并网光伏发电系统励磁涌流抑制方法研究

苏小玲，韩民晓，刘海军

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

光伏发电有离网和并网两种方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进,太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。光伏发电的并网方式有以下几种。

1）无变压器方式：这种方式通过升压斩波器、逆变器和滤波器，直接与电力系统相连，造价适中，宜于小型轻量化，但存在直流分量流入系统的可能性。要对直流问题进行专门考虑。

2）高频连接方式：高频逆变后，通过变压器隔离，再经过整流逆变与系统相连。这种电路也设有隔离变压器，直流分量不会流入主电网，避免了直流偏磁，滤波器也易于设计，谐波水平低。不过高频电磁干扰问题严重,要采用滤波和屏蔽等抑制措施。

3）工频变压器方式：光伏输出经过平波，逆变滤波后，通过工频变压器与系统连接。采用工频隔离，避免了直流偏磁，减少了谐波。由于电路中的半导体器件少,可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。虽然主变压器和滤波电感体积大，但是,可采用低频材料制造，成本并不高。这种方式是现在采用较为广泛的一种，所以以下的研究讨论针对工频变压器方式进行[1-2]。

工频变压器方式太阳能光伏并网系统结构如图1所示。首先太阳能电池组件将太阳光能转化成电能的形式，并将电能调节成满足SPWM全桥逆变器需要的直流电压，然后经SPWM全桥逆变器逆变为交流，最后通过工频变压器变为电网电压等级。光伏系统的并网控制方式有软并网和硬并网两种。软并网方式首先将变压器并入电网，然后给逆变器发触发脉冲使其工作。硬并网方式是首先发触发脉冲使逆变桥处于工作状态，当满足并网条件时，通过控制让变压器并网。这两种并网方式在并网时，并网变压器都会产生励磁涌流现象。这对电气设备与电网都是不利的。传统的控制方法虽然可以在一定程度上抑制光伏并网变压器的励磁涌流，但是实现方法复杂，使得运行操作复杂化。投资成本、运行成本偏高。在硬并网方式下采用V-t-f控制的方法可以有效地抑制励磁涌流，简化运行操作过程。

图1 光伏并网系统结构

1 并网变压器励磁涌流

光伏系统采用软并网方式并网时，首先将变压器并入电网，然后给逆变器发触发脉冲使其工作。在符合并网条件时，闭合开关K2和接触器KM1将变压器并入电网。通常情况下，此时逆变桥左侧即电容两端的电压高于变压器一次侧的电压，所以逆变桥上的二极管均处于阻断状态。变压器一次侧相当于空载，从而导致变压器产生励磁涌流。硬并网方式是首先发触发脉冲使逆变桥处于工作状态，符合并网条件时通过控制让变压器并网。当逆变器处于逆变状态时，由于变压器二次侧空载，变压器内部也会产生励磁涌流现象[3]。

设外施电压按正弦规律变化，则电压方程式为

式中，N1，r1为一次绕组的匝数和电阻；Φ1为一次绕组的全部磁通；U1为外施电压有效值；α为外施电压初相角；im为激磁电流。

式（2）全解有两个分量，即稳态分量Φ′1和瞬态分量Φ″1。

由于r1<<ωLav,则

代入式（3）得

式中，Φm为稳态时的磁通幅值；c为积分常数，由初始条件决定。C=Φmcos α+Φsy，Φsy为铁心剩磁。代入式（4）得磁通的解析式

如果在α=0时接通电源，瞬态分量的幅值最大，情形最不利，在合闸后的半个周期稳态分量的瞬时值和暂态分量的瞬时值相叠加可达2Φm+Φsy。显然这时的磁路非常饱和，相应的激磁电流急剧增大，可达正常值的几百倍，或者说可达几倍额定电流。如果在初始角α=90°时接通电源，不含瞬态分量磁通，合闸后立即进入稳态。需要强调指出，由于磁路的非线性，电感并非常数，从而激磁电流也并非按指数函数衰减。一般来讲，小型变压器的电阻较大，电抗较小，衰减也较快，约几个周期就可达到稳态。大型变压器的电阻较小，电抗较大，衰减也慢些，可能延续几秒。最初几个周期的冲击电流有可能使过电流保护装置误动作。所以，需要抑制并网变压器的励磁涌流现象[4-5]。

2 并网变压器励磁涌流的仿真

利用Matlab软件建立太阳能并网变压器励磁涌流仿真分析的系统模型。仿真所用变压器、等效电源、逆变桥、断路器以及测量模块等均采用Matlab模块库中的标准模型。其中变压器为300 kV·A，0.38 V/10 kV。算法采用ode23s.仿真电路结构如图2所示。针对工频变压器硬并网的励磁涌流进行仿真分析。

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为0°时合闸，变压器的励磁涌流波形如图3所示。

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为90°时合闸，变压器的励磁涌流波形如图4所示。

通过对图3和图4的对比可以看到，当选择A相合闸初始相角为0°时，合闸变压器的励磁涌流电流为1100 A。当A相合闸初始相角为90°时，电流为200 A,负向达到了-300 A。可以看到光伏系统并网时变压器会产生励磁涌流，并且该电流很大。这可能使过电流保护装置误动作，对变压器等电气设备以及电网都是不利的。所以需要变压器励磁涌流抑制技术来抑制这种大电流的产生。

