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(huán)境惡化的日益嚴重，光伏發(fā)電這種可再生能源并網(wǎng)技術(shù)越來越受到關(guān)注。光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設備，負責將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)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(wǎng)會造成嚴重的沖擊，引起電壓降落，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，斷路器每日進行啟、停機動作，長期運行易發(fā)生螺絲松動、觸頭磨損和傳動機構(gòu)異常等多種機械故障，影響逆變器穩(wěn)定運行。國內(nèi)外數(shù)據(jù)研究表明，機械故障是斷路器故障的主要原因。國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)對斷路器可行性所做的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，80%的斷路器故障是因為機械機構(gòu)特性不良導致的，而且大多數(shù)故障是由于操作機構(gòu)異常造成的。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用晶閘管為主電路元件，單片機控制的軟啟動器已經(jīng)大量應用。晶閘管是由PNPN四層半導體構(gòu)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(xiàn)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(shù)，所述系統(tǒng)包括采集單元、邏輯單元及執(zhí)行單元的結(jié)構(gòu)。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(zhí)行單元發(fā)送指令控制晶閘管分閘。

2 常用斷路器啟動技術(shù)分析

光伏逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。主要系統(tǒng)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(diào)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(zhuǎn)換成交流電，并完成并網(wǎng)電流與電網(wǎng)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(xiàn)諧波抑制，提高電能質(zhì)量。

圖1 光伏逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

交流斷路器利用線圈中通過電流時，電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，鐵心由于受到電場力的作用，實現(xiàn)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(chǎn)生較大的沖擊電流，對供電的網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)生較大的電壓閃變，同時由于啟動應力較大，對電氣設備產(chǎn)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(shù)超過18000次。另外，斷路器在長期高頻率使用過程中容易出現(xiàn)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(fā)電量。

3 晶閘管軟啟動技術(shù)原理

晶閘管軟啟動技術(shù)是采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓裝置，將其接入濾波器端子側(cè)和電網(wǎng)。主要電路是三相全控電路，拓撲結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于晶閘管軟啟動技術(shù)的光伏逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器軟啟動技術(shù)采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓裝置，將其接入濾波器端子側(cè)和電網(wǎng)。該啟動技術(shù)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(wǎng)諧波污染。軟啟動技術(shù)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(jié)構(gòu)和電氣符號見圖4。晶閘管是一個四層半導體材料(P1N1P2N2)構(gòu)成的器件，在每兩層不同的材料分界面上都形成PN結(jié)，共形成3個PN結(jié)(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(jié)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(jié)J1將承載大部分電壓。如果門極不觸發(fā)，當器件加上正向電壓時，PN結(jié)J2承載大部分電壓。

圖4 晶閘管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中3個PN結(jié)都處在反電壓作用下，晶閘管呈阻斷狀態(tài)；當門極有觸發(fā)信號(IG＞0)時，正向轉(zhuǎn)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(tài)，此時去掉門極信號，晶閘管仍能維持導通狀態(tài)不變。

3.2 晶閘管軟啟動技術(shù)分析

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

圖5 某相調(diào)壓電路相電壓波形圖

由圖5可知，導通θ、觸發(fā)角α和續(xù)流角φ之間的函數(shù)關(guān)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(shù)據(jù)或部分乘客刷卡時公交車輛已經(jīng)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(shù)據(jù)試算時發(fā)現(xiàn)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(fā)角α越小，晶閘管的輸出電壓越大。而且，輸出電壓與觸發(fā)角之間存在連續(xù)函數(shù)的關(guān)系表達式。對于恒定的負載而言，續(xù)流角φ是常量，只要改變晶閘管觸發(fā)角 的大小就可以改變晶閘管的輸出電壓，實現(xiàn)逆變器的輸出電壓按照預定規(guī)律變化的要求。

3.3 軟啟動硬件系統(tǒng)分析

軟啟動技術(shù)硬件包括采集單元、邏輯單元和執(zhí)行單元。采集單元顧名思義就是在一次系統(tǒng)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(xiàn)電路較多，其一原理見圖7。電路串聯(lián)分壓電路、濾波電路、電壓跟隨器、光電耦合器和穩(wěn)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(jīng)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(xiàn)阻斷電路之間的電聯(lián)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(wěn)定可靠；穩(wěn)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(shù)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(qū)，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(lián)組成，并聯(lián)的兩個比較器工作在非線性區(qū)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(fā)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(zhí)行單元通過圖10和圖11所示的系統(tǒng)實現(xiàn)。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(tǒng)實現(xiàn)的軟啟動狀態(tài)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(tǒng)

圖11 軟啟動模塊控制系統(tǒng)

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(cè)與網(wǎng)側(cè)電壓同頻、同相時，光伏逆變器CPU發(fā)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(guān)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(fā)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(shù)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(yōu)點：啟動電流小，對電網(wǎng)沖擊小，提高了供電質(zhì)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(jié)省了設備的占用空間，實現(xiàn)了設備的集成化發(fā)展。

4 結(jié)論

針對目前常用的斷路器控制光伏逆變器啟動技術(shù)，本文提出了采用晶閘管軟啟動技術(shù)，能夠減小逆變器的啟動沖擊電流，減小對電網(wǎng)的沖擊，并且提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。隨著國內(nèi)新能源技術(shù)的發(fā)展，將會有力地推進晶閘管軟啟動技術(shù)在光伏逆變器領(lǐng)域的應用。