一种实用的光伏逆变器高电压穿越方案

周 成 ，江宏玲，戴新荣，谢 芳

（1.安徽国际商务职业学院，安徽合肥231131；2.安徽省·淮委水利科学研究院，安徽合肥230088；3.安徽大学工业节电与电能质量控制协同创新中心，安徽合肥230601）

大容量光伏逆变器在并网运行过程中，电网电压易因大负载离网、单相接地、无功补偿装置投切以及并网故障恢复等原因而骤升。电网电压骤升易使能量由网侧向机侧倒灌、逆变器脱离线性工作区进入过调制工作区运行，这使得系统控制裕度下降，易触发系统过压和过流保护致使逆变器脱网，从而对大电网造成恶劣影响。因此，并网导则标准要求并网设备能够在电网电压骤升的情况下正常并网运行一段时间，即具备高电压穿越（HVRT）能力，穿越这个高压时间区域直到电网恢复正常[1-6]。因为光伏并网逆变器的高电压穿越技术暂无明确的标准，本文以电网电压暂升1.3 pu，持续时间1 s的标准分析和实现高电压穿越，然后给出一种抬高直流电压的方法来抑制过调制问题。

1 高电压穿越期间的过调制问题

电网电压骤升所导致的过调制问题是高电压穿越所需解决的核心问题。因此，必须在电网电压骤升期间，先对过调制进行判断以避免逆变器处于失控状态[7-8]。实现高电压穿越一方面可以提高系统硬件如接触器与控制电源等关键设备的耐压上限，使电网电压骤升至1.3 pu期间这些器件仍能正常工作，并维持系统正常并网运行一段时间（1 s）。另一方面可通过软件控制算法来实现高电压穿越，依据控制器实时监测得到的电网电压骤升幅度和直流电压的大小来判断是否出现过调制。当出现过调制时启动高电压穿越功能，控制输出电流并通过抬升直流电压来抑制过调制从而实现高电压穿越。当控制器监测到电网恢复正常后，系统切换到正常并网运行状态。通过分析两电平SVPWM过调制区域，得出电网电压暂升幅度、直流电压以及调制比之间的关系，最后给出解决高电压穿越过程中出现的过调制抑制方法。

1.1 SVPWM过调制区域划分

图1所示为两电平逆变器的SVPWM控制扇区矢量图，连接6个非零矢量的顶点可将其分成6个扇区，任意给定电压矢量Vf可由6个非零矢量合成得到[9-10]。作正六边形的内切圆和外接圆记为r1和r2，如图1所示。

图1 过调制区域划分

由傅立叶分析可得输出的相电压uAN的各次谐波分量。设调制比为m，则Vf、uAN、m可分别表示为：

(1)式中，Ts为开关周期，t0为零向量作用时间，uAN为A相电压，其基波分量的峰值um为2VDC/π，VDC为直流电压，n为奇数（n＞1且不为3的倍数）。设uom是经过调制得到波形的基波峰值，则可由调制比m的大小将矢量空间划分成图1所示的线性调制区、过调制1、2区。

(1)线性调制区

当Vf在内切圆r1上及以内运动时为线性调制区。Vf在内切圆r1上时，电压基波幅值uom达到临界最大值：

联合(1)、(2)式可得此区内的最大调制比

由(3)式可得，当m≤0.91时，系统工作于线性调制区域，此时控制算法无需调整。

(2)过调制区

文献[9]中对过调制区时调制比m的计算做了详细的阐述。当Vf在r1和r2之间运动时，系统处于过调制1区，此时计算得到的调制比m位于区间(0.91,0.95]中；当Vf在r2之外运动时，系统处于过调制2区，计算得到的调制比m位于区间(0.95,1]中，此时Vf幅值虽然大于uom，但实际输出的基波仍然在正六边形内。当系统处于过调制区时，控制算法需做调整。

1.2 电网电压暂升幅度与调制区域关系

为便于分析，令电网电压变化因子σ＞1时为电网电压骤升并在忽略滤波电感上的压降的前提下假设骤升期间VDC不变，稳态时电网电压峰值为uom，则线性调制区域下调制比与骤升幅度关系为

取VDC为460 V，uom为220.2 V，σ最大为1.3，绘制出m(σ)曲线如图2所示。

图2 m(σ)函数

图2 中m(σ)曲线表明，在暂升幅度σ=1.17时调制比m≈0.91，此时已达线性调制区域的临界点，即当暂升幅度σ＞1.17时，便会出现过调制。当系统出现过调制时，若控制算法不做处理，可能导致系统可控裕度下降、逆变器脱网。为了说明抬升直流电压对过调制抑制的效果，结合(3)式绘制调制比m与暂升幅度σ、直流电压VDC的三维曲面图，如图3所示。

