光伏逆变器电压暂降耐受能力刻画与测试

汪 颖，任 杰，许 中，金耘岭，肖先勇

（1.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065；2.广州供电局有限公司，广东 广州 510001；3.南京灿能电力自动化股份有限公司，江苏 南京 211112）

0 引 言

电压暂降是电力系统正常运行不可避免的电能质量扰动事件。IEC和IEEE分别将电压暂降定义为电压有效值在短时间内下降到正常电压的1%～90%（IEC）或 10%～90%（IEEE），典型持续为 0.5周波到1min，然后电压自动恢复的扰动事件。显然，这类事件不是停电（停电定义为电压下降到正常值的10%及以下，持续1min及以上），因此，没被纳入现有供电可靠性考核，在国内外均无限制性标准。但是，随着计算机（personal computer，PC）、可调速驱动器（adjustable speed drives，ASD）、交流接触器（AC contactor，ACC）、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）等设备的大量使用，这些设备对电压暂降非常敏感，电压暂降给高端制造企业等电力用户造成了大量经济损失[1-2]。与此同时，光伏发电等新能源发电装置在电网的渗透率不断提高，大量基于电力电子的换流器、逆变器等对电压暂降也很敏感，且随着新能源在电网中比例的不断增加，如果电网故障引起的电压暂降导致新能源发电装置大量脱网，必将影响整个电力系统的安全运行，造成大面积停电和极大的社会经济损失。因此，对光伏逆变器电压暂降耐受能力进行测试，以期提升新能源发电装置的低电压穿越能力，具有重要理论价值和现实意义[3]。

国内外对用户侧使用的PC、ASD、ACC等敏感设备的电压暂降耐受能力开展了大量研究。基于研究测试可知，针对电压暂降幅值和持续时间两个最基本特征，工业界和学术界普遍认可的电压暂降耐受能力如表1所示。

表1 敏感用电设备的电压暂降耐受能力

现有设备电压暂降耐受能力的研究，仅考虑了用电设备受电压暂降的幅值和持续时间两个特征的影响，对光伏逆变器等新能源发电装置的耐受能力研究不足，同时由于对电压暂降事件的波形点、相位跳变、波形畸变等特征考虑不足，可能对耐受能力欠估计或过估计。

本文对光伏逆变器的电压暂降耐受能力开展研究。从对光伏逆变器有影响的电压暂降特征入手，提出了考虑电压暂降幅值、持续时间和波形点（pointon-wave，POW）特征的光伏逆变器电压暂降耐受能力测试方法，通过实验室测试得到了电压耐受曲线，并进一步引入过程免疫时间概念，用过程免疫时间曲线刻画光伏逆变器的电压暂降耐受能力。

1 电压暂降波形点特征

电压暂降特征包括了暂降幅值、持续时间和波形点等特征。POW定义为发生和截止瞬间在电压瞬时波形上的位置，通过设定电压暂降开始和结束时电压RMS值的阈值来确定，并用电压相位角表示，如图1所示。图1（a）中红色曲线为某次实测的电压暂降RMS值，蓝色线为设置90%阈值（198 V），红、蓝线交点对应时刻为电压暂降波形起始点和波形结束点的对应时刻，分别是第8.35周波和11.18周波。图1（b）红色曲线为电压基波瞬时值，上述两个时刻对应的基波电压相位角分别为134°（波形起始点）和71°（波形结束点）。

图1 波形点特征定义

波形起始点指电压暂降开始时基波电压相位角，波形结束点是电压暂降结束时基波电压相位角[4]，二者对于依赖电压瞬时波形相位角的设备均有影响[5]。IEC 61000-4-30标准认为，POW是导致机电式接触器跳闸的重要原因[6]；IEEE 1346——1998标准中指出，有些设备对波形起始点特征非常敏感[7]；IEEE 1159——2009也指出，波形点特征可能会导致接触器或继保设备误操作，导致设备跳闸[8]。

