光伏并網(wǎng)逆變器與模擬電網(wǎng)波動的影響分析

胡月笛，肖增弘，鞠振河，潘 嵩，李 麗

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.能源與動力學(xué)院；c.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

光伏并網(wǎng)逆變器作為連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要承擔(dān)著光伏陣列的MPPT控制與向電網(wǎng)注入單位功率因數(shù)的正弦交流電能兩大任務(wù)。其必須具備效率高、安全可靠性強(qiáng)、壽命長且成本低的特點(diǎn)?，F(xiàn)代光伏電站的發(fā)展離不開光伏并網(wǎng)逆變器，想要實(shí)現(xiàn)利益最大化，要盡可能地降低各種因素對設(shè)備造成的影響，以避免逆變器的不穩(wěn)定輸出。因此，通過模擬實(shí)驗(yàn)，分析電網(wǎng)波動會對并網(wǎng)逆變器造成怎樣的影響，以及哪些波動會影響并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性。無論是在光伏并網(wǎng)逆變器的生產(chǎn)改進(jìn)方面和還是在避免波動的影響方面都有很大的益處。

1 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

1.1 前級電路的工作原理

圖1 升壓斬波電路

圖1為升壓斬波電路的原理圖。該電路的作用是將電壓E1升壓到E2。其中，E1是光伏陣列的輸出電壓，E2是升壓斬波電路的輸出電壓。當(dāng)開關(guān)S打開時，電感L上積蓄電能；當(dāng)S閉合時，電感中積累了一定的電壓，這時可將電感看作是電源，進(jìn)行電能輸送，傳遞到負(fù)載端。假設(shè)電感L充分大，流經(jīng)電感L的電流值恒定為I1。當(dāng)S導(dǎo)通時，假設(shè)S的傳導(dǎo)時間是ton，電感L中積累的電能為E1I1ton；當(dāng)閉合開關(guān)S后，假設(shè)電容C足夠大，輸出電壓為一個恒定值，開關(guān)S的關(guān)閉時間是toff，然后釋放到負(fù)載的能量是(E2-E1)I1toff。在穩(wěn)態(tài)情況下，必須使電感中所積累的電能與負(fù)載端所接收的電能相等，所以有：式中，由于Ttoff恒大于1，所以輸出電壓必然高于輸入電壓，即升壓斬波電路能夠提高輸入電壓的大小。

1.2 后級電路工作原理

圖2 后級電路原理

圖2為后級電路的原理圖。主電路圖是以絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）為主開關(guān)器件的單相全橋逆變器，其中LN是交流輸出電感，Cd為前級電路中的輸出電容，也稱為直流側(cè)支撐電容，S1～S4是主開關(guān)管IGBT，通過對4個開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿}寬控制，就可以將輸出電流IN(t)調(diào)節(jié)為正弦波，并且與網(wǎng)壓UN(t)保持同相位，目的是為了使輸出功率因數(shù)為l。因?yàn)楹蠹夒娐肥怯?個橋臂并聯(lián)構(gòu)成的，這樣的橋式拓?fù)淙詫儆谏龎菏浇Y(jié)構(gòu)。在啟動之前，必須滿足直流側(cè)濾波電容預(yù)先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值，在運(yùn)行過程中，要保證直流側(cè)的電壓不低于電網(wǎng)電壓的峰值，才能使電感電流按照給定的波形和相位得以控制。

2 逆變器測試平臺實(shí)驗(yàn)

2.1 逆變器的選型

如圖3為GTI300W 10.5-30VDC220VDC型光伏逆變器。該逆變器具有精準(zhǔn)的APL功能和MPPT功能，可以自動調(diào)節(jié)太陽能電池板的功率達(dá)到最大輸出。在交流電源的0角相隔離和放大后，將其輸入到單片機(jī)進(jìn)行高精度的檢測和分析。其位移率小于1%，從而實(shí)現(xiàn)高精度、同步調(diào)制的交流功率輸出。純正弦波是由SPWM直接生成和輸出的。如果發(fā)生電網(wǎng)故障或斷電，“孤島保護(hù)”功能將生效，自動停止輸出。該逆變器可以和多個單元并聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)低功率逆變器獲得高功率輸出的能力。

圖3GTI300W 10.5-30VDC220VAC型并網(wǎng)逆變器

2.2 逆變器效率及功率因數(shù)測試實(shí)驗(yàn)

逆變器效率可以通過對轉(zhuǎn)換效率的測試，來測評逆變器的性能，以及此類型逆變器的價值。逆變器效率越高，利用率也越高，性價比越好。通常利用逆變器的功率因數(shù)衡量逆變器效率的高低的因數(shù)，功率因數(shù)越趨近于1，逆變器的轉(zhuǎn)換效率越高。

