分布式光伏系统对电网的冲击影响

- 0 - 分布式光伏系统并网对电网的影响沈 阳 市 浑 南 新 区 远 航 西 路昂 立 信 息 园0 2 4 - 3 1 2 7 8 1 8 60 2 4 - 3 1 6 9 8 2 6 12 0 1 3 - 9 - 2 5伊恩勇[本文主要从电网电压、短路电流、谐波电流、直流分量及孤岛效应等五方面研究光伏系统接入电网后对电网产生的影响，在仿真平台上验证光伏系统对电网的冲击效果 ] 金都新能源- 1 - 目 录摘 要 - 1 -第一章 光伏并网对电网电压的影响 - 4 -1.1 分布式光伏并网系统的组成结构 - 4 -1.2 辐照度引起的电压波动的分析 - 6 -第二章 光伏并网对电网短路电流的影响 - 9 -2.1 分布式光伏系统逆变器的控制 . - 9 -2.2 光伏并网对短路电流的影响分析 - 11 -2.3 对短路电流影响的仿真分析 - 11 -2.3.1 三相对称短路时的短路电流 - 12 -2.3.2 两相不对称短路时的短路电流 - 14 -2.3.3 分布式光伏系统输出功率对短路电流的影响 . - 15 -2.4 结论 . - 16 -第三章 光伏系统电流谐波对电网影响 - 17 -3.1 光伏发电系统结构 . - 17 -3.2 并网逆变器控制策略 . - 18 -3.2.1 MPPT-电压的控制策略 . - 18 -3.2.2 三相 APF 算法的实现 - 19 -3.3 仿真结果分析 . - 20 -3.4 本章小结 . - 21 -第四章 光伏系统对直流分量的抑制及方法分析 - 22 -4.1 直流分量产生的原因及危害 . - 22 -4.1.1 直流分量产生的原因分析 - 22 -金都新能源- 2 - 4.1.2 直流分量对电网及设备的影响 - 23 -4.2 光伏系统抑制直流分量的措施 . - 24 -4.2.1 可抑制直流分量的逆变器 - 24 -4.2.2 检测补偿法 - 27 -4.2.3 电容隔直法 - 32 -4.3 本章小结 . - 35 -第五章 光伏系统孤岛效应的影响 - 37 -5.1 孤岛效应的定义及危害 . - 37 -5.2 孤岛检测的国内外标准 . - 38 -5.3 孤岛检测的模型分析 . - 39 -5.4 孤岛检测的方法 . - 41 -5.4.1 本地检测法 - 42 -5.4.2 非本地孤岛检测法 - 48 -5.5 本章小结 . - 49 -第六章 结 论 - 50 -金都新能源- 1 - 摘 要近年来中国的光伏产业发展迅速随着国家对新能源产业支持力度的加大尤其是“金太阳工程”的实施，光伏产业在政策面上得到更大力度的支持。根据中国 2007 年制定的可再生能源中长期发展规划 ， 2020年太阳能发电总容量将达 1500 万千瓦，按照最近的专家预计这一数字有望达到 3500 万千瓦，这就意味着有越来越多的分布式光伏电源接入到配电网中对传统的配电网提出了新的挑战。对于配电网络而言由于光伏并网发电的特性有别于常规发电方式，因此有必要通过分析光伏发电的特性采用新方法、新技术在充分发挥出光伏电源作用的同时将光伏电源对配电网的影响减到最小。本文中将从以下五个方面研究分布式光伏系统对电网的影响，即对电网电压的影响、对短路电流的影响、对电流谐波的影响、对直流分量的抑制、孤岛效应的影响。集中供电的配电网一般呈辐射状。稳态运行状态下，电压沿馈线潮流方向逐渐降低。接入光伏电源后，由于馈线上的传输功率减少，使沿馈线各负荷节点处的电压被抬高，可能导致一些负荷节点的电压偏移超标，其电压被抬高多少与接入光伏电源的位臵及总容量大小密切相关。