除了在国际标准中指出了POW的影响外，国内外诸多学者对POW对设备的影响进行了测试与仿真。英国学者Djokic[9]、西班牙学者Guasch和Pedra[10]、美国学者Collins[11]、日本学者Iyoda等[12]对交流接触器、感应电机等的电压暂降耐受能力进行了实测或仿真研究，证明POW对电力电子设备会产生影响。作为新能源并网的重要设备，光伏逆变器是典型的电力电子装置，其导通和截止特性直接影响光伏并网发电单元，当光伏发电装置在电网中的比例较大时，直接影响电力系统的安全稳定运行。

2 电压暂降耐受能力及其刻画方法

2.1 设备电压暂降耐受能力

一般来说，当设备供电电压为标称值时，设备能达到设计的最佳运行状态。如果在特定时间电压降低或降到0，设备就可能运行不正常或完全停运。对于任何给定设备，均可通过测试或试验方式确定其可承受的供电中断时间。同样，对于供电电压偏离标称电压或额定电压的耐受能力，也可以通过试验或测试确定。IEEE 1346——1998标准中建议设备电压耐受能力可由电压耐受曲线来刻画，在该标准中，还提出了比较设备特性和供电质量的具体方法。

2.2 电压耐受曲线（VTC）刻画法

在工程实际中，单次停电或电压中断事件造成的经济损失可能比单次电压暂降事件损失更大，但在电网中，电压暂降发生次数一般是停电或电压中断事件的8～20倍，其造成的累计损失远远大于电压中断或停电损失。从1980年起，美国计算机与商用设备制造商协会针对大型计算机、平板显示器提出了平滑的CBEMA曲线，后来该协会更名为信息技术工业协会，CBEMA曲线相应地调整为用折线形式表示的ITIC曲线，并被推广应用到所有电压暂降敏感设备，但并非强制性标准。国际半导体设备与材料协会（semiconductor equipmentmaterials international，SEMI）针对半导体行业用电设备的电压耐受能力制定了SEMI F47标准，是全球半导体制造企业强制执行的用电设备标准。无论是CBEMA、ITIC，还是SEMI F47，这些曲线或标准均从设备受电压暂降影响时设备的电气状态角度对设备的电压暂降耐受能力进行刻画，因此，这些曲线可统称为设备电压耐受曲线（voltage tolerance curve，VTC）。

2.3 过程免疫时间（PIT）曲线刻画法

事实上，在用电侧能直接感知电压暂降造成的损失不是电气工程师，而是仪器仪表、过程或工艺工程师，但其往往对设备的电气特性理解并不深刻，更直观感知的不是设备电气状态，而是生产过程或工艺中的物理参数。因此，国际大电网会议、国际供电协会等成立联合工作组C4.110，并于2010年提出了评价敏感设备或过程电压暂降耐受能力的过程免疫时间（process immunity time，PIT）概念，并建议了过程敏感设备和敏感环节的识别方法。

对于给定敏感设备或过程，在给定电压暂降（暂降幅值、持续时间等特征确定）作用下，每台设备或每条生产线均有一条PIT曲线，当参数达到或超过限制值时，对应的时间被C4.110定义为PIT时间。也就是说，对于同样的电压暂降，不同设备或过程，或同样的设备处于不同工况时的PIT时间不同，因此，用PIT刻画用电设备的电压暂降耐受特性更符合实际。典型PIT概念如图2所示。

图2 过程免疫时间（PIT）的定义

图中，如果电压暂降发生在t1时刻，设备或过程物理参数维持正常（Pnom）Δt时间后发生偏离，到t2时刻达到限制值Plimit，定义设备或过程从t1到t2的时段为过程或设备的电压暂降免疫时间。