將光伏陣列模擬器與并網(wǎng)逆變器的直流輸入側(cè)相連，電網(wǎng)模擬器與并網(wǎng)逆變器的輸出側(cè)相連。連通后打開逆變器開關(guān)。使用光伏陣列模擬器模擬輸入直流電壓，從21 V開始記錄，每上升2 V記錄1次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)記錄及功率因數(shù)

逆變器的效率如表2所示。

表2 逆變器效率

由表2數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)輸入電壓增高到21 V以上時，逆變器的輸出效率趨于90%，故認(rèn)為并網(wǎng)逆變器的性能良好。在21.5 V～30.5 V的規(guī)定范圍內(nèi)，輸出的效率接近于該逆變器的最高效率。

2.3 光伏并網(wǎng)逆變器過欠壓測試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用光伏并網(wǎng)逆變器的輸入電壓范圍為10.5 V～30.5 V，首先調(diào)節(jié)電網(wǎng)模擬器使并網(wǎng)逆變器的電壓和頻率正常，當(dāng)逆變器輸入電壓即將趨于規(guī)定范圍時，緩慢調(diào)節(jié)電壓，直至逆變器停止工作，記錄逆變器停止工作的點(diǎn)即為逆變器輸入電壓的上限；然后將陣列模擬器的輸出容量設(shè)定為略大于10.5 V，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為11 V，緩慢降低輸入電壓，直到逆變器無法滿功率饋網(wǎng)供電，記錄逆變器脫離運(yùn)行的電壓，即為輸入電壓的下限。

通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入的直流電壓低于10.9 V時，逆變器停止工作，即欠壓點(diǎn)，輸出功率為39 W；當(dāng)輸入的直流電壓高于31.4 V時，逆變器發(fā)出警告，即過壓點(diǎn)，輸出功率為135.45 W。因此判定，即使逆變器規(guī)格為10.5 V～30.5 V，最小的工作電壓也不能低于10.9 V，而逆變器最高可承受31.4 V的電壓。

圖4 輸出示數(shù)

2.4 電網(wǎng)過欠壓實(shí)驗(yàn)

光伏并網(wǎng)逆變器可承受的電網(wǎng)電壓范圍在180 V～260 V，首先調(diào)節(jié)光伏陣列模擬器使光伏陣列逆變器在某一固定值，當(dāng)電壓和頻率正常，并網(wǎng)逆變器可承受的電網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)時，可將電網(wǎng)電壓單方向調(diào)節(jié)，直至趨于逆變器允許的最小工作電壓。當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器停止工作，發(fā)出聲光警告時，即為欠壓點(diǎn)；同理，單方向調(diào)節(jié)電網(wǎng)模擬器的電壓直至逆變器可承受的最大電壓，當(dāng)逆變器發(fā)出聲光警報，即為過壓點(diǎn)。

如圖4所示，當(dāng)電網(wǎng)模擬電壓趨近于180 V時，逆變器能夠正常運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)模擬電壓小于180 V時，逆變器停止工作，指示燈變紅；當(dāng)電網(wǎng)模擬電壓高于260 V，達(dá)到270 V時，逆變器仍繼續(xù)工作，為防止整個系統(tǒng)受到破壞，停止實(shí)驗(yàn)。因此可判斷，欠壓點(diǎn)為179.8 V，并未測出準(zhǔn)確的過壓點(diǎn)。

2.5 恢復(fù)并網(wǎng)保護(hù)測試實(shí)驗(yàn)

首先保持電網(wǎng)電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)，使并網(wǎng)逆變器正常運(yùn)行，然后調(diào)節(jié)電網(wǎng)模擬器使電壓超出允許范圍，再將電網(wǎng)電壓調(diào)回至范圍內(nèi)，記錄逆變器從停止?fàn)顟B(tài)恢復(fù)運(yùn)行并網(wǎng)的時間。同理，直接斷開電網(wǎng)電壓，再恢復(fù)逆變器正常工作，并記錄恢復(fù)時間。

在電網(wǎng)電壓超出逆變器承受范圍再恢復(fù)后的并網(wǎng)時間為2.6 s，而電網(wǎng)電壓中斷后再恢復(fù)的時間為4.6 s。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電網(wǎng)波動會影響逆變器的運(yùn)行時間。