通常情况下，可通过在中低压配电网络中设臵有载调压变压器和电压调节器等调压设备，将负荷节点的电压偏移控制在符合规定的范围内。对于配电网的电压调整，合理设臵光伏电源的运行方式很重要。在午间阳光充足时，光伏电源出力通常较大，若线路轻载，光伏电源将明显抬高接入点的电压。如果接入点是在馈电线路的末端，接入点的电压很可能会越过上限，这时必须合理设臵光伏电源的运行方式，如规定光伏电源金都新能源- 2 - 必须参与调压，吸收线路中多余的无功。在夜间重负荷时间段，光伏电源通常无出力，但仍可提供无功出力，改善线路的电压质量。光伏电源对电压的影响还体现在可能造成电压的波动和闪变。由于光伏电源的出力随入射的太阳辐照度而变，可能会造成局部配电线路的电压波动和闪变，若跟负荷改变叠加在一起，将会引起更大的电压波动和闪变。虽然目前实际运行的光伏电源并没引起显著的电压波动和闪变，但当大量并网光伏电源接入时，对接入位臵和容量进行合理的规划依然很重要。通常认为在配电网络侧发生短路时，接入到配电网络中的光伏电源对短路电流贡献不大，稳态短路电流一般只比光伏电源额定输出电流大10-20，短路瞬间的电流峰值跟光伏电源逆变器自身的储能元件和输出控制性能有关。在配电网络中，短路保护一般采用过流保护加熔断保护。对于高渗透率的光伏电源，馈电线路上发生短路故障时，可能由于光伏电源提供绝大部分的短路电流而导致馈电线路无法检测出短路故障。电流谐波对配电网络和用户的影响范围很大，通常包含改变电压平均值、造成电压闪变、导致旋转电机及发电机发热、变压器发热和磁通饱和、造成保护系统误动作、对通信系统产生电磁干扰和系统噪音等。光伏电源逆变器产生的谐波来源主要有 2 个 50Hz 参考基波波形不好产生的谐波和高频开关产生的谐波。谐波之间的相位差、配电网的线路阻抗以及负荷都能消除部分谐波。当光伏电源逆变器生成正弦基波时，可以部分补偿配电网的电压波形畸变， 但会使逆变器输出更多的电流谐波，把光伏电源逆变器接入到弱电网时就会明显出现上述现象。当光伏电源逆变器检测配电网电压来生成参考基波时，光伏电源逆变器可以输出很好的正弦波电流，但是无法补偿配电网的电压波形畸变。在光伏系统的实际运行中，光伏电源注入的谐波电流一般都能符合相关标准的要求。金都新能源- 3 - 本文的第四部分介绍了光伏系统直流分量的注入对电网设备产生的影响，之后阐述了几种直流分量抑制的方法，即可抑制直流分量的逆变器、 检测补偿法、 电容隔直法， 并对比分析每种方法的优缺点及局限性。由于目前分布式光伏系统主要采用可抑制直流分量的逆变器来实现抑制直流分量的目的，所以本文对该方法进行仿真，仿真结果表明可该方法能够有效的抑制注入电网中的直流分量，从而减少注入电网的直流分量。随着大规模分布式光伏系统接入电网，光伏系统的孤岛效应显得愈发重要。为保证光伏系统的安全运行以及不造成人身财产损失，孤岛效应发生时，光伏系统应该尽可能快的切除负载，并停止运行 ,第五章从孤岛效应的定义和危害入手，介绍了几种检测孤岛效应的方法，分别介绍这几种方法应用的优缺点。 本章中对目前应用较广泛的欠 /过压欠 /过频方法检测进行仿真分析，仿真结果表明当孤岛效应发生时，系统在 0.2s 以内能够检测电压和频率的变化情况，从而触发欠 /过压欠 /过频阈值，切除逆变器，停止运行。金都新能源- 4 - 第一章 光伏并网对电网电压的影响由于太阳能资源具有的随机性、波动性的特点，使得光伏发电系统输出功率会随着太阳能的辐照度的变化而出现剧烈的波动。