周 成 ，江宏玲，戴新榮，謝 芳

（1.安徽國(guó)際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，安徽合肥231131；2.安徽省·淮委水利科學(xué)研究院，安徽合肥230088；3.安徽大學(xué)工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽合肥230601）

大容量光伏逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)電壓易因大負(fù)載離網(wǎng)、單相接地、無(wú)功補(bǔ)償裝置投切以及并網(wǎng)故障恢復(fù)等原因而驟升。電網(wǎng)電壓驟升易使能量由網(wǎng)側(cè)向機(jī)側(cè)倒灌、逆變器脫離線性工作區(qū)進(jìn)入過(guò)調(diào)制工作區(qū)運(yùn)行，這使得系統(tǒng)控制裕度下降，易觸發(fā)系統(tǒng)過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)致使逆變器脫網(wǎng)，從而對(duì)大電網(wǎng)造成惡劣影響。因此，并網(wǎng)導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)要求并網(wǎng)設(shè)備能夠在電網(wǎng)電壓驟升的情況下正常并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，即具備高電壓穿越（HVRT）能力，穿越這個(gè)高壓時(shí)間區(qū)域直到電網(wǎng)恢復(fù)正常[1-6]。因?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變器的高電壓穿越技術(shù)暫無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)，本文以電網(wǎng)電壓暫升1.3 pu，持續(xù)時(shí)間1 s的標(biāo)準(zhǔn)分析和實(shí)現(xiàn)高電壓穿越，然后給出一種抬高直流電壓的方法來(lái)抑制過(guò)調(diào)制問(wèn)題。

1 高電壓穿越期間的過(guò)調(diào)制問(wèn)題

電網(wǎng)電壓驟升所導(dǎo)致的過(guò)調(diào)制問(wèn)題是高電壓穿越所需解決的核心問(wèn)題。因此，必須在電網(wǎng)電壓驟升期間，先對(duì)過(guò)調(diào)制進(jìn)行判斷以避免逆變器處于失控狀態(tài)[7-8]。實(shí)現(xiàn)高電壓穿越一方面可以提高系統(tǒng)硬件如接觸器與控制電源等關(guān)鍵設(shè)備的耐壓上限，使電網(wǎng)電壓驟升至1.3 pu期間這些器件仍能正常工作，并維持系統(tǒng)正常并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間（1 s）。另一方面可通過(guò)軟件控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓穿越，依據(jù)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的電網(wǎng)電壓驟升幅度和直流電壓的大小來(lái)判斷是否出現(xiàn)過(guò)調(diào)制。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制時(shí)啟動(dòng)高電壓穿越功能，控制輸出電流并通過(guò)抬升直流電壓來(lái)抑制過(guò)調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)恢復(fù)正常后，系統(tǒng)切換到正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)分析兩電平SVPWM過(guò)調(diào)制區(qū)域，得出電網(wǎng)電壓暫升幅度、直流電壓以及調(diào)制比之間的關(guān)系，最后給出解決高電壓穿越過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)調(diào)制抑制方法。

1.1 SVPWM過(guò)調(diào)制區(qū)域劃分

圖1所示為兩電平逆變器的SVPWM控制扇區(qū)矢量圖，連接6個(gè)非零矢量的頂點(diǎn)可將其分成6個(gè)扇區(qū)，任意給定電壓矢量Vf可由6個(gè)非零矢量合成得到[9-10]。作正六邊形的內(nèi)切圓和外接圓記為r1和r2，如圖1所示。

圖1 過(guò)調(diào)制區(qū)域劃分

由傅立葉分析可得輸出的相電壓uAN的各次諧波分量。設(shè)調(diào)制比為m，則Vf、uAN、m可分別表示為：

(1)式中，Ts為開(kāi)關(guān)周期，t0為零向量作用時(shí)間，uAN為A相電壓，其基波分量的峰值um為2VDC/π，VDC為直流電壓，n為奇數(shù)（n＞1且不為3的倍數(shù)）。設(shè)uom是經(jīng)過(guò)調(diào)制得到波形的基波峰值，則可由調(diào)制比m的大小將矢量空間劃分成圖1所示的線性調(diào)制區(qū)、過(guò)調(diào)制1、2區(qū)。

(1)線性調(diào)制區(qū)

當(dāng)Vf在內(nèi)切圓r1上及以內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)為線性調(diào)制區(qū)。Vf在內(nèi)切圓r1上時(shí)，電壓基波幅值uom達(dá)到臨界最大值：

聯(lián)合(1)、(2)式可得此區(qū)內(nèi)的最大調(diào)制比

由(3)式可得，當(dāng)m≤0.91時(shí)，系統(tǒng)工作于線性調(diào)制區(qū)域，此時(shí)控制算法無(wú)需調(diào)整。

(2)過(guò)調(diào)制區(qū)

文獻(xiàn)[9]中對(duì)過(guò)調(diào)制區(qū)時(shí)調(diào)制比m的計(jì)算做了詳細(xì)的闡述。當(dāng)Vf在r1和r2之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于過(guò)調(diào)制1區(qū)，此時(shí)計(jì)算得到的調(diào)制比m位于區(qū)間(0.91,0.95]中；當(dāng)Vf在r2之外運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于過(guò)調(diào)制2區(qū)，計(jì)算得到的調(diào)制比m位于區(qū)間(0.95,1]中，此時(shí)Vf幅值雖然大于uom，但實(shí)際輸出的基波仍然在正六邊形內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)調(diào)制區(qū)時(shí)，控制算法需做調(diào)整。

