并網光伏發電系統勵磁涌流抑制方法研究

蘇小玲，韓民曉，劉海軍

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

光伏發電有離網和并網兩種方式。過去，由于太陽電池的生產成本居高不下，光伏發電多數被用于偏遠的無電地區，而且以戶用及村莊用的中小系統居多，都屬于離網型用戶。但是近年來，光伏產業及其市場發生了極大的變化，開始由邊遠農村地區逐步向城市并網發電、光伏建筑集成的方向快速邁進,太陽能己經全球性地由“補充能源”的角色被認可將是下一代“替代能源”。光伏發電的并網方式有以下幾種。

1）無變壓器方式：這種方式通過升壓斬波器、逆變器和濾波器，直接與電力系統相連，造價適中，宜于小型輕量化，但存在直流分量流入系統的可能性。要對直流問題進行專門考慮。

2）高頻連接方式：高頻逆變后，通過變壓器隔離，再經過整流逆變與系統相連。這種電路也設有隔離變壓器，直流分量不會流入主電網，避免了直流偏磁，濾波器也易于設計，諧波水平低。不過高頻電磁干擾問題嚴重,要采用濾波和屏蔽等抑制措施。

3）工頻變壓器方式：光伏輸出經過平波，逆變濾波后，通過工頻變壓器與系統連接。采用工頻隔離，避免了直流偏磁，減少了諧波。由于電路中的半導體器件少,可適應比較惡劣的使用條件。開關頻率低，產生的電磁干擾小。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。這種方式是現在采用較為廣泛的一種，所以以下的研究討論針對工頻變壓器方式進行[1-2]。

工頻變壓器方式太陽能光伏并網系統結構如圖1所示。首先太陽能電池組件將太陽光能轉化成電能的形式，并將電能調節成滿足SPWM全橋逆變器需要的直流電壓，然后經SPWM全橋逆變器逆變為交流，最后通過工頻變壓器變為電網電壓等級。光伏系統的并網控制方式有軟并網和硬并網兩種。軟并網方式首先將變壓器并入電網，然后給逆變器發觸發脈沖使其工作。硬并網方式是首先發觸發脈沖使逆變橋處于工作狀態，當滿足并網條件時，通過控制讓變壓器并網。這兩種并網方式在并網時，并網變壓器都會產生勵磁涌流現象。這對電氣設備與電網都是不利的。傳統的控制方法雖然可以在一定程度上抑制光伏并網變壓器的勵磁涌流，但是實現方法復雜，使得運行操作復雜化。投資成本、運行成本偏高。在硬并網方式下采用V-t-f控制的方法可以有效地抑制勵磁涌流，簡化運行操作過程。

圖1 光伏并網系統結構

1 并網變壓器勵磁涌流

光伏系統采用軟并網方式并網時，首先將變壓器并入電網，然后給逆變器發觸發脈沖使其工作。在符合并網條件時，閉合開關K2和接觸器KM1將變壓器并入電網。通常情況下，此時逆變橋左側即電容兩端的電壓高于變壓器一次側的電壓，所以逆變橋上的二極管均處于阻斷狀態。變壓器一次側相當于空載，從而導致變壓器產生勵磁涌流。硬并網方式是首先發觸發脈沖使逆變橋處于工作狀態，符合并網條件時通過控制讓變壓器并網。當逆變器處于逆變狀態時，由于變壓器二次側空載，變壓器內部也會產生勵磁涌流現象[3]。

設外施電壓按正弦規律變化，則電壓方程式為

式中，N1，r1為一次繞組的匝數和電阻；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）全解有兩個分量，即穩態分量Φ′1和瞬態分量Φ″1。

由于r1<<ωLav,則

代入式（3）得

式中，Φm為穩態時的磁通幅值；c為積分常數，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時接通電源，瞬態分量的幅值最大，情形最不利，在合閘后的半個周期穩態分量的瞬時值和暫態分量的瞬時值相疊加可達2Φm+Φsy。顯然這時的磁路非常飽和，相應的激磁電流急劇增大，可達正常值的幾百倍，或者說可達幾倍額定電流。如果在初始角α=90°時接通電源，不含瞬態分量磁通，合閘后立即進入穩態。需要強調指出，由于磁路的非線性，電感并非常數，從而激磁電流也并非按指數函數衰減。一般來講，小型變壓器的電阻較大，電抗較小，衰減也較快，約幾個周期就可達到穩態。大型變壓器的電阻較小，電抗較大，衰減也慢些，可能延續幾秒。最初幾個周期的沖擊電流有可能使過電流保護裝置誤動作。所以，需要抑制并網變壓器的勵磁涌流現象[4-5]。

2 并網變壓器勵磁涌流的仿真

利用Matlab軟件建立太陽能并網變壓器勵磁涌流仿真分析的系統模型。仿真所用變壓器、等效電源、逆變橋、斷路器以及測量模塊等均采用Matlab模塊庫中的標準模型。其中變壓器為300 kV·A，0.38 V/10 kV。算法采用ode23s.仿真電路結構如圖2所示。針對工頻變壓器硬并網的勵磁涌流進行仿真分析。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為0°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖3所示。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖4所示。

通過對圖3和圖4的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0°時，合閘變壓器的勵磁涌流電流為1100 A。當A相合閘初始相角為90°時，電流為200 A,負向達到了-300 A。可以看到光伏系統并網時變壓器會產生勵磁涌流，并且該電流很大。這可能使過電流保護裝置誤動作，對變壓器等電氣設備以及電網都是不利的。所以需要變壓器勵磁涌流抑制技術來抑制這種大電流的產生。

