極管T1。三極管T1的基極接入窗口比較器的輸出端，集電極通過電阻R7和二極管D3與基極電連接，發(fā)射極接地。當(dāng)窗口比較器的電壓高于硬件的工作電壓時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，起到保護(hù)電路的作用。

執(zhí)行單元通過圖10和圖11所示的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。逆變器CPU與軟啟動(dòng)模塊通過端子連接。端子分別對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)狀態(tài)或動(dòng)作的功能，表1為端子功能表。器件的分合閘動(dòng)作是通過控制繼電器完成。

圖10 逆變器CPU控制系統(tǒng)

圖11 軟啟動(dòng)模塊控制系統(tǒng)

表1 端子功能

使用晶閘管啟動(dòng)逆變器時(shí)，待檢測(cè)到晶閘管交流側(cè)與網(wǎng)側(cè)電壓同頻、同相時(shí)，光伏逆變器CPU發(fā)出指令002到繼電器J1；繼電器J1接收到指令后動(dòng)作，使控制開關(guān)閉合，A1所在回路導(dǎo)通，晶閘管啟動(dòng)；晶閘管的輸出電壓逐漸增加，直到晶閘管全導(dǎo)通。為了降低晶閘管的損耗，待逆變器工作在額定電壓后，CPU分別發(fā)指令003、005到繼電器J2、繼電器J3，從而繼電器J2控制晶閘管斷開，繼電器J3控制交流主接觸器閉合，完成光伏逆變器的軟啟動(dòng)過程。

軟啟動(dòng)技術(shù)是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使逆變器輸出電壓從零以預(yù)定值逐漸增加，直至啟動(dòng)完成。與直接啟動(dòng)相比，軟啟動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，提高了供電質(zhì)量和設(shè)備使用壽命；設(shè)備省掉斷路器，與箱式變電站配合使用，滿足保護(hù)的選擇特性；節(jié)省了設(shè)備的占用空間，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集成化發(fā)展。

4 結(jié)論

針對(duì)目前常用的斷路器控制光伏逆變器啟動(dòng)技術(shù)，本文提出了采用晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)，能夠減小逆變器的啟動(dòng)沖擊電流，減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并且提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)新能源技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有力地推進(jìn)晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)在光伏逆變器領(lǐng)域的應(yīng)用。