图2 仿真电路结构

图3 合闸初始相角为变压器的励磁涌流波形

图4 合闸初始相角为变压器的励磁涌流波形

3 变压器励磁涌流抑制技术的基本原理和方法

根据变压器励磁涌流的产生原理和特征,目前抑制变压器励磁涌流的方法主要有串联电阻法和选相位关合法[6-7]。

3.1 串联电阻法

变压器合闸时,在变压器的输入端与电网间串联适当电阻可以限制冲击电流,待冲击电流衰减到额定电流之内时再将限流电阻切除。串联电阻法能有效限制冲击电流,有利于合闸冲击电流的快速衰减。

虽然串联电阻法能有效限制冲击电流,对合闸冲击电流的快速衰减有利,但增加了投资和操作的复杂性。

3.2 选相位合闸法

从变压器励磁涌流的影响因素可知,变压器励磁涌流的大小与合闸的初相角有很大关系。选相位合闸法通过控制三相合闸的时间,即控制三相开关。有快速合闸和延迟合闸两种方法。延迟合闸依据铁芯磁通平衡效应策略,单相先合闸,用合闸时产生的非周期分量的磁通抵消剩磁,另外两相在2～3工频周期后,在首合相电压过零点时合闸。延迟合闸的理论依据是铁芯磁通平衡效应。

控制合闸初相角后,励磁涌流的幅值也大幅度减小,说明通过控制合闸时电压的初相角,能够有效地抑制励磁涌流的暂态过程,但变压器的合闸时刻与铁芯中的剩磁有关,仍然有较大的涌流。

4 变压器励磁涌流抑制新技术

4.1 采用V-f-t控制的方法抑制变压器的励磁涌流基本原理

系统的基本原理结构如图5所示。图中t/f函数产生频率随时间变化的曲线，用示波器Vt/f观察曲线。由函数V/f产生电压随频率变化的关系曲线。使用不同的函数进行仿真。

图5 V-f-t控制系统原理图

4.2 不同V-f曲线下的仿真结果

1）当频率随时间按线性变化，函数表达式为

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角0°为时合闸，变压器的励磁涌流波形如图6所示。

图6 合闸初始相角为0变压器的励磁涌流波形

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为90°时合闸，变压器的励磁涌流波形如图7所示。

图7 合闸初始相角为90°变压器的励磁涌流波形

通过对图6、图7的对比可以看到，当选择A相合闸初始相角为0时，合闸变压器的励磁涌流电流为1300 A。当A相合闸初始相角为60°时，电流为1000 A。当A相合闸初始相角为90°时，电流为450 A。根据比较可以得出，当频率随时间线性变化时，没有励磁涌流现象发生。在5 s时f-t的曲线斜率由0.2变为0。在这一点变压器就有励磁涌流而且电流较大。

2）当频率随时间按线性变化，选择斜率为0.1。

变压器有剩磁当A相合闸初始相角为时合闸，变压器的励磁涌流波形如图8所示。

图8 合闸初始相角为0变压器的励磁涌流波形

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为90°时合闸，变压器的励磁涌流波形如图9所示。

图9 合闸初始相角为90°变压器的励磁涌流波形

通过对图8、图9的对比可以看到，当选择A相合闸初始相角为0时合闸，变压器的励磁涌流电流为1170 A。当A相合闸初始相角为60°时，电流1100 A。当A相合闸初始相角为时，电流为850 A。根据比较可以得出，当频率随时间线性变化90°时，没有励磁涌流现象发生。在10 s时f-t的曲线斜率由0.1变为0。在这一点变压器就有励磁涌流，而且电流较大。

根据以上分析发现，当t-f曲线按线性变化时不会有励磁涌流现象。但是当曲线的斜率发生突变时就有励磁涌流。所以在V-t-f控制时，不能采用这种曲线。

3）当频率随时间按指数变化，其函数表达式为

设定电压随频率线性变化。即V/f曲线为一条斜率为常数的直线。设斜率为1。

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为0时合闸，变压器的励磁涌流波形如图10所示。

图10 合闸初始相角为0变压器的励磁涌流波形

变压器有剩磁，当A相合闸初始相角为90°时合闸，变压器的励磁涌流波形如图11所示。

图11 合闸初始相角为90°变压器的励磁涌流波形

通过对图10、图11的对比可以看到，选择不同的合闸角合闸变压器一次侧的电流均小于3 A，没有励磁涌流。说明采用指数函数曲线可以完全抑制光伏并网变压器的励磁涌流。

5 结论

光伏并网逆变技术经过近几年的研究和发展,技术已经成熟。光伏并网的控制方式有软并网和硬并网两种，通过分析可知两种方式均会在合闸时产生励磁涌流现象。为了延长变压器的使用寿命,提高电力系统供电质量,必须对变压器励磁涌流进行抑制.串联电阻法和选相位合闸法都有其局限性,。选择硬并网方式并采用V-t-f控制法后,选择指数函数曲线能有效地抑制励磁涌流。仿真实验表明了这种方法的可行性。

[1] 车孝轩.太阳能光伏系统概论[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[2] 崔容强,赵春江,吴达成.并网型太阳能光伏发电系统[M].北京：化学工业出版社，2007.

[3] 李小明.现代高压电网继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4] 周鹗.电机学[M].北京：中国电力出版社，2004.

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[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.