1.2 電網(wǎng)電壓暫升幅度與調(diào)制區(qū)域關(guān)系

為便于分析，令電網(wǎng)電壓變化因子σ＞1時(shí)為電網(wǎng)電壓驟升并在忽略濾波電感上的壓降的前提下假設(shè)驟升期間VDC不變，穩(wěn)態(tài)時(shí)電網(wǎng)電壓峰值為uom，則線性調(diào)制區(qū)域下調(diào)制比與驟升幅度關(guān)系為

取VDC為460 V，uom為220.2 V，σ最大為1.3，繪制出m(σ)曲線如圖2所示。

圖2 m(σ)函數(shù)

圖2 中m(σ)曲線表明，在暫升幅度σ=1.17時(shí)調(diào)制比m≈0.91，此時(shí)已達(dá)線性調(diào)制區(qū)域的臨界點(diǎn)，即當(dāng)暫升幅度σ＞1.17時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制時(shí)，若控制算法不做處理，可能導(dǎo)致系統(tǒng)可控裕度下降、逆變器脫網(wǎng)。為了說(shuō)明抬升直流電壓對(duì)過(guò)調(diào)制抑制的效果，結(jié)合(3)式繪制調(diào)制比m與暫升幅度σ、直流電壓VDC的三維曲面圖，如圖3所示。

圖3 m、σ與VDC的三維曲面

圖3 中，m(σ)=0.91為線性調(diào)制區(qū)臨界曲面。直流電壓VDC越大，則調(diào)制比m越小，當(dāng)直流電壓大于某值時(shí)，m(σ,VDC)曲面位于m(σ)=0.91曲面下方，整個(gè)系統(tǒng)處于線性調(diào)制區(qū)域。

2 高電壓穿越期間的過(guò)調(diào)制抑制

通過(guò)對(duì)圖3的分析可知，如果系統(tǒng)在高電壓穿越期間出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，則可以通過(guò)抬升直流電壓的方法來(lái)抑制，使系統(tǒng)在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行。令正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)直流電壓為V1，依據(jù)驟升幅度折算得到的直流電壓為Vα，直流開(kāi)路電壓為Vo。直流電壓抬升函數(shù)ΔVf為

(5)式中，ΔVf為電壓基準(zhǔn)抬升的幅度，ΔV2為設(shè)定的固定補(bǔ)償值（用來(lái)提高電壓抬升的裕量）。當(dāng)Vα＜V1時(shí)，表明系統(tǒng)未出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，可正常并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)V1＜ Vα≤ Vo時(shí)，計(jì)算得出的ΔVf為系統(tǒng)過(guò)調(diào)制區(qū)域的臨界值。實(shí)現(xiàn)高電壓穿越功能的控制流程如圖4所示。

由圖4可知，控制器監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓并按照（5）式計(jì)算出直流電壓抬升幅度ΔVf，當(dāng)處于過(guò)調(diào)制時(shí)，將ΔVf疊加到當(dāng)前電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓Vf上，從而得到高電壓穿越期間的電壓環(huán)基準(zhǔn)電壓，待電網(wǎng)恢復(fù)后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常并網(wǎng)。

圖4 高電壓穿越控制流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)以上分析，為驗(yàn)證抬升直流電壓抑制過(guò)調(diào)制的高電壓穿越方案的實(shí)際效果，依據(jù)圖4所示原理，搭建了高電壓穿越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖5），其中，被測(cè)光伏逆變器的額定功率為36 kW，額定電流為54A，分壓電抗器的額定功率為22 kW，額定電流為45 A，電感量為0.16 mH。圖6所示為高電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)通過(guò)切除正常并網(wǎng)時(shí)的分壓電抗器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的驟升。

圖5 高電壓穿越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6 抬升直流電壓后的高電壓穿越波形

由圖6可知，當(dāng)切除正常并網(wǎng)的分壓電抗器時(shí)電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升（約1.3 pu），從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制情況。此時(shí)通過(guò)抬升直流側(cè)電壓的高電壓穿越方案可有效抑制過(guò)調(diào)制，系統(tǒng)維持正常并網(wǎng)運(yùn)行（約1 s），實(shí)現(xiàn)了高電壓穿越并在1 s后電網(wǎng)恢復(fù)正常后退出穿越切換到正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升導(dǎo)致光伏系統(tǒng)工作于過(guò)調(diào)制區(qū)時(shí)，為有效抑制過(guò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)滿足技術(shù)指標(biāo)的可靠高電壓穿越，可在判斷、計(jì)算過(guò)調(diào)制情況的前提下通過(guò)抬升直流側(cè)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)高電壓穿越技術(shù)在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)的研究可知：為了滿足高電壓穿越要求，硬件上主要考慮關(guān)鍵器件的耐壓?jiǎn)栴}，軟件上采用SVPWM控制時(shí)，線性調(diào)制區(qū)域位于正六邊形內(nèi)切圓內(nèi)；在高電壓穿越期間，需要綜合電網(wǎng)電壓暫升幅度和直流電壓大小來(lái)判斷是否出現(xiàn)過(guò)調(diào)制，從而決定在高電壓穿越過(guò)程中是否需要抬升直流電壓。

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