微型逆变器并网系统对电力线信道阻抗特性的影响

阮永宝，孙煜皓，李明，张莹，张子扬，高瑾，Gehan A. J. Amaratunga

(1．云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500；2．云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500；3．剑桥大学 电气工程系，英国 剑桥 CB3 0FA)

引 言

光伏发电在新型能源发展中占有越来越重要的地位，采用微型逆变器并网较集中式逆变器并网具有低压并网、独立最大功率点跟踪(MPPT)、模块化、小型化、组网灵活、安全性更好、发电效率更好、便于系统扩展等优点.随着智能电网的推广和普及，对于光伏发电系统的智能监控显得尤为重要，不仅可以保障系统安全稳定运行，还可以利用大数据分析全国乃至全球的光伏发电情况.实现微型逆变器光伏并网系统智能化的关键之一是通信技术的选择.相对于串口通信、光纤通信等通信方式而言，低压窄带电力线载波通信技术具有无须重新布设通信线、成本低廉、即插即用、可快速组网等优点，是微型逆变器光伏并网系统通信技术的理想解决方案.该技术将通信频率限制在3～500 kHz范围内，利用低压电力线作为通信媒介[1]，现已成为一种成熟的通讯方式.然而，电力线本身是设计用于传输工频电能的，通信环境并不理想，噪声干扰、阻抗变化等都直接影响着电力线载波通信的通信质量.微型逆变器采用低压220 V并网，这势必对电力线信道特性产生影响.

为了实现电力线载波通信在并网前和并网后传输效率都达到最大，必须研究微型逆变器并网对电力线信道阻抗特性的影响，这一研究是将电力线载波通信应用于微型逆变器并网系统的基础.国外对于电力线载波通信信道阻抗特性的研究较早，主要围绕测量手段、不同场景测量以及阻抗特性分析展开研究.近年，Antoniali M和Tonello A M测量了家庭电网中负载阻抗特性[2].Vitale G测量分析了智能电网中直流电网的电力线载波通信信道阻抗特性[3].国内起步较晚，主要追踪国外的研究.但是由于国内外电网属性的差异，国外的研究成果不能完全适用于国内.张有兵设计了阻抗测量终端，并对测量结果进行了建模分析[4].李家生等测量了低压电力线信道阻抗，并设计了匹配方法[5].张皓岚等测量分析了舰船电力线载波通信阻抗[6].从这些研究可以看出，没有统一精确的电力线载波通信信道阻抗测量方法，不同应用场景、不同地点的测量手段不同，且测量结果也不同.

虽然国内外已有大量对于电力线载波通信信道阻抗特性的研究，但是缺乏对于微型逆变器并网系统电力线载波通信信道阻抗特性的研究.本文基于电压比值法和矢量分析法设计了信道阻抗测量电路，实地测量分析了微型逆变器低压光伏并网系统(并网功率为500 W)并网前和并网后30～180 kHz频段内的电力线信道阻抗，并基于实测结果进行了信道阻抗建模分析.旨在研究微型逆变器并网系统对本地电力线信道特性的影响和微型逆变器并网系统的电力线信道阻抗特性.为微型逆变器光伏并网系统电力线载波通信信道阻抗匹配设计提供重要依据，为电力线载波通信技术应用于微型逆变器并网系统提供重要参考.

1 信道阻抗测量原理及电路设计

图1 测量原理示意图

Fig.1 The basic principle diagram of impedance measurement

图2 电压矢量图

(1)

|V1|2=|V2|2+|V3|2+2|V2||V3|cosθ

(2)

(3)

如果0≤θ≤900，则：

(4)

则负载电阻值Rload和负载电抗值Xload为：

Rload=|Zload|·cosθ

(5)

Xload=|Zload|·sinθ

(6)

在测量电力线的信道阻抗时，电力线即负载.但是，由于低压电力线传输220 V市电压，所以需要利用耦合变压器将测量电路与市电网隔离，用以保护测量电路元件.接入耦合变压器后，测量总负载就包括耦合器和电力线两部分，如图3所示.其中，耦合器的阻抗Rcoupler和Xcoupler是已知的，电力线的信道阻抗Rchannel、Xchannel可由测量的总阻抗Rtotal、Xtotal减去耦合器阻抗得出，即：

