浅谈逆变器早期故障判断与优化控制策略

浅谈逆变器早期故障判断与优化控制策略

李松德

山东汇成电力工程有限公司 山东省泰安市 271000

摘要：在新能源技术大力发展的背景下，绿色发电理念被推上了历史舞台，逆变器作为清洁能源与电能之间转换的核心，其早期故障排查判断与优化控制策略是必须要考虑的问题，本文采用键合图理论与GARRs系统对逆变器故障进行早期排查；用虚拟阻抗算法对逆变器进行优化控制，大大提高了有源逆变时的效率与稳定性。

关键词:逆变器；早期故障排查；键合图理论；虚拟阻抗；优化控制

引言：

随着世界工业化体系的不断完善，电力行业成为了工业发展必不可少的基石产业，电力行业发展的兴衰事关人类文明进步的生命线。但是工业体系快速发展的同时，也带来了许多严峻的环境问题。诸如石油煤炭资源匮乏，全球变暖，雾霾严重等。为了地球家园的绿色健康，能源行业也开始进行可持续发展战略的落实，推行绿色兴能源技术。并网逆变器作为新能源发电系统与电网运行之间的核心部件，成为了影响能源转换效率与电网并网稳定运行的重要指标。并网逆变器虽然比较灵活，可控性也比较强，但是其组成部分多是电力电子元件，在元器件工作时会产生谐振，受到谐波的影响。

在电力运行中，出于职能要求，并网逆变器需要进行快速切换。并网逆变的场所工作环境常常比较恶劣，遇到强风暴雨或者雷暴等恶劣天气时，对并网逆变器的损害是很大的。因此，研究并网逆变器的早期故障判断方法与优化并网逆变器的控制策略，便显得尤为重要。对并网逆变器进行早期故障判断，可以有效减少电网运行的故障事件，再造成电力故障连锁反应前解决故障点处问题，尽可能地避免大面积停电事故的发生。通过对逆变器进行优化控制，减少谐波对电力电子器件的影响，从而提高逆变器并网时的稳定性。

1. 并网逆变器介绍

并网逆变器一般根据发电系统的不同，适用于光伏发电、风力发电、动力设备发电和其他发电设备发电等。并网逆变器的可以有效提高系统的稳定性与效率，并且其建设成本也不太高昂。较大功率的并网逆变器使用三相的绝缘栅双极型晶体管模块，功率较小的使用场效应晶体管。另外使用数字信号处理技术， 来提高所产出电能的品质，使其接近于正弦波电流。

逆变器按照换流方式可以分为器件换流型逆变器、电网换流型逆变器与负载换流型逆变器。其中，器件换流型逆变器又包含全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transisitor, IGBT)、金属 氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transisitor, MOSFET)与绝缘门极换流晶闸管(Insulated Gate Commutated Thyristor, IGCT)等。

电网换流型逆变器依靠电网的负电压来控制器件的关断，优点是无需开关器件具有自关断能力，而弊病也是显然的，需要接入电网。负载换流型逆变器的特征是当负载为电容性时，在自然交换点依靠负载协助换流。 强迫换流型逆变器增加了特殊的换流电路来提供关断电压。 它又细分为直接耦合式强迫换流与电感耦合式强迫换流，在这里不做过多讨论。

逆变器按直流侧电源性质分类，又分为电压型逆变电路与电流型逆变电路，二者一个是低阻抗电路，一个是高阻抗电路。前者因为直流侧所连接的电压源起到了钳位的效果，所以导致交流电压波形为矩形波，并且交流电压自身特性随着负载变化而变化。后者因为电感的作用抵制了无功功率，直流电流便不会再反向流动，减轻了增加二极管进行关断的负担。

电流型逆变电路：又称之为电流源型逆变电路(Current Source Inverter, CSI),直流回路 特性为按相数分类，又分为单相逆变器与三相逆变器。前者比较适合用在小容量直流变交流电路里例如小型光伏电池阵列发电，燃料电池发电等。后者则主要适用于大型发电系统。

