光伏并網逆變器響應模擬電網波動的影響分析

(沈陽工程學院研究生部 遼寧 沈陽 110136)

一、引言

現代光伏電站的發展是離不開光伏并網逆變器的，在光伏電站的發展中，想要將利益最大化，要盡可能的降低各種因素可能對設備造成的影響，因為任何方面的影響都可能導致逆變器輸出的不穩定。

逆變器由誕生到現在，經歷了諸多改進。光伏并網逆變器作為連接光伏陣列和電網的關鍵設備，它主要承擔著光伏陣列的MPPT控制與向電網注入單位功率因數的正弦交流電能兩大任務。但功率波動會影響光伏并網逆變器壽命。國內眾多學者為解決這一問題做出了很多研究。趙爭鳴為解決功率波動問題，提出了不同控制策略。王靜提出的光伏并網逆變器功率與電流質量協調控制策略，雖可消除功率波動，但其注入到電網的電流發生嚴重畸變，并網電流難于滿足并網要求，且使整個系統控制困難。他們提出的方法很顯著的改進了逆變器受單一功率波動的影響，但并不能解決多種電網波動的影響。本文目的是為了分析光伏并網逆變器在受到電網波動時的影響因素，通過光伏逆變器測試實驗平臺HIK-GD6進行實驗，通過模擬電網波動對并網逆變器進行影響分析。

二、主要內容

通過光伏逆變器測試實驗平臺HIK-GD6來進行實驗，由得到的數據進行理論分析。提供實驗平臺圖例，側重進行四個實驗：逆變效率及功率因數測試實驗，直流輸入電壓范圍和過欠壓測試實驗，對電網的過欠壓實驗，恢復并網保護測試實驗，同時電網電抗浮動對逆變器的穩定運行存在的不可忽略的影響。即使在常規計算中可以將電網想象為理想電壓源，但是在現實生活中，電網無法達到這種要求，引出Middlebrook阻抗判據，用這一判據進一步證實了電網電抗浮動會影響并網逆變器的穩定。

三、光伏逆變器測試實驗平臺HIK-GD6

該實驗臺能夠測試光伏設備所有的組成部分，該實驗臺也是一種可以進行工業監測的測試系統。該測試平臺系統包括以下幾個重要的組成部分：光伏儲能檢測單元，光伏控制器檢測單元，光伏離網逆變器檢測單元，光伏并網逆變器檢測單元。本文主要使用的是光伏并網逆變器檢測單元。并且功率很大的并網逆變器的規格質量、性能、功能都能夠通過使用該系統進行專業檢測。

圖1 光伏系統交流測試柜

該課題選擇的光伏并網逆變器型號GTI300W 10.5-30VDC220VDC。該逆變器具有精準的APL功能和MPPT功能。可自動調節太陽能電池板的功率到最大輸出。

四、主要實驗內容

(一)逆變器效率及功率因數測試實驗

逆變器的功率因數是為了衡量逆變器效率的高低的因數，因此功率因數越趨近于1，逆變器越具有較高的轉換效率。實驗目的是為了認識光伏并網逆變器的在光伏系統中的重要性，了解光伏并網逆變器效率測試方法。主要應用原理即使輸入的直流電更高效的轉換成交流電匯入電網。根據逆變器效率公式計算出效率。分析該逆變器測試平臺中，在輸入電壓跳變到20V之前，逆變器的效率并沒有達到較高的水平，在80%以下，而當輸入電壓增高到21V以上時，逆變器的輸出效率趨于90%，故認為并網逆變器的性能良好，且逆變器在規定范圍21.5—30.5V以內時，輸出的效率可以達到該逆變器的最高效率，相比20V以下較高有相對高的效率。逆變器的功率因數經過多次多組測量，始終趨近于1，且不超過1。

(二)光伏陣列過欠壓測試實驗

本實驗目的是為了測量并網逆變器的直流側輸入電壓范圍，以及過欠壓點。在規定的電壓允許范圍間，能夠實現并網逆變器的正常工作。并且在逆變器超過允許的電壓范圍或者低于逆變器允許的電壓范圍的瞬間，并網逆變器會停止工作發出聲光警告。

