电压暂降对光伏逆变器的影响分析

史明明，袁晓冬，陈 兵

（江苏省电力公司电力科学研究院，南京211103）

引言

随着光伏发电的成本降低，以及国家能源局相关产业政策的支撑，分布式光伏发电成为了新能源资本投资的热点，随着分布式光伏的大规模接入，光伏发电对配电网的影响受到了电力系统研究学者的广泛关注。文献［1-7］针对光伏发电间歇性出力的特点，研究了其对大系统运行、同步、稳定和继电保护的影响，其研究工作为光伏发电的安全稳定运行提供了坚实的技术基础。

电压暂降对敏感负荷的影响十分显著，也是对用户影响最大的电能质量指标，光伏发电作为一种新兴的发电方式，其正常运行也依赖于良好的电能质量环境。本文从电网电压暂降事件出发，分析了电网电压暂降对光伏逆变器的运行的影响，以及其内在的运行机理。在模拟电网环境下对一台10 kW光伏逆变器进行电压暂降实验，为理论分析提供了实验数据支撑，论证了本文分析的正确性。

1 电压暂降对单相光伏逆变器的影响分析

首先以单相光伏逆变器为例进行分析。在任一开关时刻，逆变器的开关逻辑状态处于两管导通和单管续流两种状态之一，分别如图1和图2所示。

图1 单相逆变器双管导通运行状态Fig.1 Doulde tuloe conduction state of single phase inverter

图2 单相逆变器单管续流运行状态Fig.2 Freewheeling state of single phase inverter

在图1所示的双管导通状态时，网侧电流ia可表示为

可以看出，双管导通状态时逆变器网侧电流ia与暂降发生前的电流大小 ia（0）、导通时间 Δt（on）密切相关。由于逆变器直流侧电压Udc高于交流侧电压uan，网侧电流在暂降发生后将继续增大。

在图2所示的单管续流状态时，网侧电流ia可表示为

可以看出，单管续流状态时逆变器网侧电流ia与暂降发生前的电流大小 ia（0）、导通时间 Δt（on）以及电网电压uan的相位密切相关，网侧电流在暂降发生后将可能会增大，也可能衰减。

综上所述，在电压暂降发生的第一个PWM开关周期内，逆变器网侧电流ia与电路导通状态密切相关，尤其是当逆变器为双管导通状态时，功率管导通时间直接影响暂降后电流的上升时间，且由于该时间在一个PWM周期内不受逆变器闭环控制的影响，逆变器闭环控制系统仅在下一个PWM周期进行导通时间修正。

2 电压暂降对三相光伏逆变器的影响分析

为了分析的通用性，以常见的采用空间电压矢量调制策略的三相光伏逆变器为例进行分析。在任意时刻，逆变器的3个桥臂均有1个开关处于导通状态，开关状态为例（ub＜ua，ub＜uc），空间电压矢量调制策略可分为 5 段：A、B、C、D、E，如图3 所示。

在区间A、E内，逆变器网侧电流的流向如图4所示。由图可见，电流ia，ic的幅值在暂降发生后呈增大趋势。暂降发生后网侧电流的表达式为

在区间B、D内，逆变器网侧电流ia的流向如图5所示。由图可见，电流ia的幅值在暂降发生后呈增大趋势，电流ic的幅值在暂降发生后呈减小趋势。暂降发生后网侧电流的表达式为

在区间C内，逆变器网侧电流ia的流向如图6所示。由图可见，电流ia、ic的幅值在暂降发生后呈减小趋势。暂降发生后网侧电流的表达式为

从以上分析可以看出，三相逆变器的开关状态可视为两个单相逆变器开关状态的叠加，是单相逆变器两管导通和单管续流状态的组合。因此，电压暂降发生在不同的时刻，对逆变器网侧电流的影响也不同。

图3 空间矢量调制策略开关导通逻辑Fig.3 Switching logic of space vector modalation strategy

图4 三相逆变器双管导通示意Fig.4 Sketch map of double three-phase inverter conduction

图5 三相逆变器单管续流示意Fig.5 Sketch map of one switch conduction of three-phase

图6 三相逆变器双管续流示意Fig.6 Double three-phase inverter freewheeling state

3 逆变器电流闭环对暂降后网侧电流的影响

常用的逆变器并网采用的是基于电网电压定向的并网电流PI控制算法，其闭环控制控制框图如图7所示。图中K表示变换器的等效增益，Lf为并网电感，Rf为并网电感的内阻，Ts为PWM开关周期。Kp、τi为电流环PI调节器的参数。图中一阶延时环节用于等效电流环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性。其系统开环传递函数为