圖2 仿真電路結構

圖3 合閘初始相角為變壓器的勵磁涌流波形

圖4 合閘初始相角為變壓器的勵磁涌流波形

3 變壓器勵磁涌流抑制技術的基本原理和方法

根據變壓器勵磁涌流的產生原理和特征,目前抑制變壓器勵磁涌流的方法主要有串聯電阻法和選相位關合法[6-7]。

3.1 串聯電阻法

變壓器合閘時,在變壓器的輸入端與電網間串聯適當電阻可以限制沖擊電流,待沖擊電流衰減到額定電流之內時再將限流電阻切除。串聯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。

雖然串聯電阻法能有效限制沖擊電流,對合閘沖擊電流的快速衰減有利,但增加了投資和操作的復雜性。

3.2 選相位合閘法

從變壓器勵磁涌流的影響因素可知,變壓器勵磁涌流的大小與合閘的初相角有很大關系。選相位合閘法通過控制三相合閘的時間,即控制三相開關。有快速合閘和延遲合閘兩種方法。延遲合閘依據鐵芯磁通平衡效應策略,單相先合閘,用合閘時產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,在首合相電壓過零點時合閘。延遲合閘的理論依據是鐵芯磁通平衡效應。

控制合閘初相角后,勵磁涌流的幅值也大幅度減小,說明通過控制合閘時電壓的初相角,能夠有效地抑制勵磁涌流的暫態過程,但變壓器的合閘時刻與鐵芯中的剩磁有關,仍然有較大的涌流。

4 變壓器勵磁涌流抑制新技術

4.1 采用V-f-t控制的方法抑制變壓器的勵磁涌流基本原理

系統的基本原理結構如圖5所示。圖中t/f函數產生頻率隨時間變化的曲線，用示波器Vt/f觀察曲線。由函數V/f產生電壓隨頻率變化的關系曲線。使用不同的函數進行仿真。

圖5 V-f-t控制系統原理圖

4.2 不同V-f曲線下的仿真結果

1）當頻率隨時間按線性變化，函數表達式為

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角0°為時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖6所示。

圖6 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖7所示。

圖7 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖6、圖7的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0時，合閘變壓器的勵磁涌流電流為1300 A。當A相合閘初始相角為60°時，電流為1000 A。當A相合閘初始相角為90°時，電流為450 A。根據比較可以得出，當頻率隨時間線性變化時，沒有勵磁涌流現象發生。在5 s時f-t的曲線斜率由0.2變為0。在這一點變壓器就有勵磁涌流而且電流較大。

2）當頻率隨時間按線性變化，選擇斜率為0.1。

變壓器有剩磁當A相合閘初始相角為時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖8所示。

圖8 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖9所示。

圖9 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖8、圖9的對比可以看到，當選擇A相合閘初始相角為0時合閘，變壓器的勵磁涌流電流為1170 A。當A相合閘初始相角為60°時，電流1100 A。當A相合閘初始相角為時，電流為850 A。根據比較可以得出，當頻率隨時間線性變化90°時，沒有勵磁涌流現象發生。在10 s時f-t的曲線斜率由0.1變為0。在這一點變壓器就有勵磁涌流，而且電流較大。

根據以上分析發現，當t-f曲線按線性變化時不會有勵磁涌流現象。但是當曲線的斜率發生突變時就有勵磁涌流。所以在V-t-f控制時，不能采用這種曲線。

3）當頻率隨時間按指數變化，其函數表達式為

設定電壓隨頻率線性變化。即V/f曲線為一條斜率為常數的直線。設斜率為1。

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為0時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖10所示。

圖10 合閘初始相角為0變壓器的勵磁涌流波形

變壓器有剩磁，當A相合閘初始相角為90°時合閘，變壓器的勵磁涌流波形如圖11所示。

圖11 合閘初始相角為90°變壓器的勵磁涌流波形

通過對圖10、圖11的對比可以看到，選擇不同的合閘角合閘變壓器一次側的電流均小于3 A，沒有勵磁涌流。說明采用指數函數曲線可以完全抑制光伏并網變壓器的勵磁涌流。

5 結論

光伏并網逆變技術經過近幾年的研究和發展,技術已經成熟。光伏并網的控制方式有軟并網和硬并網兩種，通過分析可知兩種方式均會在合閘時產生勵磁涌流現象。為了延長變壓器的使用壽命,提高電力系統供電質量,必須對變壓器勵磁涌流進行抑制.串聯電阻法和選相位合閘法都有其局限性,。選擇硬并網方式并采用V-t-f控制法后,選擇指數函數曲線能有效地抑制勵磁涌流。仿真實驗表明了這種方法的可行性。

[1] 車孝軒.太陽能光伏系統概論[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

[2] 崔容強,趙春江,吳達成.并網型太陽能光伏發電系統[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3] 李小明.現代高壓電網繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 周鶚.電機學[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5] 姚志松，姚磊.中小型變壓器實用全書[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6] JOHN H B,KLAUS J F.Elimination of Transformer Inrush Current by Controlled Switching"PartⅠ:Theoretical Consideration[J].IEEE Trans on Power Deliver,2001,16(2):276-280.

[7] JOHN H B,KLAUS J F.Elimination of Transformer Inrush Current by Controlled Switching PartⅡ:Application and Performance Considerations[J].IEEE Trans on Power Deliver,2001,16(2):281-285.