根据日本的研究报告显示，因日照原因引起的分布式光伏电源输出的功率变化率最大可达分布式光伏电源容量的 18左右，由于可知太阳辐照度对光伏出力的影响不可忽视。正午时刻，太阳辐照度最大，此时光伏发电系统输出功率最高，则会导致并网点电压急剧升高，傍晚时刻，太阳辐照度下降，此时光伏系统输出功率最低，导致并网点电压下降，可能会出现越限的危险。因此需要根据辐照度的变化来研究光伏发电系统并网引起的电压波动和越限问题。1.1 分布式光伏并网系统的组成结构光伏发电分为 2 种并网形式 一是通过中高线路接入输电网 ; 二是经过低压线路接入配电网。其中第二种多是农村屋顶光伏电或城市小规模建筑光伏电源，即分布式光伏电源并网系统主要由光伏阵列、逆变器、变压器和控制系统等组成，其结构如图所示。图 1 分布式光伏并网系统由于对分布式光伏电源性能要求不同，能量传输与变换的控制方式也有多种。 从输入角度看， 光伏逆变系统可以等效为两种形式 电流源型金都新能源- 5 - 和电压源型前者，在直流侧串联大电感以储存无功功率，并提供稳定的直流输入，但串入大电感会影响系统动态响应的速度，实际中应用很少 ; 后者采用电容作为储能元件缓冲无功功率，在世界范围内应用广泛从输出角度看，并网逆变器的输出控制模式同样有电压型和电流型 2 种。在电压型模式中，并网逆变器对电网呈现低阻抗特性，其输出的是标准正弦脉宽调制信号， 并网电流和输出电源的质量完全取决于电网电压 ; 而在电流型模式中，并网逆变器呈现出高阻抗特性，输出电流是受控量，它的质量受到电网电压的影响较少，采用这种模式，可以减小电网电压的扰动对输出电流的影响，改善输出电流的质量，应用较多，本系统采用最普遍的电压源输入、 电流源输出的控制方式建立光伏并网的仿真模型。光伏出力的多少直接影响馈线的潮流，从而影响电压分布。为分析光伏系统接入典型配电网对电压的影响， 选标准算例的一条 10KV 馈线，建立了如图 2 所示的配电网模型，线路上共有 6 个负荷接入，最大功率运行时各个负荷点的功率。节点之间距离及各个负荷点到干线的距离在图中均已标出，干线单位阻抗为 0.2j0.4Ω km，分支线路单位阻抗为0.65j0.4 Ω km。负荷 5 处安装有分布式光伏电源。L1 L5L3L2 L6L4535j259.2 566j274.13 454j219.89566j274.13450j217.95535j259.23.3MVA 10KV图 2 配电系统负载分支图金都新能源- 6 - 1.2 辐照度引起的电压波动的分析当外界条件一定时，光伏阵列的输出功率随着负载的变化而变化，当负载阻抗与光伏阵列的内阻抗匹配时，光伏出力最大，通过最大功率跟踪技术控制光伏阵列可以使其工作在最大功率点由光伏阵列输出特性可知，光伏输出的最大功率受太阳辐照度和温度的影响，假设 1 天中温度保持不变，在温度一定的情况下，光伏出力随太阳辐照度的上升而增大，随太阳辐照度的下降而减小。图 3 为某日太阳能辐照度曲线。图 3 太阳能辐照度曲线图 4 光伏阵列输出曲线图光伏阵列直流侧最大输出功率随辐照度的波动而出现类似的波动，金都新能源- 7 - 光伏阵列输出功率最大值出现在 13 时左右， 对应的辐照度约为 850Km/m2，功率输出达到 140Kw，同时对应辐照度的较大波动，光伏电站直流侧输出功率随着辐照度的变化而变化，光伏系统的输出功率直接影响线路的潮流，从而影响线路电压分布。为研究分布式光伏发电系统接入电网对电网电压产生的影响，因此需要在负载端投入光伏系统前后的电压进行仿真分析，从而进行对比说明。光伏系统未接入电网时，负荷点电压变化曲线如下图所示。