光伏逆变器动态谐波等效建模及其影响因素分析

薛水莲，殷志龙

（西安德纳检验检测有限公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

国家能源局的统计数据表明，截止2019年年底，我国光伏装机容量累计达到204.68 GW，其中2019年新增的光伏装机容量为30.22 GW。光伏发电已成为我国能源发展系统中的重要组成部分，在全面高速发展光伏的同时，应基于光伏电站电流源特性从光伏逆变器动态谐波角度出发，确保光伏逆变器拥有良好的电流转换性能，进而打造优质的发电环境。

1 光伏逆变器动态谐波产生机理

光伏发电是净化空气和保护环境的重要发电形式。在实际应用期间，光伏逆变器能将基于光生伏打效应在晶硅组件中形成的直流电转化为交流电馈进电网，利用传统的交流高压网架及线路输向远方负荷。光伏逆变器往往由脉宽调制开关控制谐波，期间易产生谐波、间谐波和高频分量。光伏并网系统中的并网发电模式需要借助并网逆变器进行并网点的有效连接，系统结构如图1所示。此外，光伏逆变器采用的电流转变形式多为双闭环控制。一般而言，光伏逆变器中容量增加时产生的谐波频率会下降，因此在光伏逆变器实际运行期间以双极性正弦脉宽调制为主。光伏并网系统也会对光伏逆变器动态谐波的产生带来一定影响，这源于在发电阶段受太阳光辐照强度随机变化的干扰，光伏方阵接收到的辐照度不恒定，影响光伏逆变器的调制和滤波，进而形成由光伏逆变器输出汇集、由光伏电站并网点统一输出的除3次及其倍次谐波外的其他次谐波成分超标的典型现象，导致电网输送电能时形成了不平稳的谐波电流，从而引起谐波污染[1]。

图1 光伏发电系统结构示意图

2 光伏逆变器动态谐波的影响因素

2.1 滤波器结构

影响光伏逆变器动态谐波的主要因素包括滤波器的结构。在调制开关频率变化时，对应的滤波频率也会随之改变，从而导致出现光伏逆变器效率下降等问题。常见的滤波器结构包括L型滤波器和LCL型滤波器，针对光伏配网系统中使用的滤波器可抑制谐波。一般而言，当光伏逆变器中所形成的谐波超标时，容易由逆变器滤波电路过温、电抗器振动加剧以及升压变压器角形侧环流发热而产生“热击穿”等故障。从滤波器结构上展开讨论可发现，两种不同结构滤波器中的光伏逆变器所产生的输出电流和输出电压间具有以下关系：

通过计算可知，当两种滤波器结构中的电感相同时，它们所形成的增益基本一致。在高频段前提下，LCL型滤波器结构形成的斜率呈现递减趋势，递减频率为-60 dB，而L型滤波器结构以-20 dB的速度减小，表示LCL滤波器结构对谐波的抑制效果更佳。同时，滤波器结构会形成对应的谐振点增加功率的损失量，因此在确定滤波器结构时可根据实际情况选择滤波器结构，由此保证光伏逆变器具有较强的动态谐波控制能力。滤波器的电路如图2所示。

图2 滤波器运行电路图

2.2 发电单元

光伏逆变器的输出电压与电网电压之间有线性关系，在基波频率基础上形成的滤波电容偏小可忽略不计。光伏并网系统中形成的电流值可按照式（3）加以计算：

其中，U指交流侧电压；I指光伏并网系统的电流；P和Q分别是光伏逆变器输出的有功与无功功率。在计算光伏逆变器的输出电压时，可采用式（4）进行计算：

可见，当光伏逆变器产生的有功与无功功率变大时，调制度也会变大，并且形成的谐波量也会随之改变。因此，在光伏逆变器中的发电单元会对其动态谐波造成一定影响。据相关实验数据可知：在只有有功功率且数值为0.007 4 MW的情况下，对应的调制度为0.76；随着有功功率增加至0.014 8 MW，调制度也将增加0.09。因此，光伏逆变器动态谐波的生成量将与发电单元中形成的功率、电压等数值有着重要关联，以此保证光伏逆变器拥有良好的实用性能。

3 光伏逆变器动态谐波等效建模方法

3.1 不对称电路分析

谐波的出现对光伏逆变器的实用性带来了一定的负面影响，而且会增加电能损耗。因此，应在不对称电路下对光伏逆变器动态谐波的产生建立等效模型，借助相关模型验证光伏逆变器的动态谐波输出特征，从而为其后期改进工作提供重要保障。同时，在不对称电路中应先行根据等效模型的运行规律计算在短路状态下光伏逆变器的基波频率，这样才能知晓短路前后交流侧电流对应的谐波数值，便于快速判断光伏逆变器的动态谐波变化量[2]。

比如，在某一380 V/50 Hz交流电压下，若它的等效电阻数值为0.5 Ω，在滤波器等效电感为8 mH、电容为220 μF时，对光伏逆变器交流电转换出口处进行短路处理，并利用多组运行试验，验证在不对称电路下建立的等效模型是否具备参考价值。

