發布時間：2022-03-28所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為分析光伏電站諧波產生機理，精確估算不同工況下光伏電站諧波輸出，提出光伏電站動態諧波域模型。設定輻照度及光伏板溫度為外部變量，構建出光伏陣列及最大功率點跟蹤算法數學模型。將死區效應及調制環節等非理想因素考慮到逆變器的建模中，構建出逆變器等效非
摘要：為分析光伏電站諧波產生機理，精確估算不同工況下光伏電站諧波輸出，提出光伏電站動態諧波域模型。設定輻照度及光伏板溫度為外部變量，構建出光伏陣列及最大功率點跟蹤算法數學模型。將死區效應及調制環節等非理想因素考慮到逆變器的建模中，構建出逆變器等效非理想模型。推導出 1 MVA 發電單元戴維寧等效電路;建立逼近實際并網系統的阻抗網絡模型。利用提出的模型，分析光伏電站諧波輸出與輻照度及光伏板溫度的關系。對青海 50 MVA 并網光伏電站進行諧波數據實測，通過實測數據與模型計算數據的對比證明所提建模方法的有效性及正確性。
關鍵詞：光伏電站;諧波域模型;阻抗網絡;諧波特性
0 引言
根據最新的數據統計，2015 年全球光伏累計裝機容量可達 200 GW，約為 2012 年的 2 倍，雖然 2010 年至今光伏產業一直跌宕起伏，但長期來看仍將保持強勁的增長勢頭，預計 2017 年累計光伏裝機量將超過 450 GW。2012 年，中國成為全球第二大光伏應用市場，2013 年 7 月 15 日，中國出臺了《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》，提出2013—2015年每年將新增裝機容量10 GW左右， 2015 年總裝機容量達到 35 GW 以上[1-4]。光伏電站正向規模化和大型化發展，若干兆瓦級并網光伏電站相繼在青海、甘肅、寧夏等地開工或運行，我國也制定了相應的并網技術規定[5]，但國內目前的大型光伏電站仍以工程示范為主，主要為光伏商業化積累經驗。而國外已建成 10 MW 及以上大型光伏電站百余座，相關光伏發電并網標準及其檢測標準已形成較為完整的體系。由于光伏電站與常規電站運行機理不同，大容量光伏電站并網將給電網安全穩定運行帶來挑戰[6-13]。
大型光伏電站采用逆變器作為并網及直交變換的接口，由于其固有特性，電站輸出的諧波具有寬頻域及高頻次等特性，含量過高時將會影響電網安全穩定運行[3-4]，因此分析光伏電站諧波產生機理并對電站諧波輸出進行精確估算具有重要意義。
光伏電站數學建模為研究其輸出特性的基本手段，國內外學者對光伏電站的數學建模方面已經開展了研究。文獻[14-16]以光伏電站逆變器為核心，將光伏組件、濾波器、升壓變壓器等器件按逆變器拓撲結構的要求進行化簡，從而得到等值數學模型。這種建模方式缺乏整體協調性，且不能動態的反應諧波輸出特性。文獻[17-19]建立了由光伏陣列、升壓電路、逆變器、濾波裝置等組成的并網型發電系統的模型，并采用受控電流源及受控電壓源來表征整流逆變部分的電流及電壓，建立了用微分方程和代數方程表征的光伏電站動態數學模型，但這種建模方式忽略了諧波因素，因此只能用于分析基波擾動對電網的影響，應用于諧波分析時有較大局限性。文獻[20]對多逆變器構成的環境進行了建模，并考慮了死區及器件非線性特性，但忽略了調制環節產生的高次諧波，而且該系統與光伏電站特殊結構有差異，因此該模型并不適用。
本文以典型光伏電站電氣結構為基礎，考慮光伏陣列輸出特性、最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)、逆變器死區時間、調制過程、逆變器損耗等因素，建立光伏電站數學模型，該模型可計算光伏電站輸出基波電流及諧波電流等參數。仿真數據及測試數據的對比驗證了該模型的有效性及計算精度。
1 光伏電站電氣結構
不同容量的光伏電站具有不同的設計方案，本文以青海某 50 MVA 光伏電站為例介紹其基本結構。如圖 1 所示，電站主要由光伏陣列、直流匯流箱、逆變器、雙分裂變壓器、升壓變、站用負荷及輸電線路等組成。
電站采用分塊發電、集中并網的方案進行設計。容量約 500 kW 的光伏陣列經串并聯組合匯流后并聯至 500 kW 光伏逆變器直流側。兩臺 500 kW 光伏逆變器及一臺連接方式為 D-Yn11-Yn11，變比為 36.5/0.27/0.27 的雙分裂變壓器組成一個容量為 1 MVA 發電單元。35 kV 總站將 50 個 1 MVA 子站輸出電流在 35 kV 段母線統一匯流后，通過架空線送至上級變電站。光伏電站內部負載有水泵、照明等設備需要從 110 kV 總站配一套用電裝置。