图 5 未投入光伏系统前负荷 1 和负荷 5 的电压变化曲线图 6 光伏系统接入电网后负荷 5 和负荷 1 的电压变化曲线上面图形的电压变化曲线表明当光伏系统未接入电网时，电网电压不能保持恒定值，会随着电网负荷的变化而变化。当用电高峰期时，金都新能源- 8 - 电压值最低，约为 378 伏，当用电低谷时，此时电压值最高，约为 388伏，但这种电压偏压在电网安全运行的许可范围内，符合国家的相关规范的要求。当光伏系统接入电网后，在夜晚时，由于太阳的辐照度为 0，光伏系统输出的有功功率为 0， 若不改变运行方式， 调节无功功率，不能起到提升电压的效果。白天时，随着太阳辐照度的增强，光伏系统的输出功率增大，线路电压也得到明显的提升，从而影响 1 天中的电压分布情况。对于负荷高峰期，由于光伏系统的电压提升作用，负荷点 1 的电压都保持在 390 伏以上，能够保证良好的电压质量。对于接有光伏系统负荷点 5 来说， 由于正午时刻的辐照度最大， 导致负荷点电价急剧升高，最高可达到 402 伏左右，傍晚时刻，由于太阳辐照度的降低，电压也出现较快的下降， 最低点电压可达到 388 伏左右。 从电压波动情况上来看，以上两种情况均符合国家电网的允许电压偏差范围内，即光伏系统的接入，虽然能够提升电网的电压，但通过调节光伏系统的运行方式能够保证电网的运行安全。金都新能源- 9 - 第二章 光伏并网对电网短路电流的影响分布式光伏系统接入到电网必然会向短路点提供一定的短路电流，从而可能对配电自动化故障定位产生影响。本章将分析分布式光伏并网逆变器的电路拓扑和控制策略，仿真分析并网逆变器在配电网发生短路故障以及逆变器自身故障时输出电流的变化特性，得出无论配电网发生三相或两相短路， 由光伏供出的短路电流都不超过其额定电流的 1.5 倍的结论。2.1 分布式光伏系统逆变器的控制为最大限度地利用光照资源和光伏并网逆变器的型式容量，也为避免分布式光伏电源发出的无功功率对电网电压的影响，通常情况下，分布式光伏系统工作于最大功率点跟踪的有功功率控制方式和单位功率因数的无功控制方式。当电网发生短路故障时，并网逆变器的安全运行将受到威胁。一方面，配电网短路期间光伏电源输出的电流可能剧增，主电路元件出现严重过电流；另一方面，受短路有功功率下降的影响，分布式光伏电源中各个环节之间的功率传输平衡受到破坏，可能导致直流电压失控骤升。为此， 分布式光伏电源的并网逆变器必须设计有相应的限压和限流措施。直流电压限制功能通常是由直流变换环节来实现的，而交流电流限制功能则由逆变器环节的控制来完成。因此，分布式光伏电源对配电网短路的电流响应特性完全取决于逆变器的控制策略。分布式光伏并网逆变器的主电路普遍采用基于 PWM 控制技术的电压源逆变器 VSI 结构。 根据 VSI 交流侧逆变输出相电压的开关电平数目，VSI 常有 2 电平、 3 电平和多电平电路拓扑，但从基波的角度来看，均等金都新能源- 10 - 效为一个频率上与电网电压同步、幅值上连续可控的电压源，此电压源经过滤波电抗器可以等效为一个幅值和相位连续可调的电流源。控制等效电流源的幅值和相位，可以调节光伏并网逆变器与电网交换的有功功率和无功功率。光伏并网逆变器的控制包括外环目标控制和内环电流控制 2 个层次。目标控制完成分布式光伏电源的有功功率 或直流电压 和无功功率控制，电流控制完成分布式光伏并网逆变器的限电流运行，在配网故障情况下尽量通过电流控制将分布式光伏电源的输出电流限制在允许值之内。