光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波等效建模及其影響因素分析

薛水蓮，殷志龍

（西安德納檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截止2019年年底，我國(guó)光伏裝機(jī)容量累計(jì)達(dá)到204.68 GW，其中2019年新增的光伏裝機(jī)容量為30.22 GW。光伏發(fā)電已成為我國(guó)能源發(fā)展系統(tǒng)中的重要組成部分，在全面高速發(fā)展光伏的同時(shí)，應(yīng)基于光伏電站電流源特性從光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波角度出發(fā)，確保光伏逆變器擁有良好的電流轉(zhuǎn)換性能，進(jìn)而打造優(yōu)質(zhì)的發(fā)電環(huán)境。

1 光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波產(chǎn)生機(jī)理

光伏發(fā)電是凈化空氣和保護(hù)環(huán)境的重要發(fā)電形式。在實(shí)際應(yīng)用期間，光伏逆變器能將基于光生伏打效應(yīng)在晶硅組件中形成的直流電轉(zhuǎn)化為交流電饋進(jìn)電網(wǎng)，利用傳統(tǒng)的交流高壓網(wǎng)架及線路輸向遠(yuǎn)方負(fù)荷。光伏逆變器往往由脈寬調(diào)制開關(guān)控制諧波，期間易產(chǎn)生諧波、間諧波和高頻分量。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的并網(wǎng)發(fā)電模式需要借助并網(wǎng)逆變器進(jìn)行并網(wǎng)點(diǎn)的有效連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外，光伏逆變器采用的電流轉(zhuǎn)變形式多為雙閉環(huán)控制。一般而言，光伏逆變器中容量增加時(shí)產(chǎn)生的諧波頻率會(huì)下降，因此在光伏逆變器實(shí)際運(yùn)行期間以雙極性正弦脈寬調(diào)制為主。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)也會(huì)對(duì)光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的產(chǎn)生帶來(lái)一定影響，這源于在發(fā)電階段受太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度隨機(jī)變化的干擾，光伏方陣接收到的輻照度不恒定，影響光伏逆變器的調(diào)制和濾波，進(jìn)而形成由光伏逆變器輸出匯集、由光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)統(tǒng)一輸出的除3次及其倍次諧波外的其他次諧波成分超標(biāo)的典型現(xiàn)象，導(dǎo)致電網(wǎng)輸送電能時(shí)形成了不平穩(wěn)的諧波電流，從而引起諧波污染[1]。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的影響因素

2.1 濾波器結(jié)構(gòu)

影響光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的主要因素包括濾波器的結(jié)構(gòu)。在調(diào)制開關(guān)頻率變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的濾波頻率也會(huì)隨之改變，從而導(dǎo)致出現(xiàn)光伏逆變器效率下降等問(wèn)題。常見(jiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)包括L型濾波器和LCL型濾波器，針對(duì)光伏配網(wǎng)系統(tǒng)中使用的濾波器可抑制諧波。一般而言，當(dāng)光伏逆變器中所形成的諧波超標(biāo)時(shí)，容易由逆變器濾波電路過(guò)溫、電抗器振動(dòng)加劇以及升壓變壓器角形側(cè)環(huán)流發(fā)熱而產(chǎn)生“熱擊穿”等故障。從濾波器結(jié)構(gòu)上展開討論可發(fā)現(xiàn)，兩種不同結(jié)構(gòu)濾波器中的光伏逆變器所產(chǎn)生的輸出電流和輸出電壓間具有以下關(guān)系：

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)兩種濾波器結(jié)構(gòu)中的電感相同時(shí)，它們所形成的增益基本一致。在高頻段前提下，LCL型濾波器結(jié)構(gòu)形成的斜率呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，遞減頻率為-60 dB，而L型濾波器結(jié)構(gòu)以-20 dB的速度減小，表示LCL濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)諧波的抑制效果更佳。同時(shí)，濾波器結(jié)構(gòu)會(huì)形成對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)增加功率的損失量，因此在確定濾波器結(jié)構(gòu)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇濾波器結(jié)構(gòu)，由此保證光伏逆變器具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)諧波控制能力。濾波器的電路如圖2所示。

圖2 濾波器運(yùn)行電路圖

2.2 發(fā)電單元

光伏逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓之間有線性關(guān)系，在基波頻率基礎(chǔ)上形成的濾波電容偏小可忽略不計(jì)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中形成的電流值可按照式（3）加以計(jì)算：

其中，U指交流側(cè)電壓；I指光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電流；P和Q分別是光伏逆變器輸出的有功與無(wú)功功率。在計(jì)算光伏逆變器的輸出電壓時(shí)，可采用式（4）進(jìn)行計(jì)算：

