光伏并网逆变器与模拟电网波动的影响分析

胡月笛，肖增弘，鞠振河，潘 嵩，李 丽

（沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院；c.新能源学院，辽宁 沈阳 110136）

光伏并网逆变器作为连接光伏阵列和电网的关键设备，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。其必须具备效率高、安全可靠性强、寿命长且成本低的特点。现代光伏电站的发展离不开光伏并网逆变器，想要实现利益最大化，要尽可能地降低各种因素对设备造成的影响，以避免逆变器的不稳定输出。因此，通过模拟实验，分析电网波动会对并网逆变器造成怎样的影响，以及哪些波动会影响并网逆变器稳定性。无论是在光伏并网逆变器的生产改进方面和还是在避免波动的影响方面都有很大的益处。

1 光伏并网逆变器工作原理

1.1 前级电路的工作原理

图1 升压斩波电路

图1为升压斩波电路的原理图。该电路的作用是将电压E1升压到E2。其中，E1是光伏阵列的输出电压，E2是升压斩波电路的输出电压。当开关S打开时，电感L上积蓄电能；当S闭合时，电感中积累了一定的电压，这时可将电感看作是电源，进行电能输送，传递到负载端。假设电感L充分大，流经电感L的电流值恒定为I1。当S导通时，假设S的传导时间是ton，电感L中积累的电能为E1I1ton；当闭合开关S后，假设电容C足够大，输出电压为一个恒定值，开关S的关闭时间是toff，然后释放到负载的能量是(E2-E1)I1toff。在稳态情况下，必须使电感中所积累的电能与负载端所接收的电能相等，所以有：式中，由于Ttoff恒大于1，所以输出电压必然高于输入电压，即升压斩波电路能够提高输入电压的大小。

1.2 后级电路工作原理

图2 后级电路原理

图2为后级电路的原理图。主电路图是以绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为主开关器件的单相全桥逆变器，其中LN是交流输出电感，Cd为前级电路中的输出电容，也称为直流侧支撑电容，S1～S4是主开关管IGBT，通过对4个开关管进行适当的脉宽控制，就可以将输出电流IN(t)调节为正弦波，并且与网压UN(t)保持同相位，目的是为了使输出功率因数为l。因为后级电路是由2个桥臂并联构成的，这样的桥式拓扑仍属于升压式结构。在启动之前，必须满足直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，在运行过程中，要保证直流侧的电压不低于电网电压的峰值，才能使电感电流按照给定的波形和相位得以控制。

2 逆变器测试平台实验

2.1 逆变器的选型

如图3为GTI300W 10.5-30VDC220VDC型光伏逆变器。该逆变器具有精准的APL功能和MPPT功能，可以自动调节太阳能电池板的功率达到最大输出。在交流电源的0角相隔离和放大后，将其输入到单片机进行高精度的检测和分析。其位移率小于1%，从而实现高精度、同步调制的交流功率输出。纯正弦波是由SPWM直接生成和输出的。如果发生电网故障或断电，“孤岛保护”功能将生效，自动停止输出。该逆变器可以和多个单元并联使用，以实现低功率逆变器获得高功率输出的能力。

图3GTI300W 10.5-30VDC220VAC型并网逆变器

2.2 逆变器效率及功率因数测试实验

逆变器效率可以通过对转换效率的测试，来测评逆变器的性能，以及此类型逆变器的价值。逆变器效率越高，利用率也越高，性价比越好。通常利用逆变器的功率因数衡量逆变器效率的高低的因数，功率因数越趋近于1，逆变器的转换效率越高。

将光伏阵列模拟器与并网逆变器的直流输入侧相连，电网模拟器与并网逆变器的输出侧相连。连通后打开逆变器开关。使用光伏阵列模拟器模拟输入直流电压，从21 V开始记录，每上升2 V记录1次，实验结果如表1所示。

表1 数据记录及功率因数

逆变器的效率如表2所示。

表2 逆变器效率

由表2数据分析可知，当输入电压增高到21 V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。在21.5 V～30.5 V的规定范围内，输出的效率接近于该逆变器的最高效率。

