蘇小玲，韓民曉，劉海軍

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

光伏發(fā)電有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種方式。過(guò)去，由于太陽(yáng)電池的生產(chǎn)成本居高不下，光伏發(fā)電多數(shù)被用于偏遠(yuǎn)的無(wú)電地區(qū)，而且以戶(hù)用及村莊用的中小系統(tǒng)居多，都屬于離網(wǎng)型用戶(hù)。但是近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)及其市場(chǎng)發(fā)生了極大的變化，開(kāi)始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)逐步向城市并網(wǎng)發(fā)電、光伏建筑集成的方向快速邁進(jìn),太陽(yáng)能己經(jīng)全球性地由“補(bǔ)充能源”的角色被認(rèn)可將是下一代“替代能源”。光伏發(fā)電的并網(wǎng)方式有以下幾種。

1）無(wú)變壓器方式：這種方式通過(guò)升壓斬波器、逆變器和濾波器，直接與電力系統(tǒng)相連，造價(jià)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(duì)直流問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)門(mén)考慮。

2）高頻連接方式：高頻逆變后，通過(guò)變壓器隔離，再經(jīng)過(guò)整流逆變與系統(tǒng)相連。這種電路也設(shè)有隔離變壓器，直流分量不會(huì)流入主電網(wǎng)，避免了直流偏磁，濾波器也易于設(shè)計(jì)，諧波水平低。不過(guò)高頻電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)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(jīng)過(guò)平波，逆變?yōu)V波后，通過(guò)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(dǎo)體器件少,可適應(yīng)比較惡劣的使用條件。開(kāi)關(guān)頻率低，產(chǎn)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(duì)工頻變壓器方式進(jìn)行[1-2]。

工頻變壓器方式太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化成電能的形式，并將電能調(diào)節(jié)成滿(mǎn)足SPWM全橋逆變器需要的直流電壓，然后經(jīng)SPWM全橋逆變器逆變?yōu)榻涣?，最后通過(guò)工頻變壓器變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓等級(jí)。光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)控制方式有軟并網(wǎng)和硬并網(wǎng)兩種。軟并網(wǎng)方式首先將變壓器并入電網(wǎng)，然后給逆變器發(fā)觸發(fā)脈沖使其工作。硬并網(wǎng)方式是首先發(fā)觸發(fā)脈沖使逆變橋處于工作狀態(tài)，當(dāng)滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，通過(guò)控制讓變壓器并網(wǎng)。這兩種并網(wǎng)方式在并網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)變壓器都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。這對(duì)電氣設(shè)備與電網(wǎng)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(wǎng)變壓器的勵(lì)磁涌流，但是實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，使得運(yùn)行操作復(fù)雜化。投資成本、運(yùn)行成本偏高。在硬并網(wǎng)方式下采用V-t-f控制的方法可以有效地抑制勵(lì)磁涌流，簡(jiǎn)化運(yùn)行操作過(guò)程。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 并網(wǎng)變壓器勵(lì)磁涌流

光伏系統(tǒng)采用軟并網(wǎng)方式并網(wǎng)時(shí)，首先將變壓器并入電網(wǎng)，然后給逆變器發(fā)觸發(fā)脈沖使其工作。在符合并網(wǎng)條件時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K2和接觸器KM1將變壓器并入電網(wǎng)。通常情況下，此時(shí)逆變橋左側(cè)即電容兩端的電壓高于變壓器一次側(cè)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(cè)相當(dāng)于空載，從而導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。硬并網(wǎng)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(wǎng)條件時(shí)通過(guò)控制讓變壓器并網(wǎng)。當(dāng)逆變器處于逆變狀態(tài)時(shí)，由于變壓器二次側(cè)空載，變壓器內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象[3]。

設(shè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)周期穩(wěn)態(tài)分量的瞬時(shí)值和暫態(tài)分量的瞬時(shí)值相疊加可達(dá)2Φm+Φsy。顯然這時(shí)的磁路非常飽和，相應(yīng)的激磁電流急劇增大，可達(dá)正常值的幾百倍，或者說(shuō)可達(dá)幾倍額定電流。如果在初始角α=90°時(shí)接通電源，不含瞬態(tài)分量磁通，合閘后立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。需要強(qiáng)調(diào)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(lái)講，小型變壓器的電阻較大，電抗較小，衰減也較快，約幾個(gè)周期就可達(dá)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(gè)周期的沖擊電流有可能使過(guò)電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作。所以，需要抑制并網(wǎng)變壓器的勵(lì)磁涌流現(xiàn)象[4-5]。