可見(jiàn)，當(dāng)光伏逆變器產(chǎn)生的有功與無(wú)功功率變大時(shí)，調(diào)制度也會(huì)變大，并且形成的諧波量也會(huì)隨之改變。因此，在光伏逆變器中的發(fā)電單元會(huì)對(duì)其動(dòng)態(tài)諧波造成一定影響。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在只有有功功率且數(shù)值為0.007 4 MW的情況下，對(duì)應(yīng)的調(diào)制度為0.76；隨著有功功率增加至0.014 8 MW，調(diào)制度也將增加0.09。因此，光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的生成量將與發(fā)電單元中形成的功率、電壓等數(shù)值有著重要關(guān)聯(lián)，以此保證光伏逆變器擁有良好的實(shí)用性能。

3 光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波等效建模方法

3.1 不對(duì)稱電路分析

諧波的出現(xiàn)對(duì)光伏逆變器的實(shí)用性帶來(lái)了一定的負(fù)面影響，而且會(huì)增加電能損耗。因此，應(yīng)在不對(duì)稱電路下對(duì)光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的產(chǎn)生建立等效模型，借助相關(guān)模型驗(yàn)證光伏逆變器的動(dòng)態(tài)諧波輸出特征，從而為其后期改進(jìn)工作提供重要保障。同時(shí)，在不對(duì)稱電路中應(yīng)先行根據(jù)等效模型的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算在短路狀態(tài)下光伏逆變器的基波頻率，這樣才能知曉短路前后交流側(cè)電流對(duì)應(yīng)的諧波數(shù)值，便于快速判斷光伏逆變器的動(dòng)態(tài)諧波變化量[2]。

比如，在某一380 V/50 Hz交流電壓下，若它的等效電阻數(shù)值為0.5 Ω，在濾波器等效電感為8 mH、電容為220 μF時(shí)，對(duì)光伏逆變器交流電轉(zhuǎn)換出口處進(jìn)行短路處理，并利用多組運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證在不對(duì)稱電路下建立的等效模型是否具備參考價(jià)值。

在單相短路故障下，可保證光伏逆變器的無(wú)功功率具有3 kvar，且在尚未出現(xiàn)短路故障前期，交流側(cè)電流數(shù)值為36.75 A，之后根據(jù)光伏逆變器中的直流與交流的變換特征，針對(duì)動(dòng)態(tài)諧波模型進(jìn)行細(xì)致分析，由此可知在發(fā)生短路故障期間將至少出現(xiàn)兩次顯著的諧波狀況。因此，應(yīng)及時(shí)保護(hù)光伏逆變器的電壓，防止超壓造成光伏逆變器無(wú)法發(fā)揮真正的電流轉(zhuǎn)換作用。基于此，可設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，以便精準(zhǔn)掌握短路故障出現(xiàn)后光伏逆變器形成的電流變化情況，最終及時(shí)控制光伏逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，防止過(guò)載電流引發(fā)更加嚴(yán)重的后果。

3.2 動(dòng)態(tài)相量擾動(dòng)量分析

針對(duì)光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波建立等效模型階段，還應(yīng)明確動(dòng)態(tài)相量擾動(dòng)量，由此保證得出的結(jié)論具有參考價(jià)值。其中，在等效模型中可先行將基波頻率設(shè)在50 Hz，并對(duì)動(dòng)態(tài)相量實(shí)施分量分析，從而全面了解間諧波的產(chǎn)生情況。等效模型中涉及到的相關(guān)參數(shù)包括基波頻率、電流、電壓等，其中可結(jié)合相關(guān)方程式細(xì)致分析光伏逆變器的電流變化數(shù)值，知曉間諧波在逆變器中的實(shí)際分布規(guī)律。同時(shí)，可根據(jù)分析結(jié)果判斷，在頻率下降時(shí)等效模型中的階數(shù)將有所增加，此時(shí)所需計(jì)算時(shí)限也會(huì)延長(zhǎng)。具體可從下述兩種不同動(dòng)態(tài)諧波產(chǎn)生條件進(jìn)行深入研究。

光伏逆變器運(yùn)行期間具有低頻擾動(dòng)量。比如，在光伏電流中包含5 Hz頻率的波動(dòng)量時(shí)，光伏逆變器中形成的電流值可按照式（5）進(jìn)行計(jì)算：

代入相關(guān)參數(shù)后，可獲得電流大小。由于直流電壓中也會(huì)產(chǎn)生低頻波動(dòng)，故而可以此為依據(jù)分析諧波分量電流，最終從理論結(jié)果中得出“擾動(dòng)頻率的增加會(huì)縮小間接波電流變化幅度”的結(jié)論。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓中存在間諧波。若在等效模型建立環(huán)節(jié)將間諧波的頻率設(shè)置在45 Hz，并將間諧波含量控制在2%基波含量范圍內(nèi)，再通過(guò)等效模型判斷對(duì)比不同頻率下間諧波的產(chǎn)生量，從而判定間諧波可在光伏逆變器電流狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)移[3]。

