光伏逆變器軟啟動技術研究

劉志剛，閆飛朝，陳 煥

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

1 概述

隨著全球能源危機和環境惡化的日益嚴重，光伏發電這種可再生能源并網技術越來越受到關注。光伏逆變器作為光伏發電系統的核心設備，負責將光伏陣列產生的直流電轉換為交流電。逆變器啟機、停機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時電流可達額定電流值2～3倍，如此大的啟動電流對電網會造成嚴重的沖擊，引起電壓降落，降低電網的電能質量。此外，斷路器每日進行啟、停機動作，長期運行易發生螺絲松動、觸頭磨損和傳動機構異常等多種機械故障，影響逆變器穩定運行。國內外數據研究表明，機械故障是斷路器故障的主要原因。國際大電網會議(CIGRE)對斷路器可行性所做的統計發現，80%的斷路器故障是因為機械機構特性不良導致的，而且大多數故障是由于操作機構異常造成的。

隨著電力電子技術的發展，采用晶閘管為主電路元件，單片機控制的軟啟動器已經大量應用。晶閘管是由PNPN四層半導體構成的元件，有陽極A、陰極K和控制級G三個電極，它能在電路中實現交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，而且動作快、壽命長、可靠性好。本文提出了一種光伏逆變器的軟啟動技術，所述系統包括采集單元、邏輯單元及執行單元的結構。邏輯單元接收從采集單元傳來的電壓信號，然后將該電信號與比較電壓進行比較，當滿足啟機條件后向執行單元發送指令控制晶閘管分閘。

2 常用斷路器啟動技術分析

光伏逆變器的拓撲結構見圖1。主要系統可以分為DC/DC 升壓電路和三相逆變橋兩級。前一級為DC/DC升壓電路，主要是由絕緣柵雙極型晶體管IGBT、二級管、電感和電容組成，主要完成直流電壓的調整和最大功率點的跟蹤(MPPT)，以保證在光照和溫度變化時能夠輸出最大的有功功率。后一級為三相逆變橋電路，主要是由6個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換成交流電，并完成并網電流與電網電壓同頻同相、低電壓穿越和防孤島效應等。首、末端的濾波器可實現諧波抑制，提高電能質量。

圖1 光伏逆變器的拓撲結構

交流斷路器利用線圈中通過電流時，電磁鐵內產生磁通，鐵心由于受到電場力的作用，實現主電路合閘和分閘。

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

圖2 光伏逆變器啟機條件

由于逆變器啟動時會產生較大的沖擊電流，對供電的網側電壓產生較大的電壓閃變，同時由于啟動應力較大，對電氣設備產生沖擊，使逆變器的使用壽命降低。大型地面光伏電站要求電氣設備使用壽命達到25年。斷路器每日啟停，全壽命期間斷路器通斷次數超過18000次。另外，斷路器在長期高頻率使用過程中容易出現螺絲松動、觸頭磨損等機械故障，進而造成逆變器停運，影響光伏電站發電量。

3 晶閘管軟啟動技術原理

晶閘管軟啟動技術是采用三相反并聯晶閘管作為調壓裝置，將其接入濾波器端子側和電網。主要電路是三相全控電路，拓撲結構見圖3。

圖3 基于晶閘管軟啟動技術的光伏逆變器的拓撲結構

光伏并網逆變器軟啟動技術采用三相反并聯晶閘管作為調壓裝置，將其接入濾波器端子側和電網。該啟動技術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，同時降低電網諧波污染。軟啟動技術同時具備軟停機功能，軟停機與軟啟動過程相反。

3.1 晶閘管工作原理

晶閘管的結構和電氣符號見圖4。晶閘管是一個四層半導體材料(P1N1P2N2)構成的器件，在每兩層不同的材料分界面上都形成PN結，共形成3個PN結(J1J2J3)。晶閘管有三個引出端，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J1有很大的寬度來承載高電壓。當器件加上反向電壓時，PN結J1將承載大部分電壓。如果門極不觸發，當器件加上正向電壓時，PN結J2承載大部分電壓。

圖4 晶閘管的結構及電氣符號

當晶閘管的門極不加控制信號時，晶閘管的四層結構中3個PN結都處在反電壓作用下，晶閘管呈阻斷狀態；當門極有觸發信號(IG＞0)時，正向轉折電壓隨IG的增大而下降，陽極電流逐漸增大，直至晶閘管進入導通狀態，此時去掉門極信號，晶閘管仍能維持導通狀態不變。

3.2 晶閘管軟啟動技術分析

為了論證晶閘管等元件啟機技術的合理性，本文以某相電壓為例詳細分析軟啟動技術輸出電壓特性，其調壓電路中對應的相電壓見圖5。其中U為濾波器側的輸出電壓，α為觸發角，φ為續流角，θ是導通角。

