光伏逆變器動態諧波等效建模及其影響因素分析

薛水蓮，殷志龍

（西安德納檢驗檢測有限公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

國家能源局的統計數據表明，截止2019年年底，我國光伏裝機容量累計達到204.68 GW，其中2019年新增的光伏裝機容量為30.22 GW。光伏發電已成為我國能源發展系統中的重要組成部分，在全面高速發展光伏的同時，應基于光伏電站電流源特性從光伏逆變器動態諧波角度出發，確保光伏逆變器擁有良好的電流轉換性能，進而打造優質的發電環境。

1 光伏逆變器動態諧波產生機理

光伏發電是凈化空氣和保護環境的重要發電形式。在實際應用期間，光伏逆變器能將基于光生伏打效應在晶硅組件中形成的直流電轉化為交流電饋進電網，利用傳統的交流高壓網架及線路輸向遠方負荷。光伏逆變器往往由脈寬調制開關控制諧波，期間易產生諧波、間諧波和高頻分量。光伏并網系統中的并網發電模式需要借助并網逆變器進行并網點的有效連接，系統結構如圖1所示。此外，光伏逆變器采用的電流轉變形式多為雙閉環控制。一般而言，光伏逆變器中容量增加時產生的諧波頻率會下降，因此在光伏逆變器實際運行期間以雙極性正弦脈寬調制為主。光伏并網系統也會對光伏逆變器動態諧波的產生帶來一定影響，這源于在發電階段受太陽光輻照強度隨機變化的干擾，光伏方陣接收到的輻照度不恒定，影響光伏逆變器的調制和濾波，進而形成由光伏逆變器輸出匯集、由光伏電站并網點統一輸出的除3次及其倍次諧波外的其他次諧波成分超標的典型現象，導致電網輸送電能時形成了不平穩的諧波電流，從而引起諧波污染[1]。

圖1 光伏發電系統結構示意圖

2 光伏逆變器動態諧波的影響因素

2.1 濾波器結構

影響光伏逆變器動態諧波的主要因素包括濾波器的結構。在調制開關頻率變化時，對應的濾波頻率也會隨之改變，從而導致出現光伏逆變器效率下降等問題。常見的濾波器結構包括L型濾波器和LCL型濾波器，針對光伏配網系統中使用的濾波器可抑制諧波。一般而言，當光伏逆變器中所形成的諧波超標時，容易由逆變器濾波電路過溫、電抗器振動加劇以及升壓變壓器角形側環流發熱而產生“熱擊穿”等故障。從濾波器結構上展開討論可發現，兩種不同結構濾波器中的光伏逆變器所產生的輸出電流和輸出電壓間具有以下關系：

通過計算可知，當兩種濾波器結構中的電感相同時，它們所形成的增益基本一致。在高頻段前提下，LCL型濾波器結構形成的斜率呈現遞減趨勢，遞減頻率為-60 dB，而L型濾波器結構以-20 dB的速度減小，表示LCL濾波器結構對諧波的抑制效果更佳。同時，濾波器結構會形成對應的諧振點增加功率的損失量，因此在確定濾波器結構時可根據實際情況選擇濾波器結構，由此保證光伏逆變器具有較強的動態諧波控制能力。濾波器的電路如圖2所示。

圖2 濾波器運行電路圖

2.2 發電單元

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

其中，U指交流側電壓；I指光伏并網系統的電流；P和Q分別是光伏逆變器輸出的有功與無功功率。在計算光伏逆變器的輸出電壓時，可采用式（4）進行計算：

可見，當光伏逆變器產生的有功與無功功率變大時，調制度也會變大，并且形成的諧波量也會隨之改變。因此，在光伏逆變器中的發電單元會對其動態諧波造成一定影響。據相關實驗數據可知：在只有有功功率且數值為0.007 4 MW的情況下，對應的調制度為0.76；隨著有功功率增加至0.014 8 MW，調制度也將增加0.09。因此，光伏逆變器動態諧波的生成量將與發電單元中形成的功率、電壓等數值有著重要關聯，以此保證光伏逆變器擁有良好的實用性能。

3 光伏逆變器動態諧波等效建模方法

3.1 不對稱電路分析

諧波的出現對光伏逆變器的實用性帶來了一定的負面影響，而且會增加電能損耗。因此，應在不對稱電路下對光伏逆變器動態諧波的產生建立等效模型，借助相關模型驗證光伏逆變器的動態諧波輸出特征，從而為其后期改進工作提供重要保障。同時，在不對稱電路中應先行根據等效模型的運行規律計算在短路狀態下光伏逆變器的基波頻率，這樣才能知曉短路前后交流側電流對應的諧波數值，便于快速判斷光伏逆變器的動態諧波變化量[2]。

比如，在某一380 V/50 Hz交流電壓下，若它的等效電阻數值為0.5 Ω，在濾波器等效電感為8 mH、電容為220 μF時，對光伏逆變器交流電轉換出口處進行短路處理，并利用多組運行試驗，驗證在不對稱電路下建立的等效模型是否具備參考價值。