根据国标 GB/T19939 2005光伏系统并网技术要求 ，在配电网发生短路时由 PV 电源供出的短路电流最大不超过 PV 额定电流的 1.5 倍。PV 通常采用基于 d-q 坐标实现功率的解耦控制，如图 7 所示。图为基于 d-q 坐标的矢量解耦电流控制方式，首先根据有功功率 /直流电压和无功功率的设定值与实际值的偏差，由目标控制调节器生成 VSI 交流并网电流的有功分量和无功分量参考值，然后由电流调节器根据电流跟踪控制情况生成 VSI 输出参考电压的 d-q 分量；最后根据输出电压参考信号按照某种 PWM 调制策略产生绝缘栅双极型晶体管驱动信号。 sd 和 sq分别为电源电压的 d-q 轴分量，ω为角频率。PI PIPI PI矢量解耦PWM控制dcrefref UP0dcUP drefiqrefidiqisdusquduqut图 7 d-q 轴电流解耦控制框图金都新能源- 11 - 2.2 光伏并网对短路电流的影响分析在配电网短路情况下，光伏系统对馈线和开关中流过的短路电流的影响可用图 8 来说明。当 2 号馈线开关 B 与 C 之间发生短路时（ 1）主电源和各个分布式光伏电源均向短路点注入短路电流，短路电流增大。（ 2）短路点上游开关 S2 和开关 B 流过来自主电源、本馈线上游接入的光伏电源 PV2和其他馈线上光伏电源 PV1 和 PV4的短路电流，其中来自分布式光伏电源的短路电流使得故障段馈线电压上升，从而导致主电源供出的短路电流与没有光伏时有所降低。短路点下游开关 C 也流过其后光伏 如 PV3发出的短路电流， 当此电流较大时，可能引起基于电流的传统故障定位策略判断失误。PV4PV3PV2PV1AB CS1S2S3图 8 光伏系统对短路电流的影响2.3 对短路电流影响的仿真分析仿真系统试验参数如下1电网接入点额定电压为 10kV， 频率为 50Hz， 短路容量为 100MVA，理论上稳态短路电流有效值为 5.77kA。电源内阻抗采用阻感串并联的RRL 型式，参数分别为电感 0.003H、串联电阻 0.2Ω、并联电阻 5Ω。2分布式光伏电源并网发电系统。 额定容量为 1MW， 并网点电压为金都新能源- 12 - 10kV，频率为 50Hz，额定电流为 57.7A，允许过电流倍数为 1.3。2.3.1 三相对称短路时的短路电流光伏并网点发生三相对称短路的情况下光伏接入前后的短路电流，短路电流的波形如下图所示。图 9 不含光伏系统时三相对称短路电流波形图图 10 接入光伏系统后三相对称短路点电流金都新能源- 13 - 图 11 短路发生前后光伏系统电流变化曲线图短路电流有效值见表 1。由表 1 可知， 光伏电源接入配电网之后，短路点的短路电流有所增大， 光伏供出的短路电流控制在其额定电流的 1.32倍。 光伏并网点下游线路 4km 处发生三相短路时的短路电流如表 2 所示。线路电阻和电抗分别为 0.2 Ω km和 0.4 Ω km。由表 2 可知，光伏接入配电网之后，短路点的短路电流有所增大，但主电源供出的短路电流有所减小，光伏供出的短路电流控制在其额定电流的 1.3 倍以内。光伏系统运行工况短路电流 / A短路点 主电源输出 光伏输出未接入接入5770 57705840 5770 76表 1 并网点三相对称短路时短路电流光伏系统运行工况短路电流 / A短路点 主电源输出 光伏输出未接入接入1768 17681803 1753 70表 2 并网点下游三相对称短路时短路电流金都新能源- 14 - 2.3.2 两相不对称短路时的短路电流仿真分析了光伏并网点发生两相不对称短路 短路电阻 0.1Ω 情况下光伏接入前后的短路电流，短路电流波形如图 12、 13 所示，短路电流有效值如表 3 所示。