2 并網(wǎng)變壓器勵(lì)磁涌流的仿真

利用Matlab軟件建立太陽(yáng)能并網(wǎng)變壓器勵(lì)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(cè)量模塊等均采用Matlab模塊庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。針對(duì)工頻變壓器硬并網(wǎng)的勵(lì)磁涌流進(jìn)行仿真分析。

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為0°時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)磁涌流波形如圖3所示。

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為90°時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)磁涌流波形如圖4所示。

通過(guò)對(duì)圖3和圖4的對(duì)比可以看到，當(dāng)選擇A相合閘初始相角為0°時(shí)，合閘變壓器的勵(lì)磁涌流電流為1100 A。當(dāng)A相合閘初始相角為90°時(shí)，電流為200 A,負(fù)向達(dá)到了-300 A?？梢钥吹焦夥到y(tǒng)并網(wǎng)時(shí)變壓器會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，并且該電流很大。這可能使過(guò)電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作，對(duì)變壓器等電氣設(shè)備以及電網(wǎng)都是不利的。所以需要變壓器勵(lì)磁涌流抑制技術(shù)來(lái)抑制這種大電流的產(chǎn)生。

圖2 仿真電路結(jié)構(gòu)

圖3 合閘初始相角為變壓器的勵(lì)磁涌流波形

圖4 合閘初始相角為變壓器的勵(lì)磁涌流波形

3 變壓器勵(lì)磁涌流抑制技術(shù)的基本原理和方法

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

3.1 串聯(lián)電阻法

變壓器合閘時(shí),在變壓器的輸入端與電網(wǎng)間串聯(lián)適當(dāng)電阻可以限制沖擊電流,待沖擊電流衰減到額定電流之內(nèi)時(shí)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(duì)合閘沖擊電流的快速衰減有利,但增加了投資和操作的復(fù)雜性。

3.2 選相位合閘法

從變壓器勵(lì)磁涌流的影響因素可知,變壓器勵(lì)磁涌流的大小與合閘的初相角有很大關(guān)系。選相位合閘法通過(guò)控制三相合閘的時(shí)間,即控制三相開(kāi)關(guān)。有快速合閘和延遲合閘兩種方法。延遲合閘依據(jù)鐵芯磁通平衡效應(yīng)策略,單相先合閘,用合閘時(shí)產(chǎn)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(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘。延遲合閘的理論依據(jù)是鐵芯磁通平衡效應(yīng)。

控制合閘初相角后,勵(lì)磁涌流的幅值也大幅度減小,說(shuō)明通過(guò)控制合閘時(shí)電壓的初相角,能夠有效地抑制勵(lì)磁涌流的暫態(tài)過(guò)程,但變壓器的合閘時(shí)刻與鐵芯中的剩磁有關(guān),仍然有較大的涌流。

4 變壓器勵(lì)磁涌流抑制新技術(shù)

4.1 采用V-f-t控制的方法抑制變壓器的勵(lì)磁涌流基本原理

系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中t/f函數(shù)產(chǎn)生頻率隨時(shí)間變化的曲線，用示波器Vt/f觀察曲線。由函數(shù)V/f產(chǎn)生電壓隨頻率變化的關(guān)系曲線。使用不同的函數(shù)進(jìn)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(jié)果

1）當(dāng)頻率隨時(shí)間按線性變化，函數(shù)表達(dá)式為

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角0°為時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為90°時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

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

2）當(dāng)頻率隨時(shí)間按線性變化，選擇斜率為0.1。

變壓器有剩磁當(dāng)A相合閘初始相角為時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為90°時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

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

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

3）當(dāng)頻率隨時(shí)間按指數(shù)變化，其函數(shù)表達(dá)式為

設(shè)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(shè)斜率為1。

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為0時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

變壓器有剩磁，當(dāng)A相合閘初始相角為90°時(shí)合閘，變壓器的勵(lì)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(lì)磁涌流波形

通過(guò)對(duì)圖10、圖11的對(duì)比可以看到，選擇不同的合閘角合閘變壓器一次側(cè)的電流均小于3 A，沒(méi)有勵(lì)磁涌流。說(shuō)明采用指數(shù)函數(shù)曲線可以完全抑制光伏并網(wǎng)變壓器的勵(lì)磁涌流。

5 結(jié)論

光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的研究和發(fā)展,技術(shù)已經(jīng)成熟。光伏并網(wǎng)的控制方式有軟并網(wǎng)和硬并網(wǎng)兩種，通過(guò)分析可知兩種方式均會(huì)在合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。為了延長(zhǎng)變壓器的使用壽命,提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量,必須對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流進(jìn)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(wǎng)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(lì)磁涌流。仿真實(shí)驗(yàn)表明了這種方法的可行性。

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