光伏并网逆变器响应模拟电网波动的影响分析

(沈阳工程学院研究生部 辽宁 沈阳 110136)

一、引言

现代光伏电站的发展是离不开光伏并网逆变器的，在光伏电站的发展中，想要将利益最大化，要尽可能的降低各种因素可能对设备造成的影响，因为任何方面的影响都可能导致逆变器输出的不稳定。

逆变器由诞生到现在，经历了诸多改进。光伏并网逆变器作为连接光伏阵列和电网的关键设备，它主要承担着光伏阵列的MPPT控制与向电网注入单位功率因数的正弦交流电能两大任务。但功率波动会影响光伏并网逆变器寿命。国内众多学者为解决这一问题做出了很多研究。赵争鸣为解决功率波动问题，提出了不同控制策略。王静提出的光伏并网逆变器功率与电流质量协调控制策略，虽可消除功率波动，但其注入到电网的电流发生严重畸变，并网电流难于满足并网要求，且使整个系统控制困难。他们提出的方法很显著的改进了逆变器受单一功率波动的影响，但并不能解决多种电网波动的影响。本文目的是为了分析光伏并网逆变器在受到电网波动时的影响因素，通过光伏逆变器测试实验平台HIK-GD6进行实验，通过模拟电网波动对并网逆变器进行影响分析。

二、主要内容

通过光伏逆变器测试实验平台HIK-GD6来进行实验，由得到的数据进行理论分析。提供实验平台图例，侧重进行四个实验：逆变效率及功率因数测试实验，直流输入电压范围和过欠压测试实验，对电网的过欠压实验，恢复并网保护测试实验，同时电网电抗浮动对逆变器的稳定运行存在的不可忽略的影响。即使在常规计算中可以将电网想象为理想电压源，但是在现实生活中，电网无法达到这种要求，引出Middlebrook阻抗判据，用这一判据进一步证实了电网电抗浮动会影响并网逆变器的稳定。

三、光伏逆变器测试实验平台HIK-GD6

该实验台能够测试光伏设备所有的组成部分，该实验台也是一种可以进行工业监测的测试系统。该测试平台系统包括以下几个重要的组成部分：光伏储能检测单元，光伏控制器检测单元，光伏离网逆变器检测单元，光伏并网逆变器检测单元。本文主要使用的是光伏并网逆变器检测单元。并且功率很大的并网逆变器的规格质量、性能、功能都能够通过使用该系统进行专业检测。

图1 光伏系统交流测试柜

该课题选择的光伏并网逆变器型号GTI300W 10.5-30VDC220VDC。该逆变器具有精准的APL功能和MPPT功能。可自动调节太阳能电池板的功率到最大输出。

四、主要实验内容

(一)逆变器效率及功率因数测试实验

逆变器的功率因数是为了衡量逆变器效率的高低的因数，因此功率因数越趋近于1，逆变器越具有较高的转换效率。实验目的是为了认识光伏并网逆变器的在光伏系统中的重要性，了解光伏并网逆变器效率测试方法。主要应用原理即使输入的直流电更高效的转换成交流电汇入电网。根据逆变器效率公式计算出效率。分析该逆变器测试平台中，在输入电压跳变到20V之前，逆变器的效率并没有达到较高的水平，在80%以下，而当输入电压增高到21V以上时，逆变器的输出效率趋于90%，故认为并网逆变器的性能良好，且逆变器在规定范围21.5—30.5V以内时，输出的效率可以达到该逆变器的最高效率，相比20V以下较高有相对高的效率。逆变器的功率因数经过多次多组测量，始终趋近于1，且不超过1。

(二)光伏阵列过欠压测试实验

本实验目的是为了测量并网逆变器的直流侧输入电压范围，以及过欠压点。在规定的电压允许范围间，能够实现并网逆变器的正常工作。并且在逆变器超过允许的电压范围或者低于逆变器允许的电压范围的瞬间，并网逆变器会停止工作发出声光警告。