显然，对于不同设备或过程，或对于不同物理参数，PIT曲线不同；对于不同的电压暂降，PIT曲线也不同；对于同样生产线或设备，当工艺要求不同时，PIT时间也会不同。更进一步地，物理参数是对整个电压暂降事件的综合响应，在现有对电压暂降的认识和刻画中，主要考虑了暂降幅值和持续时间两个最基本的特征，但根据IEEE 1564——2014标准可知，电压暂降除了这两个特征外，还有波形点、相位跳变、波形畸变、电压损失、能量损失等特征。刻画电压暂降的科学方法是采用电压暂降特征向量，但是，不同设备或生产过程对电压暂降特征的敏感特性不同，因此，当分析和评价不同生产线或设备的电压暂降耐受能力时，需根据实际物理属性和敏感特征进行刻画。因此，对于不同敏感设备或过程，在进行敏感特征分析的基础上，需通过必要测试和仿真建模并采用VTC与PIT相结合的方式刻画其电压暂降耐受能力。本文以光伏逆变器输出电流为物理参数，提出用PIT曲线刻画的电压暂降耐受能力刻画方法，并进行实验室测试。

3 测试环境与测试过程

3.1 测试环境

采用四川大学与南京灿能电力自动化股份有限公司在IEEE 1564——2014标准定义基础上提出的电压暂降特征计算方法，用可编程电源模拟电压暂降源，在四川大学、广州供电局有限公司实验室环境下对光伏逆变器进行实际测试，原理如图3所示。太阳能光伏发电系统通过光伏阵列将太阳能转变为直流电能，再通过光伏逆变器将直流电转变为交流电并入电网，与电网协同向本地阻性负载（5 kW）供电。

图3 测试原理图

实验室测试环境如图4所示，光伏阵列铺设在房屋顶楼。

图4 光伏逆变器测试环境

3.2 测试过程

1）将光伏逆变器与模拟电网（Chroma可编程交流电源6590）相连。光伏逆变器在交流侧电压为220V的情况下正常启动并运行。经多次测试，光伏逆变器每次开机启动的时间大约需要1min。

2）实验时，在可编程交流电源上设置一段电压暂降：该电源先稳定在220 V，运行1 min，再发生暂降，暂降后电源恢复到220V工作状态。

3）记录电压暂降时光伏逆变器是否脱网。如果光伏逆变器脱网，当电压恢复到220V后需5s左右，光伏逆变器恢复并网。

4）结束一次实验后，重新在可编程交流电源上设置一段电压暂降，再次启动光伏逆变器，开始新一次测试。

每次测试在可编程交流电源上设置不同持续时间、幅值和POW的电压暂降，分别测试得到在POW为 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°时并网光伏逆变器的电压耐受曲线。在一定POW度数下，电压暂降幅值为 0～0.9pu，每隔 0.02pu，暂降持续时间为 0～90ms，每隔5ms设置一次测试暂降。记录在各次电压暂降作用下，光伏逆变器是否能够保持并网，如能保持并网，认为光伏逆变器能够穿越该电压暂降；如不能保持并网，则光伏逆变器不能穿越该电压暂降。

4 测试结果及分析

4.1 不同POW时的光伏逆变器电压耐受能力

分别设置 POW 为 0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°进行测试，得7条并网光伏逆变器的电压耐受曲线，如图5所示（测试中，POW均为波形起始点）。由图可知，在相同暂降幅值和持续时间下，不同波形点对应的光伏逆变器运行状态可能不同，证明了光伏逆变器对POW敏感。图5平面上任一个横纵坐标构成的点表示一次暂降事件，每条VTC曲线左上方的点表示光伏逆变器能保持并网，VTC右下方的点表示光伏逆变器不能保持并网。

