关键字 |
| 逆变器，光伏，电能质量，现场测量，谐波 |
介绍 |
| 并网光伏系统利用DC/AC转换器，根据所连接电网的电气特性，将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电。在低电压(LV)电网的公共耦合点(PCC)由光伏系统引起的谐波失真应该足够低，以免影响连接到同一低压电网的客户的供电质量。评估信号(即电网电流或电压)谐波含量的有用工具是总谐波失真(THD)。为此，欧洲标准EN 50160[1]对总电压谐波失真施加了等于8%的限制，其中包括高达40次谐波。IEC标准61727[2]解决了光伏系统和公用事业之间的接口要求，对总电流谐波失真施加了等于5%的限制。这里需要注意的是，还有一些附加的IEC标准，如IEC 61000-3-2,12，[3,4]，适用于低压系统，并根据电网短路比和发电机组的标称功率，定义了单个电流谐波的最大限值和最大电流THD限值。 |
| 光伏逆变器的电能质量现场测量能够评估其在真实运行条件下的行为，以及验证基于模拟的研究，即[5]。早在1995年，Vokas et all[6]就在希腊的两个岛屿上使用中央逆变器研究了两个试点光伏电站的谐波电压和电流。Schlabbach[7]给出了一个无变压器的5千瓦光伏逆变器的现场测量结果，而Patsalides等人[8]研究了由多个单相光伏逆变器组成的并网光伏站点的电能质量行为。Haeberlin等人[9,10]在持续的计算机监控下，对瑞士许多并网光伏系统中使用的一些逆变器(1.5 kW至20 kW)进行了密集测试。此外，从分析监测项目中获得的数据被用于获得关于新旧逆变器模型的可靠性的信息。在实验中，逆变器是在真实条件下测试的，而不是在实验室环境中。 |
| Chicco等[11]从实验结果中提供了关于并网光伏(PV)电站波形失真特征的多面视图。重点研究了在现场测量和室内试验中不同工况下产生的波形畸变特征。Korovesis等[12]研究了在光伏电站供电的弱电网络中安装非线性负荷对电网电能质量的影响。Cardona和Carretero[13]提出了一种表征单相逆变器电流总谐波失真的方法。文中还提出了不同天气(晴空和部分多云天气)电流总谐波畸变平均值的估计表达式。但应用于无三相变压器光伏逆变器的类似研究仍需进一步研究，可从国内小型装置推广到大型光伏电站。 |
| 2003年，Enslin[14]研究了大量光伏逆变器和配电系统之间相互作用的主导机制。更具体地说，本研究分析了观测到的谐波干扰现象，并解释了现有网络组件与光伏逆变器之间的共振现象。 |
| 此外，[15]中还介绍了逆变器的设计鉴定程序，包括性能特性、实用接口保护、电磁兼容性(EMC)和现场测试。 |
| 然而，文献缺乏对光伏逆变器电能质量影响的比较研究，基于对已安装和运行电站的现场测量。在本研究中，对小型光伏电站并网逆变器在实际运行条件下进行了各种测量。然后，利用测量结果对主要电特性进行了比较研究。 |
| 本文的组织结构如下:实验装置在第二节中介绍。第三节对所研究的光伏逆变器进行谐波评估。第4节强调了第3节分析的主要结果，在第5节中有一个结论。 |
现场测量方法 |
| A.测量装置 |
| 为了评估光伏逆变器输出端电网电压和电流的谐波含量，在实际工况下进行了现场测试。用于所有测试的功率分析仪是FLUKE 434型，根据国际IEC 61000-4-30标准认证为a级。图1显示了一般测试设置[16]。 |
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| 功率分析仪连接到逆变器的输出端。四个安培钳测量每个相和中性点的电流，而5根电线连接到每个相，在中性点和地面上，以测量电压。 |
| Power Log是FLUKE 434的PC软件。软件处理仪器采集的数据。记录的数据可以传输到PC进行图形化和表格化评估，在那里它们可以导出到电子表格生成和打印报告 |
| 使用Power Log软件，可以生成数据表，查看，打印和导出所有通道的时间图，进行谐波研究，打印表，图形和全面的格式化报告，并将数据导出到其他程序，如Excel。 |
| B.方法论数据收集 |
| 功率分析仪输出如下: |
| •高达40阶的谐波测量。这使得评估测量的电网电压和电流波形的谐波含量成为可能。 |
| 电压/电流/频率测量。电压测量包括中性线和直线均方根值。 |
| •实功率/无功功率/视在功率。Meter屏幕显示了前面提到的功率测量。在“趋势”界面中，可以看到各功率组件的功率随时间的变化情况。 |
| 每次测量的记录间隔为10秒。每个通道的采样周期为20msec。图2显示了测试设置的一个例子。 |
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| C.选址和系统描述的选择 |
| 来自希腊不同光伏制造商/供应商的三相无变压器逆变器最高可达10kW。选择三相逆变器的原因有: |
| •它们比单相逆变器使用更多，特别是在小型光伏电站中使用。 |
| •由于其较高的额定值，选择较低的开关频率;因此，在它们的输出上会有更高的谐波失真。 |
| •在这个主题中可以找到有限的研究工作。 |
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主要测试结果 |
| A.最大功率 |