测量发现，当输入的直流电压低于10.9V时，逆变器停止工作，即欠压点，输出功率39W。当输入的直流电压高于31.4V时，逆变器发出警告，即欠压点，输出功率135.45W。因此判定，即使逆变器规格为10.5V—30.5V之间，最小的工作电压也只能高于10.9V，而逆变器最高可承受31.4V的电压，但为了安全起见，仍需要在规定的30.5V之内进行常规操作避免逆变器的损坏。

(三)电网过欠压实验

该实验目的是通过并网模拟器模拟电网，测量逆变器能承受的电网电压范围和过压点欠压点。规格书中给出，光伏并网逆变器的可承受电压范围在180V—260V之间，那么电网在260V以内时，并网逆变器可以正常运行。当电网输出的电压低于180V时，光伏并网逆变器无法工作。首先调节光伏阵列模拟器使光伏阵列逆变器在某一固定值，观察电参数测试仪，当电压和频率正常，并网逆变器可承受的电网电压电压在规定范围内时，可将电网电压单方向调节，直至趋于最小逆变器允许工作电压，观察在哪一时刻光伏并网逆变器停止工作，发出声光警告。该电网电压即欠压点。同理，单方向调节电网模拟器电压直至最大逆变器可承受电压，观察逆变器在哪一时刻发出声光警报，该电网电压即过压点。

如图2所示，当电网模拟电压趋近于180V时，逆变器能够正常运行，但当电网模拟电压小于180V时，图中所示当电压为179.8V时，逆变器就停止工作，逆变器指示灯变红，停止并网。但当电网模拟电压高于260V时，提高10V后电压值达到270V时逆变器仍继续工作，为防止整个系统受到破坏，停止实验。因此可判断欠压点为179.8V，并未测出准确的过压点。推测逆变器并非符合规格的逆变器。但该试验也证明当电网电压发生波动时，影响光伏并网逆变器的并网运行，波动到电压允许范围以下时逆变器无法并网，过高时会损坏逆变器。

(a)模拟电网为180V时逆变器输出 (b)低于180V时逆变器输出

(四)恢复并网保护测试实验

调节电网模拟器，使电网电压和频率都在正常情况下，并网逆变器正常运行。接下来调节电网模拟器的电压。光伏并网逆变器的允许电压范围在180V—260V之间，调节电网模拟器使电压超出这一范围，再将电网电压调至范围内，(例如：220V)记录逆变器从停止状态恢复运行并网的时间。同样，使调节电网模拟器，是电网电压和频率正常，直接断开电网电压，再将电网电压调至范围之内，记录逆变器恢复并网时间。在实验过程中，逆变器若突然发生声光警报，则立即停止实验，方式逆变器损坏甚至爆炸。

在电网电压超出逆变器承受范围后恢复并网时间经测量为2.6秒，而电网电压中断后，并网逆变器恢复并网所用时间为4.6秒。由实验数据可知，电网波动会影响逆变器的运行时间，在大型光伏电站中，若电网波动超出了逆变器能够承受的范围，会使并网逆变器停止工作，无法实现上网，影响整个电站的并网能力。但是根据规定书中所述，送电延迟约20秒到5分钟。但是该逆变器并网时间并不在该范围之内，推测该逆变器并不符合规格。

五、电网电抗浮动对逆变器稳定性影响

(一)Middlebrook阻抗判据特性

最早是为了分析DC/DC变换器以及其输入滤波器间相互作用提出了Middlebrook阻抗判据。电压源与负载之间的相互作用可形象的使用戴维宁等效来表达。最早是为了分析DC/DC变换器以及其输入滤波器间相互作用提出了Middlebrook阻抗判据。电压源与负载之间的相互作用可形象的使用戴维宁等效来表达。

由戴维宁等效判据模型中，分为了两个部分，左半部分为系统，右半部分为负载，系统是由理想电压源Vs与输出阻抗Zs共同组成，负载部分只有输入阻抗Zl。流过该系统的电流为I。此模型得出的表达式要求为线性模型，但是大部分的电力电子系统中只具有非线性的模型，这就体现出小信号模型的重要性，由于结合了小信号模型，使系统能够输出线性模型表达式。由此可得电流I：

(3.1)