測量發現，當輸入的直流電壓低于10.9V時，逆變器停止工作，即欠壓點，輸出功率39W。當輸入的直流電壓高于31.4V時，逆變器發出警告，即欠壓點，輸出功率135.45W。因此判定，即使逆變器規格為10.5V—30.5V之間，最小的工作電壓也只能高于10.9V，而逆變器最高可承受31.4V的電壓，但為了安全起見，仍需要在規定的30.5V之內進行常規操作避免逆變器的損壞。

(三)電網過欠壓實驗

該實驗目的是通過并網模擬器模擬電網，測量逆變器能承受的電網電壓范圍和過壓點欠壓點。規格書中給出，光伏并網逆變器的可承受電壓范圍在180V—260V之間，那么電網在260V以內時，并網逆變器可以正常運行。當電網輸出的電壓低于180V時，光伏并網逆變器無法工作。首先調節光伏陣列模擬器使光伏陣列逆變器在某一固定值，觀察電參數測試儀，當電壓和頻率正常，并網逆變器可承受的電網電壓電壓在規定范圍內時，可將電網電壓單方向調節，直至趨于最小逆變器允許工作電壓，觀察在哪一時刻光伏并網逆變器停止工作，發出聲光警告。該電網電壓即欠壓點。同理，單方向調節電網模擬器電壓直至最大逆變器可承受電壓，觀察逆變器在哪一時刻發出聲光警報，該電網電壓即過壓點。

如圖2所示，當電網模擬電壓趨近于180V時，逆變器能夠正常運行，但當電網模擬電壓小于180V時，圖中所示當電壓為179.8V時，逆變器就停止工作，逆變器指示燈變紅，停止并網。但當電網模擬電壓高于260V時，提高10V后電壓值達到270V時逆變器仍繼續工作，為防止整個系統受到破壞，停止實驗。因此可判斷欠壓點為179.8V，并未測出準確的過壓點。推測逆變器并非符合規格的逆變器。但該試驗也證明當電網電壓發生波動時，影響光伏并網逆變器的并網運行，波動到電壓允許范圍以下時逆變器無法并網，過高時會損壞逆變器。

(a)模擬電網為180V時逆變器輸出 (b)低于180V時逆變器輸出

(四)恢復并網保護測試實驗

調節電網模擬器，使電網電壓和頻率都在正常情況下，并網逆變器正常運行。接下來調節電網模擬器的電壓。光伏并網逆變器的允許電壓范圍在180V—260V之間，調節電網模擬器使電壓超出這一范圍，再將電網電壓調至范圍內，(例如：220V)記錄逆變器從停止狀態恢復運行并網的時間。同樣，使調節電網模擬器，是電網電壓和頻率正常，直接斷開電網電壓，再將電網電壓調至范圍之內，記錄逆變器恢復并網時間。在實驗過程中，逆變器若突然發生聲光警報，則立即停止實驗，方式逆變器損壞甚至爆炸。

在電網電壓超出逆變器承受范圍后恢復并網時間經測量為2.6秒，而電網電壓中斷后，并網逆變器恢復并網所用時間為4.6秒。由實驗數據可知，電網波動會影響逆變器的運行時間，在大型光伏電站中，若電網波動超出了逆變器能夠承受的范圍，會使并網逆變器停止工作，無法實現上網，影響整個電站的并網能力。但是根據規定書中所述，送電延遲約20秒到5分鐘。但是該逆變器并網時間并不在該范圍之內，推測該逆變器并不符合規格。

五、電網電抗浮動對逆變器穩定性影響

(一)Middlebrook阻抗判據特性

最早是為了分析DC/DC變換器以及其輸入濾波器間相互作用提出了Middlebrook阻抗判據。電壓源與負載之間的相互作用可形象的使用戴維寧等效來表達。最早是為了分析DC/DC變換器以及其輸入濾波器間相互作用提出了Middlebrook阻抗判據。電壓源與負載之間的相互作用可形象的使用戴維寧等效來表達。

由戴維寧等效判據模型中，分為了兩個部分，左半部分為系統，右半部分為負載，系統是由理想電壓源Vs與輸出阻抗Zs共同組成，負載部分只有輸入阻抗Zl。流過該系統的電流為I。此模型得出的表達式要求為線性模型，但是大部分的電力電子系統中只具有非線性的模型，這就體現出小信號模型的重要性，由于結合了小信號模型，使系統能夠輸出線性模型表達式。由此可得電流I：

(3.1)