图 12 不含光伏时两相短路短路点电流波形图图 13 光伏系统接入后两相短路电流波形图金都新能源- 15 - 图 14 短路前后光伏输出电流曲线图光伏系统运行工况短路电流 / A短路点 主电源输出 光伏输出未接入接入4980 49805000 5000 75表 3 并网点两相短路时的短路电流比较表 1 和表 3 可知，来自主电源的两相短路电流比三相短路电流小， 其值为三相短路电流的 0.866 倍， 但光伏电源供出的短路电流并没有相应减小，其值仍然控制在光伏额定电流的 1.3 倍。2.3.3 分布式光伏系统输出功率对短路电流的影响受自然条件变化的影响，光伏电源的最大出力是不确定的，在配电网发生短路时，光伏电源输出的短路电流也会随之有所不同。假设光伏电源 10kV 并网点的系统短路容量为 100MVA， 光伏电源的额定功率为 5MW，若并网点发生三相短路，通过仿真得到日照强度分别为 50、 100、 200、 500、 1 000、 1 200W㎡ 时光伏系统提供的短路电流，如表 4 所示。金都新能源- 16 - 日照强度W/ ㎡ 光伏功率MW光伏电流KA电网电流KA短路点电流KA50100200500100012000.160.350.751.93.94.70.150.270.360.360.360.365.715.705.705.705.705.705.855.946.006.006.016.02表 4 不同辐照度时三相短路电流由表 4 可知1光照达到一定值 如额定值的 20以上 时，光伏电源提供的短路电流与额定光照时基本一致。2 当光照很小时， 光伏电源提供的短路电流会显著减小。 但若光伏电源带有储能时，输出的短路电流与光照无关。2.4 结论根据光伏系统对电网短路电流影响的仿真分析，我们可以得出如下结论1配电网发生三相或两相短路，由光伏电源供出的短路电流都不超过其额定电流的 1.5 倍。2光照强度较低时光伏电源供出的短路电流更小。3光伏并网点下游远处发生短路将会导致主电源供出的短路电流有所减小。金都新能源- 17 - 第三章 光伏系统电流谐波对电网影响太阳能光伏发电技术是通过光伏组件将太阳能转化为直流电，再通过并网型逆变器将直流电转化为与电网同频率同相位的正弦波电流并进入电网，逆变过程中会产生大量谐波，造成谐波污染。在本章节中主要基于最大功率跟踪控制 MPPT 和空间矢量状态转化算法相结合的策略研究光伏发电系统逆变器输出电流谐波情况。为了抑制谐波降低电压波动和闪变，以及解决三相不平衡，本文引入三相三线制的有源电力滤波器APF进行谐波检测和补偿，从而保证电能质量。3.1 光伏发电系统结构光伏阵列将太阳能转换成直流电，经过稳压电容后逆变器将其转换成交流电，经开关后与配电系统并网运行。其中， APF 为三相三线制，RjX 为输电线路的交流等效阻抗为三相光伏并网发电系统的结构如下图所示。 控制系统分为三部分 锁相环模块、 MPPT-电压控制器模块和脉冲波调制模块。 锁相环模块用来保证光伏发电系统并网电流 与系统电压同步，输出正余弦信号给 MPPT-电压控制器模块。 MPPT-电压控制器接收到直流电压 、直流电流 、并网电流、交流电压的实测值 、参考值 。经过 MPPT-电压控制策略控制后产生调制波 至脉冲波调制模块，控制光伏发电从直流变换到交流的过程。在负载运行的情况下会有谐波电流产生，造成电网电压的不稳定，引入 APF 能在一定程度上改善该不良影响， 减轻对电网造成的谐波污染。