在该条件下，若负载部分输入电阻Zl突然从系统中断开，系统仍处于工作状态，且电压源一直保持稳定输出状态，Zl也处于稳定，那么可推断出Vs(s)/Zl(s)必然保持稳定，不发生任何改变，那么不稳定因素直接定位在上式中的后部，假定为H(s)，H(s)的表达式为：

(3.2)

根据线性控制理论，负反馈调节系统在公式中明确显示，为Zs(s)与Zl(s)的比值，前相通道增益为1，即H(s)=1，根据奈奎特斯判据，可知若相使增益稳定，前提条件是满足Zs(s)与Zl(s)的比值是固定值。因此得出Middlebrook阻抗判据。输入阻抗与输出阻抗之间存在相互作用，在非理想电压源和伴随负载的交互系统中，系统不能达到稳定运行状态。

(二)弱电网条件对逆变器的影响

上文中提到的理想电压源在弱电网与逆变器的交互系统中是不存在的，由于电网电抗浮动，形成了弱电网。弱电网中必然存在与电压源相连的阻抗，可能直接导致系统稳定性的问题，影响并网逆变器效率。在分析电网与逆变器的交互系统时，并网逆变器是采用电流控制模式，因此将Middlebrook中的电压源等效为电流源与阻抗并联的形式进行分析。接下来通过诺顿等效来研究电流控制模式下的并网逆变器如何维持稳定运行。

由诺顿等效的判据中可知，由两部分构成，电流源Is和输出导纳Ys替换了电压源，输入负载端只存在输入导纳Yl，输出电压V可用公式表达出来：

(3.3)

与戴维宁等效相同方法来判断由电流源控制的模式下的稳定性。当导纳Yl趋于无穷大时，电阻趋于0，则负载端相当于短路。电流源Is是固定值，稳定状态下，负载端导纳也趋于稳定，那么，可推断出，Is(s)与Yl(s)的比值是固定值不变，保持稳定。可直接推断出影响输出电压的稳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为1，因此为了保证系统能够稳定运行，需要满足奈奎斯特判据。因此对Ys(s)/Yl(s)的负反馈系统。也要满足这一判据，由于导纳与阻抗互为倒数，那么将(3.3)中的导纳转换为阻抗能得到下式：

(3.4)

由(3.2)式与(3.4)式进行比较后发现，为了保证系统的稳定，电压源控制模式与电流源控制模式下，其阻抗是正好相反的关系。为了保证系统稳定运行，电压源模式的输入阻抗要尽可能的大，而输出阻抗要尽可能的变小。反之电流源模式下，输出阻抗要远远高于输出阻抗，系统才能保持稳定运行。再分析电网和并网逆变器交互系统中，输出阻抗Zl(s)越小，后部分越与1相接近，系统也更稳定。

把逆变器部分看作是电流源，而负载端即与之交互的电网。电网的阻抗值为0时，逆变器的输出阻抗趋于无穷大时，是可以正常运行工作稳定。但是，这仅限与电网不发生任何波动的理想情况下。在现实的并网状态中，电网的阻抗受多种因素的影响会发生变化，影响逆变器输出，导致两者之间的关系不满足Middlebrook判据。系统发生稳定性问题。导致逆变器输出相位及频率发生改变，无法与电网保持一致。因此在弱电网条件下，微电网并网系统在电网阻抗的影响下性能变差，甚至运行不稳定，并网数量也受到了一定的限制，而且，由于电网阻抗的存在，使注入电网的谐波电流产生了谐波电压，增加公共连接点电压的谐波分量，加重了系统的谐波含量，并使系统的带载能力受到了影响。

六、结论

应用HIK-GD6测试平台进行实验，全面认识光伏系统。Middlebrook阻抗判据进一步证实了电网电抗浮动会影响并网逆变器的稳定，得到电网能够产生非特性谐波的结论，这种谐波会是逆变器产生负序电流，最终影响逆变器的寿命。

通过四个实验，得出结论：在电网电压平衡条件下，其可准确地传输有功和无功功率。但当电网出现故障时，电网电压中存在负序分量，不同相序的电压、电流分量相互作用。会使注入到电网的有功、无功功率存在二倍频的波动。有功功率波动会影响直流母线电压的稳定，无功功率波动会增大系统功率损耗，引起过流问题。