一種實用的光伏逆變器高電壓穿越方案

周 成 ，江宏玲，戴新榮，謝 芳

（1.安徽國際商務職業學院，安徽合肥231131；2.安徽省·淮委水利科學研究院，安徽合肥230088；3.安徽大學工業節電與電能質量控制協同創新中心，安徽合肥230601）

大容量光伏逆變器在并網運行過程中，電網電壓易因大負載離網、單相接地、無功補償裝置投切以及并網故障恢復等原因而驟升。電網電壓驟升易使能量由網側向機側倒灌、逆變器脫離線性工作區進入過調制工作區運行，這使得系統控制裕度下降，易觸發系統過壓和過流保護致使逆變器脫網，從而對大電網造成惡劣影響。因此，并網導則標準要求并網設備能夠在電網電壓驟升的情況下正常并網運行一段時間，即具備高電壓穿越（HVRT）能力，穿越這個高壓時間區域直到電網恢復正常[1-6]。因為光伏并網逆變器的高電壓穿越技術暫無明確的標準，本文以電網電壓暫升1.3 pu，持續時間1 s的標準分析和實現高電壓穿越，然后給出一種抬高直流電壓的方法來抑制過調制問題。

1 高電壓穿越期間的過調制問題

電網電壓驟升所導致的過調制問題是高電壓穿越所需解決的核心問題。因此，必須在電網電壓驟升期間，先對過調制進行判斷以避免逆變器處于失控狀態[7-8]。實現高電壓穿越一方面可以提高系統硬件如接觸器與控制電源等關鍵設備的耐壓上限，使電網電壓驟升至1.3 pu期間這些器件仍能正常工作，并維持系統正常并網運行一段時間（1 s）。另一方面可通過軟件控制算法來實現高電壓穿越，依據控制器實時監測得到的電網電壓驟升幅度和直流電壓的大小來判斷是否出現過調制。當出現過調制時啟動高電壓穿越功能，控制輸出電流并通過抬升直流電壓來抑制過調制從而實現高電壓穿越。當控制器監測到電網恢復正常后，系統切換到正常并網運行狀態。通過分析兩電平SVPWM過調制區域，得出電網電壓暫升幅度、直流電壓以及調制比之間的關系，最后給出解決高電壓穿越過程中出現的過調制抑制方法。

1.1 SVPWM過調制區域劃分

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

圖1 過調制區域劃分

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

(1)式中，Ts為開關周期，t0為零向量作用時間，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（n＞1且不為3的倍數）。設uom是經過調制得到波形的基波峰值，則可由調制比m的大小將矢量空間劃分成圖1所示的線性調制區、過調制1、2區。

(1)線性調制區

當Vf在內切圓r1上及以內運動時為線性調制區。Vf在內切圓r1上時，電壓基波幅值uom達到臨界最大值：

聯合(1)、(2)式可得此區內的最大調制比

由(3)式可得，當m≤0.91時，系統工作于線性調制區域，此時控制算法無需調整。

(2)過調制區

文獻[9]中對過調制區時調制比m的計算做了詳細的闡述。當Vf在r1和r2之間運動時，系統處于過調制1區，此時計算得到的調制比m位于區間(0.91,0.95]中；當Vf在r2之外運動時，系統處于過調制2區，計算得到的調制比m位于區間(0.95,1]中，此時Vf幅值雖然大于uom，但實際輸出的基波仍然在正六邊形內。當系統處于過調制區時，控制算法需做調整。

1.2 電網電壓暫升幅度與調制區域關系

為便于分析，令電網電壓變化因子σ＞1時為電網電壓驟升并在忽略濾波電感上的壓降的前提下假設驟升期間VDC不變，穩態時電網電壓峰值為uom，則線性調制區域下調制比與驟升幅度關系為

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

圖2 中m(σ)曲線表明，在暫升幅度σ=1.17時調制比m≈0.91，此時已達線性調制區域的臨界點，即當暫升幅度σ＞1.17時，便會出現過調制。當系統出現過調制時，若控制算法不做處理，可能導致系統可控裕度下降、逆變器脫網。為了說明抬升直流電壓對過調制抑制的效果，結合(3)式繪制調制比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為線性調制區臨界曲面。直流電壓VDC越大，則調制比m越小，當直流電壓大于某值時，m(σ,VDC)曲面位于m(σ)=0.91曲面下方，整個系統處于線性調制區域。

2 高電壓穿越期間的過調制抑制

通過對圖3的分析可知，如果系統在高電壓穿越期間出現過調制，則可以通過抬升直流電壓的方法來抑制，使系統在線性調制區內并網運行。令正常并網運行時直流電壓為V1，依據驟升幅度折算得到的直流電壓為Vα，直流開路電壓為Vo。直流電壓抬升函數ΔVf為

(5)式中，ΔVf為電壓基準抬升的幅度，ΔV2為設定的固定補償值（用來提高電壓抬升的裕量）。當Vα＜V1時，表明系統未出現過調制，可正常并網運行，當V1＜ Vα≤ Vo時，計算得出的ΔVf為系統過調制區域的臨界值。實現高電壓穿越功能的控制流程如圖4所示。

由圖4可知，控制器監測電網電壓并按照（5）式計算出直流電壓抬升幅度ΔVf，當處于過調制時，將ΔVf疊加到當前電壓環基準電壓Vf上，從而得到高電壓穿越期間的電壓環基準電壓，待電網恢復后系統轉入正常并網。

圖4 高電壓穿越控制流程圖

3 實驗結果與結論

根據以上分析，為驗證抬升直流電壓抑制過調制的高電壓穿越方案的實際效果，依據圖4所示原理，搭建了高電壓穿越實驗平臺（圖5），其中，被測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驗波形，實驗通過切除正常并網時的分壓電抗器實現電網電壓的驟升。

圖5 高電壓穿越實驗平臺

圖6 抬升直流電壓后的高電壓穿越波形

由圖6可知，當切除正常并網的分壓電抗器時電網電壓發生驟升（約1.3 pu），從而導致系統出現過調制情況。此時通過抬升直流側電壓的高電壓穿越方案可有效抑制過調制，系統維持正常并網運行（約1 s），實現了高電壓穿越并在1 s后電網恢復正常后退出穿越切換到正常并網運行狀態。

當電網電壓驟升導致光伏系統工作于過調制區時，為有效抑制過調制實現滿足技術指標的可靠高電壓穿越，可在判斷、計算過調制情況的前提下通過抬升直流側電壓來實現。通過對高電壓穿越技術在光伏并網逆變器中的應用及實現的研究可知：為了滿足高電壓穿越要求，硬件上主要考慮關鍵器件的耐壓問題，軟件上采用SVPWM控制時，線性調制區域位于正六邊形內切圓內；在高電壓穿越期間，需要綜合電網電壓暫升幅度和直流電壓大小來判斷是否出現過調制，從而決定在高電壓穿越過程中是否需要抬升直流電壓。

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