| 结果的准确性与功率分析仪仪器的记录密切相关。在现场测量过程中，只有逆变器1注入额定功率。这是由于不同的天气条件，如太阳辐照度水平，电池温度，以及建设方向。此外，光伏板可能被抛光过。图3显示了测量周期内每个逆变器的最大功率。 |
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| B.电压不平衡 |
| 在每个位置测量了不同程度的电压不平衡。在所有情况下，中性电压几乎为零。这与电网的线路电压和逆变器的输出有关。逆变器1的栅极电压差最小，逆变器2的栅极电压差最大。在图4中，每个逆变器的三个相位之间的最大差异显示出来。这种现象主要取决于电网的电气特性和运行条件。 |
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| C. THD和无功功率问题分析 |
| 关于电压总谐波失真(THDV)，必须提到的是，所有逆变器的运行都不超过调节限值。此外，技术规程和逆变器型式试验涉及到在逆变器额定功率下的运行。THDV值被发现低于每个逆变器数据表的限制，特别是在靠近Pnom的操作期间。在图5和图6中描绘了平均电压和电流THD值(%)。正如预期的那样，在低有功功率运行期间测量到最大THD值，而在PV逆变器接近其标称功率运行时观察到最小THD值。 |
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| 在某些情况下，观察到一些逆变器在开始运行时消耗了少量的无功功率。其中3台(inv.1、inv.2、inv.4)在运行期间持续消耗无功功率。对于逆变器5和逆变器2，在上述无功功耗期间，电流THD有明显的增加。逆变器3、5、6、7不断向电网注入无功功率。另一方面，逆变器4的无功功率频繁波动是明显的(注入/吸收)。 |
| 通过观察各逆变器的THD和无功功率曲线，可以得出以下结论: |
| 逆变器1消耗的无功功率在其整个运行时间内几乎保持不变。当有功功率由于多云条件而出现偏差时，细微的差异是显而易见的，其中观察到无功功率消耗的微小增加。 |
| 对于逆变器电流的谐波含量，THDI值随PV逆变器输出有功功率近似线性减小。这可以归因于每个电流谐波的大小保持不变的事实。同时，电流谐波的最高值为5。 |
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| 逆变器2也消耗无功功率。从运行开始到上午9点，当其有功功率达到其标称功率的30%(低辐照)时，高水平的无功功率消耗是显而易见的，同时伴随着高电流THD值。但当输出有功功率大于60%时，输出无功功率被调节到较低水平，偏差可以忽略不计。同样的情况也适用于当前的THD，随着有功功率的增加，THD会大大降低。在本案例中，最强烈的电流谐波是第9次谐波。 |
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| 另一方面，逆变器3不断向电网注入无功功率。在低太阳辐照度(低有功功率)运行期间，无功功率也会降低，而电流THD会增加。与前面的案例研究一样，当前THD和有功功率之间存在类似的线性关系。在多云的条件下，电流谐波被放大。电流谐波值最高的是第5次谐波。 |
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| 图10给出了逆变器4输出无功功率变化频繁的情况。然而，需要注意的是，光伏逆变器与电网之间的无功功率交换相对较少(最高绝对值为300VAr)。第五次谐波再次是最强烈的，而电流THD强烈依赖于输出有功功率，如前所述。 |
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| 逆变器5在初始阶段消耗无功功率，当有功功率大于Pnom的15%时，向电网注入无功功率。从图11可以看出，无功功率取决于逆变器的有功功率，而有功功率又受太阳辐照度水平的影响。下午15时40分，由于移动云的存在，输出有功功率下降。无功功率降低，但电流THD增大。THDI在逆变器消耗无功功率时最高，且五次谐波最强烈。 |
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| 就THD和无功功率而言，逆变器6和7表现出与逆变器3和5相似的性能。它们不断地向电网注入无功功率，其变化与有功功率成正比。与前面的案例研究一样，在太阳辐照度较低时，有功功率和无功功率都降低，而当前THD则增加。两种逆变器相对于其他阶有高五阶谐波。电流THD与有功功率和辐照度呈线性相关。 |
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| 综上所述，根据功率分析仪的测量结果，可以推断出当前THD值受PV逆变器输出有功功率的影响。 |
| 不幸的是，只有逆变器1达到了其标称功率，因此几乎不可能估计在标称功率下运行时的当前THD值。当PV逆变器运行远低于其额定功率时，观察到最大THD值。因此，电流THD值取决于逆变器输出功率以及电网特性。图14描述了每个逆变器的有功功率，在其额定值上归一化，在此状态下测量最高电流THD值。 |
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| D.实际谐波 |
| 功率分析仪的测量可以进一步用于评估每个谐波分量对实际波形的贡献。电流谐波可以表示为基本谐波的百分比，也可以表示为所有谐波之和的百分比(RMS值)。为了更好地分析结果，最好提供图表，其中每个电流谐波表示为不断变化的实际电流的一个分数。在这种情况下，分析每个谐波阶的贡献和理解电流谐波是否增加、减少或保持不变将更容易。 |