2.3 光伏并网逆变器过欠压测试实验

实验所用光伏并网逆变器的输入电压范围为10.5 V～30.5 V，首先调节电网模拟器使并网逆变器的电压和频率正常，当逆变器输入电压即将趋于规定范围时，缓慢调节电压，直至逆变器停止工作，记录逆变器停止工作的点即为逆变器输入电压的上限；然后将阵列模拟器的输出容量设定为略大于10.5 V，实验设置为11 V，缓慢降低输入电压，直到逆变器无法满功率馈网供电，记录逆变器脱离运行的电压，即为输入电压的下限。

通过测量发现，当输入的直流电压低于10.9 V时，逆变器停止工作，即欠压点，输出功率为39 W；当输入的直流电压高于31.4 V时，逆变器发出警告，即过压点，输出功率为135.45 W。因此判定，即使逆变器规格为10.5 V～30.5 V，最小的工作电压也不能低于10.9 V，而逆变器最高可承受31.4 V的电压。

图4 输出示数

2.4 电网过欠压实验

光伏并网逆变器可承受的电网电压范围在180 V～260 V，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，当电压和频率正常，并网逆变器可承受的电网电压在规定范围内时，可将电网电压单方向调节，直至趋于逆变器允许的最小工作电压。当光伏并网逆变器停止工作，发出声光警告时，即为欠压点；同理，单方向调节电网模拟器的电压直至逆变器可承受的最大电压，当逆变器发出声光警报，即为过压点。

如图4所示，当电网模拟电压趋近于180 V时，逆变器能够正常运行。当电网模拟电压小于180 V时，逆变器停止工作，指示灯变红；当电网模拟电压高于260 V，达到270 V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179.8 V，并未测出准确的过压点。

2.5 恢复并网保护测试实验

首先保持电网电压和频率均在允许范围内，使并网逆变器正常运行，然后调节电网模拟器使电压超出允许范围，再将电网电压调回至范围内，记录逆变器从停止状态恢复运行并网的时间。同理，直接断开电网电压，再恢复逆变器正常工作，并记录恢复时间。

在电网电压超出逆变器承受范围再恢复后的并网时间为2.6 s，而电网电压中断后再恢复的时间为4.6 s。由实验数据可知，电网波动会影响逆变器的运行时间。

2.6 电网电抗浮动对逆变器稳定性影响

目前，大部分试验和理论都在电网没有缺陷的情况下进行的。视电网为理想电压源可以使理论分析得到简化，但是这种电抗浮动的情况下，并不适用。视为理想电压源的都为无缺陷电网，等效出来的电网模型不能视为理想电压源，会影响逆变器的稳定性，是存在缺陷的电网。所以，为了研究在当电网电抗浮动时对逆变器会产生怎样的影响，需将电网看作是一个存在阻抗的电压源，需要用到Middlebrook阻抗判据。

在分析电网与逆变器的交互系统时，并网逆变器采用电流控制模式，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，然后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，等效电路如图5所示。

图5 电流源控制模式等效模型

由诺顿等效的判据中可知，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()s为

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，则Is(s)与Yl(s)的比值是固定的。因此，可推断出影响输出电压稳定性的直接原因是上式中的后半部分。将后半部分看作是前行通道增益，为了保证系统能够稳定运行，需要满足奈奎斯特判据。因此，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，那么将式（3）中的导纳转换为阻抗可得：

将式（3）与式（4）式进行比较后发现，为了保证系统的稳定，电压源模式下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，电流源模式下的输出阻抗要远远高于输入阻抗，系统才能保持稳定运行。在电网和并网逆变器交互系统中，输出阻抗Zl(s)越小，后半部分越接近1，系统也更稳定。

在图5中，把逆变器部分看作是电流源，而负载端即是与之交互的电网。当电网的阻抗值为0，逆变器的输出阻抗趋于无穷大时，系统是可以正常运行工作的，但这仅限于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，系统不稳定。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，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，使系统的带载能力受到了影响。

3结语

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视为理想电压源，但是在现实生活中，电网无法达到这种要求。因此，引入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。

通常光伏发电系统通过并网逆变器与电网进行连接。在电网电压平衡条件下，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和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。为解决功率波动问题，提出了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，难以满足并网要求，且使整个系统控制困难。由于谐波而产生的负序电流将是未来的重点研究对象。