圖5 某相調壓電路相電壓波形圖

由圖5可知，導通θ、觸發角α和續流角φ之間的函數關系式為：

設電壓U的表達式為：

1)公交刷卡乘客上車站點識別包含2個模型，基于IC卡刷卡時間識別(模型2)相較于基于GPS時間識別(模型1)存在明顯缺陷，部分站點缺乏刷卡數據或部分乘客刷卡時公交車輛已經駛離站點，這些缺陷會導致下車站點無法識別或識別錯誤. 并且利用實際數據試算時發現采用模型2識別，站點序號基本對應不上，而模型1站點識別率高達98.31%，所以最終選取模型1為識別模型.

晶閘管輸出電壓有效值UL表達式為：

式(3)化簡為：

由式(4)可知，觸發角α越小，晶閘管的輸出電壓越大。而且，輸出電壓與觸發角之間存在連續函數的關系表達式。對于恒定的負載而言，續流角φ是常量，只要改變晶閘管觸發角 的大小就可以改變晶閘管的輸出電壓，實現逆變器的輸出電壓按照預定規律變化的要求。

3.3 軟啟動硬件系統分析

軟啟動技術硬件包括采集單元、邏輯單元和執行單元。采集單元顧名思義就是在一次系統上增加測點，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分別測量晶閘管上游電壓U1、下游電壓U2，VSM測量的電壓量通過信號線傳遞給逆變器的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的實現電路較多，其一原理見圖7。電路串聯分壓電路、濾波電路、電壓跟隨器、光電耦合器和穩壓管。Uac為待檢測交流電壓，霍爾電壓傳感器采集到的電壓信號經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中的噪聲；電壓跟隨器可以確保輸出信號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現阻斷電路之間的電聯系，而且不切斷他們之間的信號傳遞，隔離性能好，不受電磁波干擾，工作穩定可靠；穩壓管將輸出電壓Upot限制在一定范圍，起到保護電路的作用。

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。當滿足表達式 (為某一數值)時，滿足軟啟動的電壓啟機條件。邏輯單元采用運算放大器(簡稱“運放”)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，運算放大器A工作在線性區，輸入信號為晶閘管上、下游電壓U1和U2，輸出的電壓Ua。窗口比較器由兩個比較器并聯組成，并聯的兩個比較器工作在非線性區域，輸出信號只有高電平和低電平，窗口比較器分別接入ε、－ε和Ua。當信號Ua大于ε時，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導通，D2截止，輸出電壓Ub=UOH；當信號－ε＜Ua＜ε時，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Ua小于－ε時，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導通，輸出電壓Ub=UOH其特性曲線見圖9。當電壓Ua位于門限電壓之間，即滿足：－ε＜Ua＜ε時，輸出低電平，滿足啟機條件。當電壓U不在門限電位范圍之間時，即：Ua＞ε或Ua＜－ε，輸出為高電平，不滿足啟機條件。

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，發射極接地。當窗口比較器的電壓高于硬件的工作電壓時，三極管T1導通，起到保護電路的作用。

執行單元通過圖10和圖11所示的系統實現。逆變器CPU與軟啟動模塊通過端子連接。端子分別對應控制系統實現的軟啟動狀態或動作的功能，表1為端子功能表。器件的分合閘動作是通過控制繼電器完成。

圖10 逆變器CPU控制系統

圖11 軟啟動模塊控制系統

表1 端子功能

使用晶閘管啟動逆變器時，待檢測到晶閘管交流側與網側電壓同頻、同相時，光伏逆變器CPU發出指令002到繼電器J1；繼電器J1接收到指令后動作，使控制開關閉合，A1所在回路導通，晶閘管啟動；晶閘管的輸出電壓逐漸增加，直到晶閘管全導通。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過程。

軟啟動技術是通過控制晶閘管的導通角，使逆變器輸出電壓從零以預定值逐漸增加，直至啟動完成。與直接啟動相比，軟啟動具有如下優點：啟動電流小，對電網沖擊小，提高了供電質量和設備使用壽命；設備省掉斷路器，與箱式變電站配合使用，滿足保護的選擇特性；節省了設備的占用空間，實現了設備的集成化發展。

4 結論

針對目前常用的斷路器控制光伏逆變器啟動技術，本文提出了采用晶閘管軟啟動技術，能夠減小逆變器的啟動沖擊電流，減小對電網的沖擊，并且提高了系統工作的穩定性和可靠性，有明顯的技術優勢。隨著國內新能源技術的發展，將會有力地推進晶閘管軟啟動技術在光伏逆變器領域的應用。