金都新能源- 18 - 3.2 并网逆变器控制策略3.2.1 MPPT- 电压的控制策略光伏并网发电技术主要采用带 MPPT 功能的单位功率因数控制策略，使逆变器输出的电流和并网的系统电压同频同相位。在实际的光伏并网发电系统中，直流端并联稳压电容，利用该电容可控制输出并网电流的无功分量， 维持并网系统侧交流电压的恒定 ; 同时，通过 MPPT 控制并网电流的有功分量，完成对有功输出的控制，即通过MPPT-电压的控制策略， 分别控制并网电流的有功和无功分量， 实现光伏并网的最大功率点输出和维持节点电压恒定。本章求解最大功率点电流和电压时采用了牛顿迭代算法，特点是能够快速精确地求解出最大功率点工作电压。当光伏阵列电压为 时，其对应点电流为 *1 - 1 , - 2 - 1- 1 1 - -2 - 11 - 式中 、 为光伏阵列的短路电流、开路电压。、 为最大功率点电压、电流。、 为日照温度和环境温度变化时电压、电流的修正值。此时，光伏阵列的输出功率为 **1 - 1 - 2 - 1 金都新能源- 19 - 为使光伏阵列的输出功率最大，对上式的 进行求导，并令其等于0，得到*1 - 1 exp - 2 - 1 -exp -22 0上式计算出的 值即为任意日照强度和环境温度下最大功率点所对应的 值。该方程是一个超越方程，可采用牛顿迭代法进行求解。经过若干次迭代后，可以计算出任意日照强度和环境温度下最大功率点电压 值。3.2.2 三相 APF 算法的实现基于 APF 原理，电压的状态方程可表示为{an bn cn 式中 ,,相对中性； ,,为负载相电压； ,,为电感电流；为输入电压；当负载为对称负载时，则有{ 0 0为了能够适时作出电流的检测，将静态坐标系经过旋转坐标系转换为动态坐标系，准确地描述变量。转换后的公式为金都新能源- 20 - { 2 - 2 - 2 -式中 ,,为整流桥间相电压； ,,为电感的输入电流； - ,- ,- 为负载相电压；电压由静态转变成 d-q 轴下的相电压为[0]L[ - 0 00 0 ] [0] [0]式中 为直流母线电压； ,,0为旋转坐标系下相对中性点电压； ,,0为旋转坐标系下相对中性点电压占空比； ,,0 为旋转坐标系下电感相电流；最后输出电压的状态方程可以表示为 32 32 基于瞬时无功功率理论和状态转换方程、谐波电压和电流可以有效进行检测，并适时准确补偿，使电网电压趋于稳定，减少谐波所造成的污染。3.3 仿真结果分析主电路参数 电网电压 220V，电网频率 50Hz，输出电感 600μ H ，直流侧电容 2500μ F，电容电压 600V。仿真波形如下图所示金都新能源- 21 - 图 15 逆变器输出谐波电流曲线图有上图可知，当时间 t0.08s 时， APF 投入到系统中，此时系统输出的波形比较平滑，基本接近正弦波。从而消除了谐波干扰，提高了输送到电网的电能质量。3.4 本章小结本章在太阳能光伏并网配电系统引入三相 APF，将 MPPT-电压控制与矢量坐标状态转换相结合，在仿真软件平台进行试验验证，并证明投入 APF 后电网的电能质量得以改善，畸变率明显减少，趋近于正弦波，可以保证供电质量，减少对电网谐波电流的冲击影响。金都新能源- 22 - 第四章 光伏系统对直流分量的抑制及方法分析早期的光伏并网逆变系统在逆变器输出与电网之间安装有工频变压器，能够实现电压匹配和电气隔离。采用这种结构，主电路和控制电路较简单，直流侧电压较低。但是工频变压器体积大，系统成本高，整机效率低。