刘志刚，闫飞朝，陈 焕

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

1 概述

随着全球能源危机和环境恶化的日益严重，光伏发电这种可再生能源并网技术越来越受到关注。光伏逆变器作为光伏发电系统的核心设备，负责将光伏阵列产生的直流电转换为交流电。逆变器启机、停机常采用交流断路器作为控制装置。

断路器控制逆变器直接起动时电流可达额定电流值2～3倍，如此大的启动电流对电网会造成严重的冲击，引起电压降落，降低电网的电能质量。此外，断路器每日进行启、停机动作，长期运行易发生螺丝松动、触头磨损和传动机构异常等多种机械故障，影响逆变器稳定运行。国内外数据研究表明，机械故障是断路器故障的主要原因。国际大电网会议(CIGRE)对断路器可行性所做的统计发现，80%的断路器故障是因为机械机构特性不良导致的，而且大多数故障是由于操作机构异常造成的。

随着电力电子技术的发展，采用晶闸管为主电路元件，单片机控制的软启动器已经大量应用。晶闸管是由PNPN四层半导体构成的元件，有阳极A、阴极K和控制级G三个电极，它能在电路中实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，而且动作快、寿命长、可靠性好。本文提出了一种光伏逆变器的软启动技术，所述系统包括采集单元、逻辑单元及执行单元的结构。逻辑单元接收从采集单元传来的电压信号，然后将该电信号与比较电压进行比较，当满足启机条件后向执行单元发送指令控制晶闸管分闸。

2 常用断路器启动技术分析

光伏逆变器的拓扑结构见图1。主要系统可以分为DC/DC 升压电路和三相逆变桥两级。前一级为DC/DC升压电路，主要是由绝缘栅双极型晶体管IGBT、二级管、电感和电容组成，主要完成直流电压的调整和最大功率点的跟踪(MPPT)，以保证在光照和温度变化时能够输出最大的有功功率。后一级为三相逆变桥电路，主要是由6个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的DC/AC变换器，其主要功能是将直流电转换成交流电，并完成并网电流与电网电压同频同相、低电压穿越和防孤岛效应等。首、末端的滤波器可实现谐波抑制，提高电能质量。

图1 光伏逆变器的拓扑结构

交流断路器利用线圈中通过电流时，电磁铁内产生磁通，铁心由于受到电场力的作用，实现主电路合闸和分闸。

某大型地面光伏电站的光伏逆变器设定日出时间和日落时间分别为5:27和18:36。当光伏逆变器满足图2中所列的条件时，交流断路器闭合，逆变器启动。

图2 光伏逆变器启机条件

由于逆变器启动时会产生较大的冲击电流，对供电的网侧电压产生较大的电压闪变，同时由于启动应力较大，对电气设备产生冲击，使逆变器的使用寿命降低。大型地面光伏电站要求电气设备使用寿命达到25年。断路器每日启停，全寿命期间断路器通断次数超过18000次。另外，断路器在长期高频率使用过程中容易出现螺丝松动、触头磨损等机械故障，进而造成逆变器停运，影响光伏电站发电量。

3 晶闸管软启动技术原理

晶闸管软启动技术是采用三相反并联晶闸管作为调压装置，将其接入滤波器端子侧和电网。主要电路是三相全控电路，拓扑结构见图3。

图3 基于晶闸管软启动技术的光伏逆变器的拓扑结构

光伏并网逆变器软启动技术采用三相反并联晶闸管作为调压装置，将其接入滤波器端子侧和电网。该启动技术采用晶闸管与交流主接触器配合使用，能够降低晶闸管的损耗和提高逆变器的工作效率，同时降低电网谐波污染。软启动技术同时具备软停机功能，软停机与软启动过程相反。

3.1 晶闸管工作原理

晶闸管的结构和电气符号见图4。晶闸管是一个四层半导体材料(P1N1P2N2)构成的器件，在每两层不同的材料分界面上都形成PN结，共形成3个PN结(J1J2J3)。晶闸管有三个引出端，其中A(Anode，阳极)、K(Cathode，阴极)是功率引出端，G(Gate，门极)是控制引出端。N1层和P1层是轻微掺杂的，PN结J1有很大的宽度来承载高电压。当器件加上反向电压时，PN结J1将承载大部分电压。如果门极不触发，当器件加上正向电压时，PN结J2承载大部分电压。

图4 晶闸管的结构及电气符号

当晶闸管的门极不加控制信号时，晶闸管的四层结构中3个PN结都处在反电压作用下，晶闸管呈阻断状态；当门极有触发信号(IG＞0)时，正向转折电压随IG的增大而下降，阳极电流逐渐增大，直至晶闸管进入导通状态，此时去掉门极信号，晶闸管仍能维持导通状态不变。

3.2 晶闸管软启动技术分析

为了论证晶闸管等元件启机技术的合理性，本文以某相电压为例详细分析软启动技术输出电压特性，其调压电路中对应的相电压见图5。其中U为滤波器侧的输出电压，α为触发角，φ为续流角，θ是导通角。

图5 某相调压电路相电压波形图

由图5可知，导通θ、触发角α和续流角φ之间的函数关系式为：

设电压U的表达式为：

1)公交刷卡乘客上车站点识别包含2个模型，基于IC卡刷卡时间识别(模型2)相较于基于GPS时间识别(模型1)存在明显缺陷，部分站点缺乏刷卡数据或部分乘客刷卡时公交车辆已经驶离站点，这些缺陷会导致下车站点无法识别或识别错误. 并且利用实际数据试算时发现采用模型2识别，站点序号基本对应不上，而模型1站点识别率高达98.31%，所以最终选取模型1为识别模型.