在單相短路故障下，可保證光伏逆變器的無功功率具有3 kvar，且在尚未出現短路故障前期，交流側電流數值為36.75 A，之后根據光伏逆變器中的直流與交流的變換特征，針對動態諧波模型進行細致分析，由此可知在發生短路故障期間將至少出現兩次顯著的諧波狀況。因此，應及時保護光伏逆變器的電壓，防止超壓造成光伏逆變器無法發揮真正的電流轉換作用?；诖?，可設計相應的控制器，以便精準掌握短路故障出現后光伏逆變器形成的電流變化情況，最終及時控制光伏逆變器的運行狀態，防止過載電流引發更加嚴重的后果。

3.2 動態相量擾動量分析

針對光伏逆變器動態諧波建立等效模型階段，還應明確動態相量擾動量，由此保證得出的結論具有參考價值。其中，在等效模型中可先行將基波頻率設在50 Hz，并對動態相量實施分量分析，從而全面了解間諧波的產生情況。等效模型中涉及到的相關參數包括基波頻率、電流、電壓等，其中可結合相關方程式細致分析光伏逆變器的電流變化數值，知曉間諧波在逆變器中的實際分布規律。同時，可根據分析結果判斷，在頻率下降時等效模型中的階數將有所增加，此時所需計算時限也會延長。具體可從下述兩種不同動態諧波產生條件進行深入研究。

光伏逆變器運行期間具有低頻擾動量。比如，在光伏電流中包含5 Hz頻率的波動量時，光伏逆變器中形成的電流值可按照式（5）進行計算：

代入相關參數后，可獲得電流大小。由于直流電壓中也會產生低頻波動，故而可以此為依據分析諧波分量電流，最終從理論結果中得出“擾動頻率的增加會縮小間接波電流變化幅度”的結論。

光伏并網系統電壓中存在間諧波。若在等效模型建立環節將間諧波的頻率設置在45 Hz，并將間諧波含量控制在2%基波含量范圍內，再通過等效模型判斷對比不同頻率下間諧波的產生量，從而判定間諧波可在光伏逆變器電流狀態轉換期間實現有效轉移[3]。

同時，在角頻率對逆變器造成擾動干擾時，擾動頻率越高，間諧波電流的變化幅度就越小。尤其在針對角頻率下的電壓實施分量計算時會形成擾動電壓，此時應輸送間諧波電流。經過相關研究最終可確定，基于分量擾動量基礎上建立等效模型分析動態諧波變化情況具有較強的精準度。因此，光伏逆變器動態諧波是光伏發電領域中需要予以密切關注的重要因素。只有實現動態諧波的合理抑制，才能保證光伏逆變器在光伏發電與太陽能利用期間為其提供重要保障，以免影響太陽能等新能源的實用性，便于開拓新能源應用渠道，從而為電力行業的興旺發展奠定堅實基礎。

3.3 諧波等效模型

光伏逆變器在運行期間受電流與電壓雙重閉環模式影響。因電流環與電壓環的時間常數相差較大，故而在根據光伏逆變器動態諧波建立等效模型時應以電流環為主。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備具有高質量保障，避免出現燒毀現象，二是為了符合國家針對光伏發電所提出的具體要求。比如，諧波量不可超出光伏并網系統諧波總量的5%等。同時，可在等效建模環節借助功率分析儀檢測光伏逆變器中形成的諧波量，由達到最佳等效建模效果。比如，可利用PA300類型的功率分析儀，它的精準度為0.1%，從而保證等效模型更貼合實際背景。

另外，可為等效模型提供不同的運行環境，以此得知諧波變化幅度與光伏逆變器輸出電壓的關聯。一般情況下，可通過控制光伏逆變器阻抗值的方式消除諧波。光伏逆變器動態諧波等效建模方式可直觀展現動態變化特征，所以等效模型是當前光伏逆變器諧波研究中最重要的依托，相關人員應予以重視。

3.4 仿真驗證試驗

仿真驗證試驗可為等效模型的實效性提供重要參考依據。因此，在等效建模階段應充分開展仿真試驗，以掌握光伏逆變器電流變化規律。同時，仿真試驗結果也能真實反映等效模型是否足夠準確[4]。

在仿真試驗中在對等效模型精準度進行仿真驗證時，應充分意識到高頻率諧波的影響因素，且可將仿真試驗中光伏逆變器中的濾波器電容分別設在5 mH、2 mH，電阻應為0.01 Ω。直流側電壓應保持在700 V，電網頻率應為50 Hz，電壓為220 V，以促使整個仿真試驗更符合諧波檢測實際要求。此外，在仿真試驗中應從中獲取多組逆變器輸出電壓產生的諧波量，最終縮短仿真值與計算值的差距，由此增強等效模型的可靠性，使其為動態諧波的相關研究起到輔助作用。

結合等效模型對其進行仿真數據與計算數據的對比，可進一步驗證等效模型是否能夠為光伏逆變器動態諧波的消除與抑制帶來積極影響。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，便于能源利用領域獲得可信度更高的參考數據。

4 結 論

綜上所述，通過對光伏逆變器動態諧波的影響因素與產生機理等部分展開討論，可判斷光伏逆變器動態等效模型的建立確實具有一定參考價值，并從分析不對稱電路、動態相量擾動量、等效模型以及仿真試驗等方面著手，確保光伏發電成為當前新能源發展領域重要方向。同時，利用建模等形式為節能型能源研發工作帶來了重要指引，進而在滿足當前能源供應需求基礎上增強用戶用電體驗。