在該條件下，若負載部分輸入電阻Zl突然從系統中斷開，系統仍處于工作狀態，且電壓源一直保持穩定輸出狀態，Zl也處于穩定，那么可推斷出Vs(s)/Zl(s)必然保持穩定，不發生任何改變，那么不穩定因素直接定位在上式中的后部，假定為H(s)，H(s)的表達式為：

(3.2)

根據線性控制理論，負反饋調節系統在公式中明確顯示，為Zs(s)與Zl(s)的比值，前相通道增益為1，即H(s)=1，根據奈奎特斯判據，可知若相使增益穩定，前提條件是滿足Zs(s)與Zl(s)的比值是固定值。因此得出Middlebrook阻抗判據。輸入阻抗與輸出阻抗之間存在相互作用，在非理想電壓源和伴隨負載的交互系統中，系統不能達到穩定運行狀態。

(二)弱電網條件對逆變器的影響

上文中提到的理想電壓源在弱電網與逆變器的交互系統中是不存在的，由于電網電抗浮動，形成了弱電網。弱電網中必然存在與電壓源相連的阻抗，可能直接導致系統穩定性的問題，影響并網逆變器效率。在分析電網與逆變器的交互系統時，并網逆變器是采用電流控制模式，因此將Middlebrook中的電壓源等效為電流源與阻抗并聯的形式進行分析。接下來通過諾頓等效來研究電流控制模式下的并網逆變器如何維持穩定運行。

由諾頓等效的判據中可知，由兩部分構成，電流源Is和輸出導納Ys替換了電壓源，輸入負載端只存在輸入導納Yl，輸出電壓V可用公式表達出來：

(3.3)

與戴維寧等效相同方法來判斷由電流源控制的模式下的穩定性。當導納Yl趨于無窮大時，電阻趨于0，則負載端相當于短路。電流源Is是固定值，穩定狀態下，負載端導納也趨于穩定，那么，可推斷出，Is(s)與Yl(s)的比值是固定值不變，保持穩定。可直接推斷出影響輸出電壓的穩定性的直接原因是上式中的后半部分，因此后半部分可看作是前行通道增益為1，因此為了保證系統能夠穩定運行，需要滿足奈奎斯特判據。因此對Ys(s)/Yl(s)的負反饋系統。也要滿足這一判據，由于導納與阻抗互為倒數，那么將(3.3)中的導納轉換為阻抗能得到下式：

(3.4)

由(3.2)式與(3.4)式進行比較后發現，為了保證系統的穩定，電壓源控制模式與電流源控制模式下，其阻抗是正好相反的關系。為了保證系統穩定運行，電壓源模式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，輸出阻抗要遠遠高于輸出阻抗，系統才能保持穩定運行。再分析電網和并網逆變器交互系統中，輸出阻抗Zl(s)越小，后部分越與1相接近，系統也更穩定。

把逆變器部分看作是電流源，而負載端即與之交互的電網。電網的阻抗值為0時，逆變器的輸出阻抗趨于無窮大時，是可以正常運行工作穩定。但是，這僅限與電網不發生任何波動的理想情況下。在現實的并網狀態中，電網的阻抗受多種因素的影響會發生變化，影響逆變器輸出，導致兩者之間的關系不滿足Middlebrook判據。系統發生穩定性問題。導致逆變器輸出相位及頻率發生改變，無法與電網保持一致。因此在弱電網條件下，微電網并網系統在電網阻抗的影響下性能變差，甚至運行不穩定，并網數量也受到了一定的限制，而且，由于電網阻抗的存在，使注入電網的諧波電流產生了諧波電壓，增加公共連接點電壓的諧波分量，加重了系統的諧波含量，并使系統的帶載能力受到了影響。

六、結論

應用HIK-GD6測試平臺進行實驗，全面認識光伏系統。Middlebrook阻抗判據進一步證實了電網電抗浮動會影響并網逆變器的穩定，得到電網能夠產生非特性諧波的結論，這種諧波會是逆變器產生負序電流，最終影響逆變器的壽命。

通過四個實驗，得出結論：在電網電壓平衡條件下，其可準確地傳輸有功和無功功率。但當電網出現故障時，電網電壓中存在負序分量，不同相序的電壓、電流分量相互作用。會使注入到電網的有功、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定，無功功率波動會增大系統功率損耗，引起過流問題。