晶闸管输出电压有效值UL表达式为：

式(3)化简为：

由式(4)可知，触发角α越小，晶闸管的输出电压越大。而且，输出电压与触发角之间存在连续函数的关系表达式。对于恒定的负载而言，续流角φ是常量，只要改变晶闸管触发角 的大小就可以改变晶闸管的输出电压，实现逆变器的输出电压按照预定规律变化的要求。

3.3 软启动硬件系统分析

软启动技术硬件包括采集单元、逻辑单元和执行单元。采集单元顾名思义就是在一次系统上增加测点，采集晶闸管上、下游电压。为了便于分析，本文用U1、U2表示晶闸管上、下游的电压量。从图6可以看出，VSM1、VSM2分别测量晶闸管上游电压U1、下游电压U2，VSM测量的电压量通过信号线传递给逆变器的CPU单元，二次电源供给VSM用电，GND代表保护接地。

图6 采集单元电路连接图

VSM模块用于采集交流电压信号的实现电路较多，其一原理见图7。电路串联分压电路、滤波电路、电压跟随器、光电耦合器和稳压管。Uac为待检测交流电压，霍尔电压传感器采集到的电压信号经过分压电路使电压限制在合适的范围；RC滤波器滤除采集信号中的噪声；电压跟随器可以确保输出信号不受输入电路的电阻的干扰，起到防止电压冲击的作用；光电耦合器有效地实现阻断电路之间的电联系，而且不切断他们之间的信号传递，隔离性能好，不受电磁波干扰，工作稳定可靠；稳压管将输出电压Upot限制在一定范围，起到保护电路的作用。

图7 VSM模块的原理

逻辑单元是用来比较电压U1和U2的大小。当满足表达式 (为某一数值)时，满足软启动的电压启机条件。逻辑单元采用运算放大器(简称“运放”)和比较器、电阻R等元件集成，其电路图见图8。

图8 逻辑单元的电路图

图8所示，运算放大器A工作在线性区，输入信号为晶闸管上、下游电压U1和U2，输出的电压Ua。窗口比较器由两个比较器并联组成，并联的两个比较器工作在非线性区域，输出信号只有高电平和低电平，窗口比较器分别接入ε、－ε和Ua。当信号Ua大于ε时，比较器A1的输出电压U01=UOH，比较器A2的输出电压U02=－UOH。使得二极管D1导通，D2截止，输出电压Ub=UOH；当信号－ε＜Ua＜ε时，比较器A1的输出电压U01=－UOH，比较器A2的输出电压U02=－UOH。使得二极管D1和D2截止，输出电压Ub=0；信号Ua小于－ε时，比较器A1的输出电压U01=－UOH，比较器A2的输出电压U02=UOH。使得二极管D1截止，D2导通，输出电压Ub=UOH其特性曲线见图9。当电压Ua位于门限电压之间，即满足：－ε＜Ua＜ε时，输出低电平，满足启机条件。当电压U不在门限电位范围之间时，即：Ua＞ε或Ua＜－ε，输出为高电平，不满足启机条件。

图9 窗口比较器的特性曲线

所述逻辑单元还包括三极管T1。三极管T1的基极接入窗口比较器的输出端，集电极通过电阻R7和二极管D3与基极电连接，发射极接地。当窗口比较器的电压高于硬件的工作电压时，三极管T1导通，起到保护电路的作用。

执行单元通过图10和图11所示的系统实现。逆变器CPU与软启动模块通过端子连接。端子分别对应控制系统实现的软启动状态或动作的功能，表1为端子功能表。器件的分合闸动作是通过控制继电器完成。

图10 逆变器CPU控制系统

图11 软启动模块控制系统

表1 端子功能

使用晶闸管启动逆变器时，待检测到晶闸管交流侧与网侧电压同频、同相时，光伏逆变器CPU发出指令002到继电器J1；继电器J1接收到指令后动作，使控制开关闭合，A1所在回路导通，晶闸管启动；晶闸管的输出电压逐渐增加，直到晶闸管全导通。为了降低晶闸管的损耗，待逆变器工作在额定电压后，CPU分别发指令003、005到继电器J2、继电器J3，从而继电器J2控制晶闸管断开，继电器J3控制交流主接触器闭合，完成光伏逆变器的软启动过程。

软启动技术是通过控制晶闸管的导通角，使逆变器输出电压从零以预定值逐渐增加，直至启动完成。与直接启动相比，软启动具有如下优点：启动电流小，对电网冲击小，提高了供电质量和设备使用寿命；设备省掉断路器，与箱式变电站配合使用，满足保护的选择特性；节省了设备的占用空间，实现了设备的集成化发展。

4 结论

针对目前常用的断路器控制光伏逆变器启动技术，本文提出了采用晶闸管软启动技术，能够减小逆变器的启动冲击电流，减小对电网的冲击，并且提高了系统工作的稳定性和可靠性，有明显的技术优势。随着国内新能源技术的发展，将会有力地推进晶闸管软启动技术在光伏逆变器领域的应用。