大型光伏電站一般采用雙分裂變壓器實現并網，低壓兩繞組容量相等，繞組之間有較大的短路阻抗，但與高壓繞組之間短路阻抗較小。運行時，當其中一低壓繞組短路時，另一繞組可保持較高電壓，從而保證兩繞組所接入的逆變器電流獨立匯入且互不影響。
光伏電站采用的大功率光伏逆變器為提高效率一般取消升壓電路，直接通過組件串聯提高其直流側電壓;逆變器開關頻率較低，多采用 LCL 濾波器，在低開關頻率及小電感的情況下相比 L 型及 LC 型濾波器可獲得更好的諧波抑制性能;只輸出有功功率，并網點功率因數為 1[4]。
2 光伏電站諧波域數學模型
2.1 建模策略
光伏逆變器作為交直變換的核心器件，本節以其基本參數及光伏電站電氣結構作為研究基礎，建模思想如圖 2 所示。圖中：光伏板溫度 T 及輻照度 S 作為外部變量，即模型的輸入; o,h I 為光伏電站輸出諧波電流;Udc為逆變器直流側電壓;Uinv,h 為逆變器輸出諧波電壓。
首先建立光伏陣列工程模型[2]，通過 MPPT 算法計算其最大功率點電壓，進而得到逆變器直流側電壓 Udc;考慮死區效應及調制環節等因素，將逆變器輸出諧波電壓分為低次及高次兩部分，分別予以計算;在單臺逆變器模型的基礎上，聯合雙分裂變壓器構建 1 MVA 發電單元的模型;最后構建光伏電站阻抗網絡，聯合升壓變壓器及站內負荷等共同構成光伏電站諧波域數學模型，光伏逆變器及光伏電站具體參數如下所示。
1)光伏組件參數。
單塊額定功率 235 W;開路電壓 37 V;短路電流 8.54 A;額定電壓 29.5 V;額定電流 7.97 A;串并聯數為 20 和 108;MPPT 調節范圍為 450~800 V。
2)逆變器參數。
額定功率 500 kW ，采用正弦脈寬調制 (sinusoidal pulse width modulation，SPWM);載波頻率 1 050 Hz;死區時間 4 μs;交流額定電壓 270 V。 LCL 濾波器：L1 為 0.17 mH;L2 為 0.05 mH;C 為 1 800 μF;效率 94%~98%(10%出力以下)。
3)變壓器參數。
主變壓器：額定容量 63 MVA;聯結組別 YN-d11;變比 121/35;空載損耗 43.713 kW;負載損耗 256.5 kW;短路阻抗百分比 10.84%。雙分裂變壓器：容量 1 250/630-630 kVA ;聯結組別 D-Yn11-Yn11;變比 36.5/0.27/0.27;短路阻抗百分比 6.5%。
4)電站參數。
額定容量為 50 MVA，由 50 個 1 MVA 發電單元并聯組成;站內負荷容量 1.2 MVA;功率因數 0.88。
5)系統參數。
最小短路容量 2 700 MVA ;等效電抗 128.45 mH;傳輸線送端負荷容量 270 MVA;功率因數 0.91。13 km 的 LGJ185 架空線：線路電阻 11.2 Ω;電抗 56 Ω;電納 4.08 × 10−4 S。 2.2 光伏陣列及 MPPT 建模在影響光伏陣列輸出特性的多種因素中，光伏板溫度及輻照度的影響最大，所以本文中把輻照度 S、光伏板溫度 T 設為外部變量。
2.3 逆變器非理想模型
在不考慮背景諧波電壓等情況下，逆變器產生的諧波主要由兩部分構成：一部分由死區時間引起，包括 3、5、7、9 等低次諧波電壓;另一部分由調制過程產生，成組的分布于開關頻率附近，下面對這兩部分進行建模分析。光伏逆變器穩態模型如圖 4 所示。其中：US 為交流側電壓， oI 為并網電流，由于功率因數為 1，所以二者有相同的相位;Uinv 為逆變器輸出電壓， UC 為 LCL 濾波器電容支路電壓，二者近似相等，相位為ϕ;L1、L2 為濾波器電抗值;Ls 為網側阻抗。
2.4 光伏電站建模
光伏電站由多個光伏發電單元構成，不同的發電單元之間存在線路阻抗。1 MVA 發電單元等值電路如圖 5 所示，包括兩臺 500 kW 光伏逆變器及一臺雙分裂變壓器，其中 ZL1 、 ZL2 、 ZC 為輸出濾波器，ZT1 、ZT2 、ZT3 為分裂變壓器各繞組等效阻抗， U1 為變壓器高壓側電壓。由于雙分裂變壓器低壓兩繞組之間無電氣聯系，僅有微弱磁聯系，根據戴維寧定理，1 MVA 發電單元可等效為圖 6 中虛線內部分，等效開路電壓及輸入阻抗分別如式(17)、(18) 所示。
2.5 光伏電站輸出特性分析
光伏電站在不同輻照度及光伏板溫度的情況下出力情況如圖 7(a)所示。可看出起決定性作用的為輻照度，溫度對基波出力影響甚微。
光伏電站輸出諧波電流畸變率如圖 7(b)所示，可看出光伏板溫度及幅照度對諧波電流畸變率都 有較大的影響，隨幅照度上升而降低，隨溫度升高而上升。在低溫高輻照度的工況下，電流畸變率約 1%，而在高溫低輻照的工況下可能超過 5%。圖 7(c)所示為光伏電站并網點諧波電壓畸變率，在 0.7%~1.1%之間波動，隨溫度升高而升高，隨輻照度升高而升高。