图7 逆变器闭环控制框图Fig.7 Block diagram of inverter closed loop control

通常，为保证电流环需要具有良好的电流跟踪性能，电流环采用典型I型系统的设计方法，按照理想的二阶系统的最佳整定方法对PI参数进行计算，各参数取值分别为

根据式（9）～式（11）可得到系统闭环传递函数为

当开关频率足够高时，可忽略s二阶量，电流内环可近似为惯性环节，即

式（13）表明，逆变器的电流环可近似为惯性环节，其时间常数为3Ts，也就是说，对于光伏逆变器而言，电压暂降发生后，逆变器在3个PWM周期后才能够进行响应，通过修正功率管的导通时间来抑制电流上升。对于电压暂降事件而言，逆变器的网侧电流会在逆变器未响应前出现冲击电流，根据能量守恒原则，冲击电流的大小与跌落深度呈反比。

4 光伏逆变器的电压实验研究

本文采用Chroma公司AC Source作为模拟电网电源进行电压暂降实验，分别在不同输出功率、跌落深度和跌落相位角等工况条件进行。

在光伏逆变器不同输出功率工况的暂降实验时，将交流源突降的初始相位角设置为0°时（相对于A相）发生三相对称跌落，光伏出力为5 kW、4 kW、2.5 kW、1 kW不同工况下进行了实验，实验数据如表1所示。光伏逆变器5 kW出力时20%跌落的实验波形如图8所示。

表1 不同输出功率在20%跌落深度的实验数据Tab.1 Experiment data of different output power with drop depth 20%

图8 逆变器5 kW输出20%跌落的实验波形Fig.8 Experiment waveforms of inverter with power 5 kW，drop depth 20%

从实验结果可以看出，逆变器在不同工况下的冲击电流大小不同。由于暂降时刻的初始电流由逆变器输出功率决定，因此输出功率越大冲击电流也越大。受内部控制参数的影响，实验冲击电流峰值出现的时刻均在暂降发生0.2 s后，且持续的时间几乎都是相同的。

在光伏逆变器不同电压跌落深度的暂降实验时，为避免IGBT损坏，光伏输出功率设定为1 kW，分别进行了电压跌落深度为80%、60%、40%和20%的实验，冲击电流大小与跌落深度之间的关系如表2所示，跌落深度为20%的实验波形如图9所示。

表2 相同输出功率不同跌落深度的实验数据Tab.2 Experiment data of same output power with different drop depths

图9 逆变器1 kW输出20%跌落的实验波形Fig.9 Experiment waveforms of inverter with power 1 kW and drop depth 20%

从实验结果可以看出，逆变器跌落深度不同其输出的冲击电流大小也不同。跌落深度越大，冲击电流也越大，受内部控制参数的影响，实验的冲击电流峰值同样出现的时刻均在暂降发生0.2 s后，且持续的时间几乎都是相同的。

在光伏逆变器不同电压相位进行暂降实验时，同样为避免IGBT损坏，光伏输出功率设定为1kW，分别进行了 A 相电压相位角在 0°、18°、36°、54°、72°、90°的条件下进行跌落深度为 20%的实验，A相冲击电流大小与跌落深度之间的关系如表3所示，实验波形如图10所示。

表3 不同相位角下跌落实验数据Tab.3 Data of drop experiment with different phase angles

图10 逆变器在90°时电压跌落20%的实验波形Fig.10 Experiment waveforms of inverter with phase angle 90°and drop depth 20%

从实验结果可以看出，电压暂降发生时刻的相位角对冲击电流的大小也有影响。冲击电流的最大值发生在90°相角处，偏离90°相角越远，冲击电流越小。受内部控制参数的影响，实验的冲击电流峰值同样也出现的时刻均在暂降事件发生0.2 s后，且持续的时间几乎都是相同的。

5 结论

（1）电压暂降引起的逆变器冲击电流大小与输出功率、电压跌落深度与跌落相位角密切相关，实验中也多次出现逆变器保护停机时间，电网电压暂降事件对光伏发电系统的运行会产生影响；

（2）在不同程度的暂降事件下，冲击电流峰值出现的时刻与持续的时间几乎都是相同的，主要逆变器固有的控制环路响应时间有关，受内部控制参数的影响；

（3）本文的研究主要集中在单台逆变器的影响方面，对于多台逆变器并联运行时发生电压暂降，由于内部控制参数的不一致性，其电流暂态特征还需更进一步分析。

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