Rchannel=Rload-Rcoupler

(7)

Xchannel=Xtotal-Xcoupler

(8)

(9)

图3 负载结构示意图

图4为阻抗测量电路实物图，图5为低压电力线阻抗测量系统结构图.信号发生源产生30～180 kHz 峰值电压为5 V的交流信号，阻抗测量电路耦合低压电力线，利用示波器测量记录阻抗测量电路上的三个电压RMS值|V1|、|V2|、|V3|，代入式(1)～(3)，然后根据式(4)～(9)计算出电力线的阻抗Rchannel、Xchannel、Zchannel和阻抗模|Zchannel|.

图4 阻抗测量电路实物图

图5 阻抗测量系统结构图

2 实验测量及结果分析

2.1 信道特性测量系统介绍

信道阻抗特性测量系统结构如图6所示，单块电池板额定功率为200 W，逆变器的最大输出功率为250 W，实验时共采用4个微型并网组件(一个组件包括一个电池板和一个逆变器)，每个微型并网组件通过一个开关S连接电力线，切换开关S可以增减并网的电池组件数量，从而得到不同的并网发电功率.

图6 信道阻抗测量系统结构图

2.2 阻抗特性测量方法、结果及分析

信道阻抗特性测量电路及系统结构已经在图5、图6中指出.根据当地(云南昆明)11月份太阳辐照条件，四个组件的并网功率最易控制在400～700 W之间，所以将实际并网功率为500 W左右的微型逆变器光伏并网系统作为研究对象.首先，断开所有开关S，测量光伏系统并网前电力线信道的阻抗特性一次性值，然后通过开关S1、S2、S3和S4控制总并网功率为500 W左右，待系统并网稳定后测量其并网后电力线信道阻抗特性一次性值,测量频率范围为30～180 kHz.根据本地光伏并网系统实际可发电时间，实验选择了一天之内的五个时间点进行测量，分别为8∶00，10∶00，12∶00，14∶00，16∶00.图7(a)为微型逆变器并网系统并网前不同时间点测得的电力线电阻一次性值，图7(b)为微型逆变器并网系统并网后不同时间点测得的电力线电阻一次性值.将五次测量数据统计平均后得到图7(c)微型逆变器并网系统并网前和并网后电力线电阻值的统计平均值.

图7(a) 并网前不同时间点电力线电阻一次性值

图7(b) 并网后不同时间点电力线电阻一次性值

Fig.7(b) PLC channel resistance in different time after grid-connecting

图7(c) 并网前和并网后电力线电阻统计平均值

Fig.7(c) Statistical averages of PLC channel resist-ance before and after grid-connecting

图7(a)、7(b)反映电力线电阻特性受时间影响很小，这主要是因为该测量系统选择的C相电力线在本实验楼负载极少且光伏并网系统运行稳定.从而可更清晰地反映微型逆变器并网系统对电力线信道电阻特性的影响.从图7(c)可以看出微型逆变器光伏系统并网前和并网后电力线信道电阻特性存在一定的差异，主要表现在并网功率为500 W时，在30～180 kHz频段内，并网后电力线信道电阻值比并网前本地电力线信道电阻值减小2～10欧姆左右.为了使电力线载波通信信号传输效率最大，在电力线载波通信信道阻抗匹配设计时，要根据微型逆变器并网系统并网前和并网后电力线电阻的变化调节相适应匹配电阻值.

以下是实验测得的电抗特性结果：图8(a)为微型逆变器并网系统并网前不同时间点测得的电力线电抗一次性值，图8(b)为微型逆变器并网系统并网后不同时间点测得的电力线电抗一次性值.将五次测量数据统计平均后得到图8(c)微型逆变器并网系统并网前和并网后后电力线电抗值的统计平均值.