3 仿真及數據實測結果對比分析
借助 Fluke-434 電能質量測試儀對光伏電站并網點電壓畸變率、并網電流中諧波電流總畸變率、 19、23 次諧波電流畸變率的變化情況進行 50 min 的記錄。并通過環境監測儀獲取當前時間段組件溫度及輻照度的變化情況，共 50 組數據。
采用 2.1 中所列參數，在 Matlab 環境下對光伏電站數學模型進行仿真。將環境監測儀獲取的溫度及輻照度曲線作為仿真計算的輸入，得到光伏電站并網點電壓畸變率、輸出電流畸變率以及含量較多的 19、23 次諧波電流畸變率波形。通過與實測數據的比對來驗證諧波域數學模型的正確性。
環境監測儀實時記錄的 50 組 23° 垂直輻照度 (組件傾斜角)及組件溫度數據如圖 8 所示。輻照度變化較大，單位時間內(1 min)可能有 20%以上的波動，輻照度最大在第 2 min 及第 47 min 處，對應幅照度約 940 W/m2 ，最小在第 39 min 處，對應輻照度約 500 W/m2 。溫度變化較為平緩，由 19 ℃逐漸上升到 23 ℃，過程中有輕微波動。
圖 9(a)為電站輸出電流中 19 次及 23 次諧波電流畸變率變化趨勢。可看出 19 及 23 次諧波電流有基本相同的變化趨勢，與輻照度變化趨勢相反，19 次諧波電流最大值約 1.3%，最小為 0.76%。而 23 次最大為 0.81%，最小為 0.5%。
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圖 9(b)、(c)為 19 次及 23 次諧波電流變化趨勢的實測數據。其中，圖 9(b)橫坐標代表時間，共 50 min，每小格代表 50 s，縱坐標為諧波電流畸變率，坐標范圍為 1.0%~2.0% ，每一小格代表 0.057 4%。圖 9(c)橫坐標與圖 9(b)相同，縱坐標為諧波電流畸變率，坐標范圍為 0%~1.0%，每一小格代表 0.028 7%。二者有相同的趨勢，實測結果中， 19 次諧波電流畸變率最大為 1.29%，最小為 0.73%。 23 次諧波電流畸變率最大為 0.81%，最小為 0.5%。通過與圖 9 仿真結果進行逐點的對比，19 次及 23 次最大誤差率均不超過 4%。證明了該模型可以較精確的計算出光伏電站產生的高次諧波電流。
圖 10(a)為光伏電站輸出電流總畸變率及并網點電壓畸變率仿真結果。可看出輸出電流總畸變率與輻照度趨勢大致相反，而并網點電壓畸變率與輻照度趨勢大致相同。電流畸變率最大為 1.6%，最小為 0.9%。電壓畸變率最大為 0.9%，最小為 0.78%。圖 10(b)、(c)為輸出電流畸變率及并網點電壓畸變率變化趨勢的實測數據。其中圖 10(b)縱坐標為諧波電流畸變率，坐標范圍為 1.0%~2.0%，每一小格代表 0.028 7%。圖 10(c)縱坐標為諧波電壓畸變率，坐標范圍為 0.0%~2.0%，每一小格代表 0.057 4%。實測數據中電流畸變率最大為 1.81%，最小為 1.05%。電壓畸變率最大為 1.17%，最小為 0.76%。通過與圖 10(a)進行逐點的對比發現：電流畸變率實測數據普遍高于仿真數據，平均誤差率約 9%。電 壓畸變率同樣如此，實測數值比仿真數值略大，平均誤差率約 11%。
電流總畸變率仿真數據較實測數據較小的原因是由于該模型中低次諧波主要按死區時間計算，忽略了背景諧波電壓對逆變器的影響。此外，大容量升壓變鐵芯過飽和也會產生 5 次諧波電流。而電壓畸變率的誤差主要由背景諧波電壓影響，背景諧波電壓的疊加必定使得總電壓畸變率升高，此外模型還忽略了負荷功率的波動以及系統阻抗的波動等因素。
4 結論
提出大型并網光伏電站動態數學模型，采用分塊建模的方式分別對光伏陣列、MPPT、DC/AC 部分及電站內部阻抗網絡進行建模。該模型可揭示光伏電站諧波產生的基理以及諧波變化的規律。通過實測數據與計算數據的對比證明該模型可在一定精度下復現大型并網光伏電站在任意輻照度及溫度工況下的基波及諧波輸出特性，可作為分析并網光伏電站運行特性的有效手段，為配電網容納光伏的能力以及大型光伏電站電能質量治理裝備等課題的研究提供參考。——論文作者：謝寧 1 ，羅安 1 ，陳燕東 1 ，馬伏軍 1 ，徐欣慰 1 ，呂志鵬 2 ，帥智康 1
參考文獻
[1] 趙玉文，吳達成，王思成，等.中國光伏產業發展研究報告(2006—2007)(下)[J].太陽能，2008(8)：6-13. Zhao Yuwen，Wu Dacheng，Wang Sicheng，et al.Report on China PV industry development (2006—2007)(3)[J]. Solar Energy，2008(8)：6-13(in Chinese).