图5 实验室测试得到的光伏逆变器电压耐受曲线

当POW在45°以下时，对于0.4pu以下的电压暂降，如果持续时间超过20ms，光伏逆变器将不能穿越而脱网；如果持续时间少于20 ms，光伏逆变器能穿越。但当POW高于45°时，对于幅值在0.4pu以下的电压暂降，光伏逆变器保持并网的时间降低到10ms，当暂降持续时间超过10ms时，光伏逆变器脱网。当电压暂降幅值在0～0.4 pu，持续时间 0～20 ms时，POW越小，光伏逆变器能承受的暂降持续时间越长，证明了对于光伏逆变器而言，刻画其电压暂降敏感特性的电压暂降应采用由电压暂降幅值、持续时间和POW构成的特征向量，并将该向量用作测试向量。

在图5中，对POW敏感的另一区段集中于暂降幅值0.4～0.6pu，暂降持续时间20～25ms的区域。在该区域内，POW为0°时（黑色曲线）比POW为90°时（红色曲线）能耐受更低幅值的电压暂降。换言之，在该区域，POW越小，光伏逆变器的电压暂降耐受能力更强。这证明了当暂降幅值在0.4～0.6pu时，需考虑POW的影响。由测试结果还可知，在本文的测试环境下，当暂降幅值在0.72 pu以上时，光伏逆变器完全具有耐受能力。

4.2 不同工况下的光伏逆变器电压耐受能力

由于光伏逆变器的电压暂降耐受能力受多方面因素影响，包括电压暂降特征、工作环境（阳光、温度）、所带负载等。因此，对光伏逆变器在不同的运行功率下受POW影响的情况进行测试。结果如图6、图7所示。

当阳光更充足，光伏逆变器工作在2.87kW（图7为2.58 kW）时，VTC如红色实线；蓝色虚线为阳光较弱时，光伏逆变器工作在0.61 kW（图7为0.84kW）时的VTC。除了红、蓝色线重合部分，蓝色虚线均在红色实线左上方，这证明当所带负载较轻时，光伏逆变器的电压暂降耐受能力更强。

4.3 考虑光伏逆变器电流的PIT曲线

图6 不同运行工况下的光伏逆变器电压耐受曲线（POW为15°）

图7 不同运行工况下的光伏逆变器电压耐受曲线（POW为75°）

因光伏逆变器配置了过流保护，其电压暂降耐受能力与逆变器工作状态有关。当逆变器电流达到保护定值时，逆变器将脱网。因此，光伏逆变器电流是度量其电压暂降耐受能力的重要物理参数，本文对其PIT曲线进行测试。

对光伏逆变器施加4次电压暂降V1～V4，暂降持续时间均为80ms、暂降幅值0.65pu。V1仅有暂降幅值和持续时间两个基本特征，V2有暂降幅值、持续时间、60°相位跳变3个暂降特征，V3有幅值、持续时间、90°POW 3个暂降特征，V4有幅值、持续时间、90°POW、60°相位跳变4个暂降特征，测试结果如图8所示。随着暂降发生，逆变器电流有效值上升，到大约17A时，过流保护启动，逆变器脱网。对应的PIT时间如图8横坐标的下方。可见，考虑不同暂降特征时，光伏逆变器的电压暂降耐受能力不同。证明了测试光伏逆变器电压暂降耐受能力时，需同时考虑物理参数和保护配置，并证明采用PIT刻画光伏逆变器的电压暂降耐受能力更符合实际。

图8 PV输出电流有效值

5 结束语

本文从敏感设备和过程的电压暂降耐受能力入手，研究了电压暂降耐受能力的刻画方法，并基于电压暂降特征向量对光伏逆变器的电压暂降耐受能力进行了测试，主要结论如下：

1）以光伏逆变器输出电流为物理参数，采用PIT法刻画光伏逆变器的电压暂降耐受能力，更符合实际。

2）在刻画光伏逆变器电压暂降耐受能力时，需同时考虑暂降幅值、持续时间和波形点等特征及逆变器工况等，采用电压暂降特征向量进行刻画和测试，能更全面地反映光伏逆变器的实际耐受能力。

3）考虑到光伏逆变本身配置的保护，并以受保护的物理参数所对应的PIT曲线作为评价电压暂降耐受能力，是值得更进一步深入研究的命题。

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