| 因此，对于9阶以下的每个谐波，最好使用以下公式: |
| 谐波对Iactual的贡献= (k谐波·Iactual) / 100 |
| 因此，通过分析三次谐波到九次谐波对实际谐波的百分比，得出以下结论:对于逆变器1，五次谐波在其整个运行周期内几乎是稳定的。从20%到27%不等。第三次谐波从12%变化到5%，直到50%的Pnom，在此之上，它几乎保持恒定在5%。这同样适用于7阶和9阶谐波。 |
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| 在逆变器2的情况下，可以推断，在低有功功率运行期间，它不能充分抑制电流谐波。在运行初期消耗的大量无功功率，而其有功功率低于Pnom的30%，也会影响电流谐波。与其他逆变器相比，最强烈的电流谐波是9，这表明在其运行之初，它不能控制三次谐波。然而，当无功功率消耗稳定时，在Iactual上归一化的3次、5次和7次谐波保持不变，而当输出有功功率超过Pnom的70%时，9次谐波似乎变得稳定。 |
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| 另一方面，可以推断，逆变器3能够以Iactual的固定百分比调节每个电流谐波，而不考虑有功功率水平。测量值明显高于其他逆变器。假设这与逆变器拓扑结构和电网条件有关。 |
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| 从图18可以推断，当逆变器4的有功功率高于Pnom的30%时，5次、7次和9次谐波的比例几乎保持不变，而在更高的有功功率水平下，3次谐波的百分比增加，这表明该逆变器不能处理一些三次谐波。 |
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| 对于逆变器5，当其有功功率超过Pnom的25%且停止消耗无功功率时，所有电流的谐波比保持不变，因此每个谐波的贡献不受工况变化的影响。 |
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| 根据图20，逆变器6的3、7、9次谐波比值保持不变，而5次谐波与实际的比值在较高有功功率水平下增加。 |
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| 对于逆变器7，与逆变器6一样，当其有功功率超过Pnom的30%时，各电流谐波的百分比保持不变。 |
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结果与讨论 |
| 本文的主要重点是确定影响光伏逆变器电能质量特性的主要因素，这些因素反过来又可以在未来的研究中考虑。 |
| 每次测试的持续时间约为8小时。因此，大多数光伏逆变器在现场测量时没有注入额定有功功率;因此，目前的THD测量不能直接与额定功率下操作的数据表值进行比较。 |
| 根据测量结果，所有逆变器都在法定范围内以电压THD和个别电压谐波值运行。当逆变器输出有功功率接近其额定功率时，电流THD和个别电流谐波值均符合规定的最大限值。第3至第9电流谐波具有最高的幅度，而第11至第33电流谐波总是低于规定的限制。电流谐波的大小很大程度上取决于逆变器的有功功率。在所提供的图表中，所有接受检查的逆变器都表现出类似的行为:在接近Pnom的操作期间测量到最小电流THD值，而电流THD在清晨和傍晚显著增加，此时逆变器有功功率较低。另一方面，电压THD在测量期间保持足够低。正如预期的那样，它不受光伏逆变器输出有功功率变化的影响。 |
| 大多数接受测试的逆变器在运行之初消耗了少量的无功功率，这可能是由于其设备的无功功率消耗，这取决于它们的技术。此外，所有研究中的光伏逆变器都向电网注入了无功功率。再次依赖于逆变器技术，一些有助于电压控制网络，通过调节其输出无功功率。 |
| 当前THD和输出无功功率都与输出有功功率水平有关，而有功功率水平又强烈依赖于太阳辐照度水平。在低太阳辐照水平下运行时，无功功率和当前THD都增加，后者超过了数据表值以及5%的最大限制。然而，这是由于PV逆变器在现场测量时注入的有功功率远低于其额定值。因此，为了评估当前THD值是否满足所施加的限制，必须在额定功率下运行。 |
| 此外，在一些逆变器中，谐波电流的值保持不变。这意味着不管实际是多少，谐波电流都是一样的。这主要发生在Pnom 20%以上的操作中。这一事实解释了电流THD与有功功率之间的线性关系。 |
结论 |
| 本文对位于希腊不同地区的7台无三相变压器光伏逆变器在实际运行条件下的电能质量进行了研究。从本分析中得到的结果表明了影响PV逆变器输出电流电能质量特性的几个因素。大多数逆变器根据其输出有功功率和所采用的技术，消耗或向网络输入无功功率。电压THD几乎总是低于法规规定的最大允许限制，它不受逆变器有功功率波动的影响。另一方面，当电流THD表示为基电流的百分比，而不是逆变器额定，THD值几乎总是超过最大允许的限制5%，正如预期的那样，因为THD因子与PV逆变器的输出有功功率成反比。然而，随着逆变器输出有功功率的增加，THD显著降低并达到其标称值。 |
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