在单相短路故障下，可保证光伏逆变器的无功功率具有3 kvar，且在尚未出现短路故障前期，交流侧电流数值为36.75 A，之后根据光伏逆变器中的直流与交流的变换特征，针对动态谐波模型进行细致分析，由此可知在发生短路故障期间将至少出现两次显著的谐波状况。因此，应及时保护光伏逆变器的电压，防止超压造成光伏逆变器无法发挥真正的电流转换作用。基于此，可设计相应的控制器，以便精准掌握短路故障出现后光伏逆变器形成的电流变化情况，最终及时控制光伏逆变器的运行状态，防止过载电流引发更加严重的后果。

3.2 动态相量扰动量分析

针对光伏逆变器动态谐波建立等效模型阶段，还应明确动态相量扰动量，由此保证得出的结论具有参考价值。其中，在等效模型中可先行将基波频率设在50 Hz，并对动态相量实施分量分析，从而全面了解间谐波的产生情况。等效模型中涉及到的相关参数包括基波频率、电流、电压等，其中可结合相关方程式细致分析光伏逆变器的电流变化数值，知晓间谐波在逆变器中的实际分布规律。同时，可根据分析结果判断，在频率下降时等效模型中的阶数将有所增加，此时所需计算时限也会延长。具体可从下述两种不同动态谐波产生条件进行深入研究。

光伏逆变器运行期间具有低频扰动量。比如，在光伏电流中包含5 Hz频率的波动量时，光伏逆变器中形成的电流值可按照式（5）进行计算：

代入相关参数后，可获得电流大小。由于直流电压中也会产生低频波动，故而可以此为依据分析谐波分量电流，最终从理论结果中得出“扰动频率的增加会缩小间接波电流变化幅度”的结论。

光伏并网系统电压中存在间谐波。若在等效模型建立环节将间谐波的频率设置在45 Hz，并将间谐波含量控制在2%基波含量范围内，再通过等效模型判断对比不同频率下间谐波的产生量，从而判定间谐波可在光伏逆变器电流状态转换期间实现有效转移[3]。

同时，在角频率对逆变器造成扰动干扰时，扰动频率越高，间谐波电流的变化幅度就越小。尤其在针对角频率下的电压实施分量计算时会形成扰动电压，此时应输送间谐波电流。经过相关研究最终可确定，基于分量扰动量基础上建立等效模型分析动态谐波变化情况具有较强的精准度。因此，光伏逆变器动态谐波是光伏发电领域中需要予以密切关注的重要因素。只有实现动态谐波的合理抑制，才能保证光伏逆变器在光伏发电与太阳能利用期间为其提供重要保障，以免影响太阳能等新能源的实用性，便于开拓新能源应用渠道，从而为电力行业的兴旺发展奠定坚实基础。

3.3 谐波等效模型

光伏逆变器在运行期间受电流与电压双重闭环模式影响。因电流环与电压环的时间常数相差较大，故而在根据光伏逆变器动态谐波建立等效模型时应以电流环为主。要格外注重光伏逆变器中的谐波情况，一是为了保证电力设备具有高质量保障，避免出现烧毁现象，二是为了符合国家针对光伏发电所提出的具体要求。比如，谐波量不可超出光伏并网系统谐波总量的5%等。同时，可在等效建模环节借助功率分析仪检测光伏逆变器中形成的谐波量，由达到最佳等效建模效果。比如，可利用PA300类型的功率分析仪，它的精准度为0.1%，从而保证等效模型更贴合实际背景。

另外，可为等效模型提供不同的运行环境，以此得知谐波变化幅度与光伏逆变器输出电压的关联。一般情况下，可通过控制光伏逆变器阻抗值的方式消除谐波。光伏逆变器动态谐波等效建模方式可直观展现动态变化特征，所以等效模型是当前光伏逆变器谐波研究中最重要的依托，相关人员应予以重视。

3.4 仿真验证试验

仿真验证试验可为等效模型的实效性提供重要参考依据。因此，在等效建模阶段应充分开展仿真试验，以掌握光伏逆变器电流变化规律。同时，仿真试验结果也能真实反映等效模型是否足够准确[4]。

在仿真试验中在对等效模型精准度进行仿真验证时，应充分意识到高频率谐波的影响因素，且可将仿真试验中光伏逆变器中的滤波器电容分别设在5 mH、2 mH，电阻应为0.01 Ω。直流侧电压应保持在700 V，电网频率应为50 Hz，电压为220 V，以促使整个仿真试验更符合谐波检测实际要求。此外，在仿真试验中应从中获取多组逆变器输出电压产生的谐波量，最终缩短仿真值与计算值的差距，由此增强等效模型的可靠性，使其为动态谐波的相关研究起到辅助作用。

结合等效模型对其进行仿真数据与计算数据的对比，可进一步验证等效模型是否能够为光伏逆变器动态谐波的消除与抑制带来积极影响。虽然两者在比较中有一定误差，但其误差处于允许误差值内，便于能源利用领域获得可信度更高的参考数据。

4 结 论

综上所述，通过对光伏逆变器动态谐波的影响因素与产生机理等部分展开讨论，可判断光伏逆变器动态等效模型的建立确实具有一定参考价值，并从分析不对称电路、动态相量扰动量、等效模型以及仿真试验等方面着手，确保光伏发电成为当前新能源发展领域重要方向。同时，利用建模等形式为节能型能源研发工作带来了重要指引，进而在满足当前能源供应需求基础上增强用户用电体验。