[2] 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2006. Zhao Zhengming，Liu Jianzheng，Sun Xiaoying，et al. Solar photovoltaic and its application[M].Beijing：Science Press，2006(in Chinese).
[3] 趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統自動化，2011，35(12)：101-107. Zhao Zhengming，Lei Yi，He Fanbo，et al.Overview of large-scale grid-connected photovoltaic power plants[J]. Automation of Electric Power Systems，2011，35(12)： 101-107(in Chinese).
[4] 謝寧，羅安，馬伏軍，等.大型光伏電站與電網諧波交互影響[J].中國電機工程學報，2013，33(34)：9-16. Xie Ning，Luo An，Ma Fujun，et al.Harmonic interaction between large-scale photovoltaic power stations and grids [J].Proceedings of the CSEE，2013，33(34)：9-16(in Chinese).
[5] 國家電網公司.Q/GDW 617-2011 光伏電站接入電網技術規定[S].北京：中國電力出版社，2011. State Grid . Q/GDW 617-2011 Technical rule for photovoltaic power station connected to power grid[S]. Beijing：China Electric Power Press，2011(in Chinese).
[6] Liserre M，Teodorescu R，Blaabjerg F.Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2006，21(1)：263-272.
[7] 王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，34(2)：10-14. Wang Chengshan，Li Peng.Development and challenges of distributed generation ， the micro-grid and smart distribution system[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34(2)：10-14(in Chinese).
[8] Yoshida K，Kouchi K，Nakanishi Y，et al.Centralized control of clustered PV generations for loss minimization and power quality[C]//Proceedings of IEEE Power and Energy Society General Meeting.Pittsburgh，USA：IEEE， 2008：1-6.
[9] Hojo M，Hatano H，Fuma Y.Voltage rise suppression by reactive power control with cooperating photovoltaic generation systems[C]//Proceedings of the 20th International Conference and Exhibition of Electricity Distribution.Prague，Czech Republic：IEEE，2009： 1-14.
[10] 趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2003. Zhao Wei . Research on grid-connected photovoltaic system[D].Hefei：Hefei University of Technology， 2003(in Chinese).
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