2. 早期故障判断方法

逆变器常工作于较高的电压与频率下，外在环境也比较恶劣。经常会出现测量标称值偏移的情况。本文通过GARRs信息与键合图理论对故障进行分析判断。键合图理论是借助能量守恒原理对机械，电气，液压，气动等指标进行建模的仿真方法。键合图元和键共同组成了键合图系统。键合图元是由容性元件、惯性元件、耗能元件、势源、流源、调制器(MTF),回转器(GY)以及连接图元的共流节点组成的，键则用来表现键合图元连线间的功率流动情况。

GARRs是一种反映故障的残差值系统。借助系统的自组织，可以保持系统的稳定性,此方法将实际情况的数据与所建立的故障模型的系统输出比较，计算出系统的残差，用来反映故障信息。其一般表达式是这样的：

当残差计算数值为零或近似零值时，元件无参数性故障；当残差值偏离零值时，证明元件出现了故障。最后，利用具有参数及模式信息的GARRs的计算，导出表征故障与残差关系的矩阵,接着提取故障特征，对此特征进行检测。

3. 并网逆变器控制优化策略

一般来讲，并网逆变器的控制策略有这样几种方法： 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术，滞环调制技术以及脉冲密度调制(Pulse Density Moudulation, PDW)技术。

PWM调制配备有微电子处理器，此技术是电力电子中最广泛使用的，实现较为容易，通过调整高低电平的占空比来实现。目前经常釆用基于载波的调制或空间矢量调制(Space Vector Modulation, SVM)技术来实现并网逆变器的控制，尤其是光伏发电系统中，此技术可以有效的减少开关高频使用的损耗，还可以消除部分谐波，增强电网运行的系统稳定性。

滞环调节技术工作原理比较简单，在滞环调节中经常会岀现较宽的谐波频谱。另外，得出的电力误差也比较大，输出电能质量比较差。而通过上述分析得出并网逆变器的输出电流需要保证一定的质量与标准，因此该方法并不太适合并网逆变器的调制中。PDM主要还是用于高频(150kHz)变换器。

逆变器的控制策略必须满足上述分析不同工作模式下的系统需求。在并网模式下，对功率角的控制策略，通常采用坐标系旋转变换公式（d-q坐标变换）的方法来实现。另外还有一种方式进行系统控制，那就是直接电流控制系统，通过直接反馈交流滤波侧来输出电流，只是此种方法釆用简单的数字控制控制器，较高的外环增益以及抗干扰能力都难以实现。此时可以采用谐振控制器，比例谐振控制器，虚拟电感技术进行弥补。

在选择了逆变器合理的工作模式以后，需要对谐波进行衰减处理。本文采用了虚拟阻抗来模拟接口阻抗，实现对并网逆变器的控制。在电压型逆变器控制中，输入信号采用电流输入，获得虚拟阻抗z轴上的压降，将逆变器的输出电压变为原输出电压减去虚拟阻抗值与输出电流的乘积。

假设逆变器的实际输出电压中没有谐波，就可以用虚拟阻抗代替实际接口阻抗来产生压降。用逆变器的输出电压减去虚拟阻抗上的压降，生成新的输出电压，并将该电压作为传感点电压。

实际上，逆变器受PWM控制信号驱动是一定会产生大量谐波的。由于逆变器电压的基波分量作为PWM 模块的输入量，便将输入信号当作传感电压，直接反馈到控制系统中。通过该控制方案，可以移除接口阻抗和电压传感器，大大减少逆变器产生的谐波，增强并网运行时系统的稳定性。

参考文献：

1. 王雨阳.具有有源滤波功能的光伏并网逆变器研究[C].陕西理工大学,2021.

2. 邵祥.基于并网逆变器的微电网电能质量治理研究[C].南京邮电大学,2020.

3. 陈林峰.LCL型并网逆变器自抗扰电流控制研究[C].湖南师范大学,2020.