图3 m、σ与VDC的三维曲面

图3 中，m(σ)=0.91为线性调制区临界曲面。直流电压VDC越大，则调制比m越小，当直流电压大于某值时，m(σ,VDC)曲面位于m(σ)=0.91曲面下方，整个系统处于线性调制区域。

2 高电压穿越期间的过调制抑制

通过对图3的分析可知，如果系统在高电压穿越期间出现过调制，则可以通过抬升直流电压的方法来抑制，使系统在线性调制区内并网运行。令正常并网运行时直流电压为V1，依据骤升幅度折算得到的直流电压为Vα，直流开路电压为Vo。直流电压抬升函数ΔVf为

(5)式中，ΔVf为电压基准抬升的幅度，ΔV2为设定的固定补偿值（用来提高电压抬升的裕量）。当Vα＜V1时，表明系统未出现过调制，可正常并网运行，当V1＜ Vα≤ Vo时，计算得出的ΔVf为系统过调制区域的临界值。实现高电压穿越功能的控制流程如图4所示。

由图4可知，控制器监测电网电压并按照（5）式计算出直流电压抬升幅度ΔVf，当处于过调制时，将ΔVf叠加到当前电压环基准电压Vf上，从而得到高电压穿越期间的电压环基准电压，待电网恢复后系统转入正常并网。

图4 高电压穿越控制流程图

3 实验结果与结论

根据以上分析，为验证抬升直流电压抑制过调制的高电压穿越方案的实际效果，依据图4所示原理，搭建了高电压穿越实验平台（图5），其中，被测光伏逆变器的额定功率为36 kW，额定电流为54A，分压电抗器的额定功率为22 kW，额定电流为45 A，电感量为0.16 mH。图6所示为高电压穿越实验波形，实验通过切除正常并网时的分压电抗器实现电网电压的骤升。

图5 高电压穿越实验平台

图6 抬升直流电压后的高电压穿越波形

由图6可知，当切除正常并网的分压电抗器时电网电压发生骤升（约1.3 pu），从而导致系统出现过调制情况。此时通过抬升直流侧电压的高电压穿越方案可有效抑制过调制，系统维持正常并网运行（约1 s），实现了高电压穿越并在1 s后电网恢复正常后退出穿越切换到正常并网运行状态。

当电网电压骤升导致光伏系统工作于过调制区时，为有效抑制过调制实现满足技术指标的可靠高电压穿越，可在判断、计算过调制情况的前提下通过抬升直流侧电压来实现。通过对高电压穿越技术在光伏并网逆变器中的应用及实现的研究可知：为了满足高电压穿越要求，硬件上主要考虑关键器件的耐压问题，软件上采用SVPWM控制时，线性调制区域位于正六边形内切圆内；在高电压穿越期间，需要综合电网电压暂升幅度和直流电压大小来判断是否出现过调制，从而决定在高电压穿越过程中是否需要抬升直流电压。

[1]丁明,王伟胜,王秀丽,等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报,2014,34(1):2-14.

[2]李俊杰,蒋昆,刘国平,等.采用串联网侧变换器的双馈风电系统高电压穿越控制策略[J].电网技术,2014,38(11):3037-3044.

[3]谢震,张兴,宋海华,等.电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略[J].电力系统自动化,2012,36(3):39-46.

[4]谢震,张兴,杨淑英,等.基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(27):16-23.

[5]喻俊鹏,黄峰一,胡斌.全功率风电系统高电压穿越的仿真与实验研究[J].电源学报,2016,14(5):145-149.

[6]鲍薇,胡学浩,何国庆,等.分布式电源并网标准研究[J].电网技术,2012,36(11):46-52.

[7]郑重,耿华,杨耕.新能源发电系统并网逆变器的高电压穿越控制策略[J].中国电机工程学报,2015,35(6):1463-1472.

[8]郑晓杰.三相并网逆变器高电压穿越控制研究[D].燕山大学，2016.

[9]全恒立,张钢,陈杰,等.一种SVPWM过调制算法的数字化实现[J].电气传动,2010,40(5):44-48.

[10]黄欣科,王环,王一波,等.光伏发电系统并网点电压升高调整原理及策略[J].电力系统自动化,2014,38(03):112-117.