2.6 電網(wǎng)電抗浮動對逆變器穩(wěn)定性影響

目前，大部分試驗(yàn)和理論都在電網(wǎng)沒有缺陷的情況下進(jìn)行的。視電網(wǎng)為理想電壓源可以使理論分析得到簡化，但是這種電抗浮動的情況下，并不適用。視為理想電壓源的都為無缺陷電網(wǎng)，等效出來的電網(wǎng)模型不能視為理想電壓源，會影響逆變器的穩(wěn)定性，是存在缺陷的電網(wǎng)。所以，為了研究在當(dāng)電網(wǎng)電抗浮動時對逆變器會產(chǎn)生怎樣的影響，需將電網(wǎng)看作是一個存在阻抗的電壓源，需要用到Middlebrook阻抗判據(jù)。

在分析電網(wǎng)與逆變器的交互系統(tǒng)時，并網(wǎng)逆變器采用電流控制模式，因此將Middlebrook中的電壓源等效為電流源與阻抗并聯(lián)的形式進(jìn)行分析，然后通過諾頓等效來研究電流控制模式下的并網(wǎng)逆變器如何維持穩(wěn)定運(yùn)行，等效電路如圖5所示。

圖5 電流源控制模式等效模型

由諾頓等效的判據(jù)中可知，電流源Is和輸出導(dǎo)納Ys替換了電壓源，輸入負(fù)載端只存在輸入導(dǎo)納Yl，輸出電壓V()s為

當(dāng)導(dǎo)納Yl趨于無窮大時，電阻趨于0，則負(fù)載端相當(dāng)于短路。電流源Is是固定值，穩(wěn)定狀態(tài)下，負(fù)載端導(dǎo)納也趨于穩(wěn)定，則Is(s)與Yl(s)的比值是固定的。因此，可推斷出影響輸出電壓穩(wěn)定性的直接原因是上式中的后半部分。將后半部分看作是前行通道增益，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要滿足奈奎斯特判據(jù)。因此，Ys(s)Yl(s)的負(fù)反饋系統(tǒng)也要滿足這一判據(jù)，由于導(dǎo)納與阻抗互為倒數(shù)，那么將式（3）中的導(dǎo)納轉(zhuǎn)換為阻抗可得：

將式（3）與式（4）式進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，電壓源模式下的輸入阻抗要盡可能的大，而輸出阻抗要盡可能的變小；反之，電流源模式下的輸出阻抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入阻抗，系統(tǒng)才能保持穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器交互系統(tǒng)中，輸出阻抗Zl(s)越小，后半部分越接近1，系統(tǒng)也更穩(wěn)定。

在圖5中，把逆變器部分看作是電流源，而負(fù)載端即是與之交互的電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)的阻抗值為0，逆變器的輸出阻抗趨于無窮大時，系統(tǒng)是可以正常運(yùn)行工作的，但這僅限于電網(wǎng)不發(fā)生任何波動的理想情況下。在現(xiàn)實(shí)的并網(wǎng)狀態(tài)中，電網(wǎng)的阻抗受多種因素的影響會發(fā)生變化，影響逆變器輸出，導(dǎo)致兩者之間的關(guān)系不滿足Middlebrook判據(jù)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在弱電網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)阻抗的影響下性能變差，運(yùn)行不穩(wěn)定，并網(wǎng)數(shù)量也受到了一定的限制，而且由于電網(wǎng)阻抗的存在，使注入電網(wǎng)的諧波電流產(chǎn)生了諧波電壓，增加公共連接點(diǎn)電壓的諧波分量，加重了系統(tǒng)的諧波含量，使系統(tǒng)的帶載能力受到了影響。

3結(jié)語

電網(wǎng)電抗浮動對逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行存在的不可忽略的影響。即使在常規(guī)計算中可以將電網(wǎng)視為理想電壓源，但是在現(xiàn)實(shí)生活中，電網(wǎng)無法達(dá)到這種要求。因此，引入Middlebrook阻抗判據(jù)，進(jìn)一步證實(shí)了電網(wǎng)電抗浮動會影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定。

通常光伏發(fā)電系統(tǒng)通過并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)進(jìn)行連接。在電網(wǎng)電壓平衡條件下，可準(zhǔn)確地傳輸有功和無功功率。但當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，電網(wǎng)電壓中存在負(fù)序分量，不同相序的電壓、電流分量相互作用，會使注入到電網(wǎng)的有功和無功功率存在二倍頻的波動。有功功率波動會影響直流母線電壓的穩(wěn)定，無功功率波動會增大系統(tǒng)功率損耗，引起過流問題。為解決功率波動問題，提出了光伏并網(wǎng)逆變器功率與電流質(zhì)量協(xié)調(diào)控制策略，雖可消除功率波動，但其注入到電網(wǎng)的電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，難以滿足并網(wǎng)要求，且使整個系統(tǒng)控制困難。由于諧波而產(chǎn)生的負(fù)序電流將是未來的重點(diǎn)研究對象。