图8(a) 并网前不同时间点电力线电抗一次性值

图8(b) 并网后不同时间点电力线电抗一次性值

图8(c) 并网前和并网后电力线电抗统计平均值

图8(a)、8(b)说明时间对电力线电抗特性影响很小，从而排除时间因素对电力线信道阻抗特性的影响.从图8(c)可以看出微型逆变器并网系统并网前和并网后电抗特性变化明显，主要表现在并网功率为500 W时，30～180 kHz频段内，微型逆变器并网系统并网前和并网后电力线信道呈感性，且并网后感抗值较并网前减小2～5 Ω左右.在光伏并网系统电力线载波通信阻抗匹配设计时，需要调节匹配电容值.

图9为微型逆变器并网系统并网前与并网后电力线阻抗模值的统计平均值比较.从图9中可以看出并网功率为500 W时，30～180 kHz频段内低压光伏系统并网后电力线信道阻抗模比并网前小0～5 Ω左右.

综上所述，在低压光伏并网系统电力线载波通信阻抗匹配设计中，需要考虑光伏系统并网前和并网后电力线信道阻抗特性的变化.根据此变化，选择相应的匹配电阻和电容，从而获得最大的信号发射和接受功率，提高信号传输效率.

图9 并网前和并网后电力线阻抗模统计平均值

3 微型逆变器并网系统低压电力线通信阻抗特性模型

根据阻抗测量得到的阻抗模曲线(如图9)，采用最小二乘法曲线拟合可以得到微型逆变器光伏并网系统并网前和并网后电力线载波通信信道阻抗特性模型.

低压光伏系统并网前阻抗特性模型：

|Zchannel|=4.421 23×10-9×f5-2.251 28×10-6×f4+4.198 74×10-4×f3-0.034 936×f2+1.333 61×f-11.149 177

低压光伏系统并网后阻抗特性模型：

|Zchannel|=-4.384 2×10-10×f5-5.694 07×10-8×f4+2.663 6×10-5×f3-0.006 110 48×f2+0.459 929×f-6.348 168 49

图10 实测阻抗模与曲线拟合的比较

图10给出了微型逆变器并网系统阻抗特性模型与实测数据比较.从图中可以看出，最小二乘法曲线拟合能较好地反映阻抗特性，用该模型可简化该系统的阻抗特性分析和阻抗匹配设计.

4 结 论

基于比值法和电压矢量法设计了30～180 kHz频段信道阻抗测量电路，实地测量分析了总并网功率为500 W的微型逆变器光伏并网系统并网前后电力线载波通信信道阻抗特性，根据实测结果建立了微型逆变器并网系统阻抗特性模型.结果表明：微型逆变器并网系统对本地电力线载波通信信道阻抗特性产生影响，主要表现在：总并网功率为500 W时，在30～180 kHz频段内，与微型逆变器并网系统并网前相比，并网后信道电阻值减小了2～10 Ω左右，感抗值减小了2～5 Ω左右，阻抗模值减小了5 Ω左右.为了实现微型逆变器并网系统中低压电力线载波通信传输效率最大化，必须根据微型逆变器并网前和并网后低压电力线信道阻抗特性的变化选择相适应的信道阻抗匹配电阻和电容值.此研究可为微型逆变器并网系统中低压电力线载波通信的设计和优化提供参考.

[1] 赖征田．电力线载波信道特性研究及仿真[J]．电力系统通信，2010，31(10)：1-6．

[2] ANTONIALI M，TONELLO A M．Measurement and characterization of load impedances in home power line grids[J]．IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement，2014，5(5)：548-556．

[3]VITALE G．Characterization of a DC grid for power line communication in smart grids[J]．2014 IEEE 15th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics(COMPEL)，2014，22-25(7)：1-10．

[4] 张有兵，程时杰，何海波，等．低压电力线高频载波通信信道的建模研究[J]．电力系统自动化，2002，26(23)：62-66．

[5] 李家生，刘大茂，孙旭飞．低压电力线信道阻抗测量与匹配[J]．现代电子技术，2011，34(7)：161-163．

[6] 张皓岚，贺慧英，陈涛，等．舰船电力载波通信的阻抗匹配设计[J]．电力系统保护与控制，2014，42(2)：104-110．