同時(shí)，在角頻率對(duì)逆變器造成擾動(dòng)干擾時(shí)，擾動(dòng)頻率越高，間諧波電流的變化幅度就越小。尤其在針對(duì)角頻率下的電壓實(shí)施分量計(jì)算時(shí)會(huì)形成擾動(dòng)電壓，此時(shí)應(yīng)輸送間諧波電流。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究最終可確定，基于分量擾動(dòng)量基礎(chǔ)上建立等效模型分析動(dòng)態(tài)諧波變化情況具有較強(qiáng)的精準(zhǔn)度。因此，光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波是光伏發(fā)電領(lǐng)域中需要予以密切關(guān)注的重要因素。只有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)諧波的合理抑制，才能保證光伏逆變器在光伏發(fā)電與太陽(yáng)能利用期間為其提供重要保障，以免影響太陽(yáng)能等新能源的實(shí)用性，便于開拓新能源應(yīng)用渠道，從而為電力行業(yè)的興旺發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 諧波等效模型

光伏逆變器在運(yùn)行期間受電流與電壓雙重閉環(huán)模式影響。因電流環(huán)與電壓環(huán)的時(shí)間常數(shù)相差較大，故而在根據(jù)光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波建立等效模型時(shí)應(yīng)以電流環(huán)為主。要格外注重光伏逆變器中的諧波情況，一是為了保證電力設(shè)備具有高質(zhì)量保障，避免出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象，二是為了符合國(guó)家針對(duì)光伏發(fā)電所提出的具體要求。比如，諧波量不可超出光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諧波總量的5%等。同時(shí)，可在等效建模環(huán)節(jié)借助功率分析儀檢測(cè)光伏逆變器中形成的諧波量，由達(dá)到最佳等效建模效果。比如，可利用PA300類型的功率分析儀，它的精準(zhǔn)度為0.1%，從而保證等效模型更貼合實(shí)際背景。

另外，可為等效模型提供不同的運(yùn)行環(huán)境，以此得知諧波變化幅度與光伏逆變器輸出電壓的關(guān)聯(lián)。一般情況下，可通過(guò)控制光伏逆變器阻抗值的方式消除諧波。光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波等效建模方式可直觀展現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征，所以等效模型是當(dāng)前光伏逆變器諧波研究中最重要的依托，相關(guān)人員應(yīng)予以重視。

3.4 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

仿真驗(yàn)證試驗(yàn)可為等效模型的實(shí)效性提供重要參考依據(jù)。因此，在等效建模階段應(yīng)充分開展仿真試驗(yàn)，以掌握光伏逆變器電流變化規(guī)律。同時(shí)，仿真試驗(yàn)結(jié)果也能真實(shí)反映等效模型是否足夠準(zhǔn)確[4]。

在仿真試驗(yàn)中在對(duì)等效模型精準(zhǔn)度進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)充分意識(shí)到高頻率諧波的影響因素，且可將仿真試驗(yàn)中光伏逆變器中的濾波器電容分別設(shè)在5 mH、2 mH，電阻應(yīng)為0.01 Ω。直流側(cè)電壓應(yīng)保持在700 V，電網(wǎng)頻率應(yīng)為50 Hz，電壓為220 V，以促使整個(gè)仿真試驗(yàn)更符合諧波檢測(cè)實(shí)際要求。此外，在仿真試驗(yàn)中應(yīng)從中獲取多組逆變器輸出電壓產(chǎn)生的諧波量，最終縮短仿真值與計(jì)算值的差距，由此增強(qiáng)等效模型的可靠性，使其為動(dòng)態(tài)諧波的相關(guān)研究起到輔助作用。

結(jié)合等效模型對(duì)其進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，可進(jìn)一步驗(yàn)證等效模型是否能夠?yàn)楣夥孀兤鲃?dòng)態(tài)諧波的消除與抑制帶來(lái)積極影響。雖然兩者在比較中有一定誤差，但其誤差處于允許誤差值內(nèi)，便于能源利用領(lǐng)域獲得可信度更高的參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)對(duì)光伏逆變器動(dòng)態(tài)諧波的影響因素與產(chǎn)生機(jī)理等部分展開討論，可判斷光伏逆變器動(dòng)態(tài)等效模型的建立確實(shí)具有一定參考價(jià)值，并從分析不對(duì)稱電路、動(dòng)態(tài)相量擾動(dòng)量、等效模型以及仿真試驗(yàn)等方面著手，確保光伏發(fā)電成為當(dāng)前新能源發(fā)展領(lǐng)域重要方向。同時(shí)，利用建模等形式為節(jié)能型能源研發(fā)工作帶來(lái)了重要指引，進(jìn)而在滿足當(dāng)前能源供應(yīng)需求基礎(chǔ)上增強(qiáng)用戶用電體驗(yàn)。