非隔离型并网逆变系统与工频隔离型并网逆变系统相比，其经济效益和技术上具有一定优势，日益受到人们的关注，并广泛应用于小功率场合。去掉变压器虽然提高了并网系统的整机效率，但是光伏阵列和电网之间存在电气连接，带来直流注入问题。光伏并网中的直流注入属于并网电能质量问题，以往对并网电能质量的研究多从谐波方面展开， 直流注入问题没有受到足够重视。 近年来，随着光伏并网容量的增加，而且非隔离型并网逆变系统是今后发展的重要方向，直流注入产生的影响越来越受到关注，国内外学者对直流注入问题的研究日益增多。从杜绝其产生的危害来看，对该问题的研究也具有重要的现实意义。4.1 直流分量产生的原因及危害4.1.1 直流分量产生的原因分析一般来说，引起逆变器输出电流中包含直流分量的主要原因有一下几个方面1逆变桥中开关元件动作不一致引起直流注入。动作不一致可归因于开关器件元件参数的差异使其阻抗等特性不完全相同，造成充放电时间有一定差异，器件的开通时间和关断时间不相等；脉宽调制中脉冲宽度不平衡；门极驱动信号可能不匹配等 . 2 电流环测量元件偏移误差导致直流分量的产生， 包括模数转换元金都新能源- 23 - 件和电流传感器等测量元件，尤其是霍尔传感器的零点漂移现象会增大偏移误差。 偏移误差导致正弦电流正负半周不对称， 引发直流注入问题。3 参考电流中可能存在的直流分量会引起电流控制器误差， 导致逆变器输出电流中有直流分量。并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件，由于上述原因其输出中存在直流电流，若不采取适当措施，该直流电流注入电网，引起直流注入问题。 西班牙学者 V. Salas等通过实验论证了光伏并网系统中确实存在直流注入问题。4.1.2 直流分量对电网及设备的影响由于注入电网的直流电流所带来的不利影响，电网公司不允许并网逆变器输出中含有较大直流电流。这些不利影响可归纳为以下几点1扰乱配电变压器正常运行。直流量使变压器工作点改变，可能导致变压器饱和，引起波形失真，损耗过大，设备过热以及缩短设备寿命等问题。对变压器的危害是直流注入产生的主要不利影响。2 致使电网中变压器初级电流峰值过高， 威胁电流保护设备的安全。过高的电流使输入保险烧毁， 引起电网中某些区域断电， 带来一定损失。3直流电流会加剧金属的腐蚀程度，导致接地导线的电蚀。4 给电网中其他负载带来不利影响。 例如可能使与电网相连的交流发电机产生脉动转矩或者发热等。5 除上述影响外， 直流注入还会引起测量误差， 甚至可能增加谐波含量等。综上所述，若不采取抑制措施，光伏并网逆变器输出中的直流电流会长时间注入电网，必然引起电网中大量存在的配电变压器出现直流偏金都新能源- 24 - 磁现象，带来上述不利影响，因此，近年来光伏并网中的直流注入问题日益受到重视。美国、日本、英国及中国等国家制定了光伏并网系统直流注入的相关标准， 如表 4 所列。 IEEE 和 IEC 也严格限制了并网系统输入电网的直流电流分量， IEEE 规定直流分量小于输出电流的 0.5， IEC规定为输出电流的 1.0。国家 变压器隔离系统中允许 最大直流电流 不带变压器隔离系统允许 最大直流电流中国 逆变器交流额定值的 1 逆变器交流额定值的 1美国 逆变器额定输出电流的 0.5 逆变器额定输出电流的 0.5日本 逆变器额定交流输出的 1 逆变器额定交流输出的 1英国德国澳大利亚5mA1000mA5mA 5mA表 4 相关国家对光伏并网电流中直流分量的规定4.2 光伏系统抑制直流分量的措施针对光伏并网逆变系统中的直流注入问题，国外学者提出了一些解决方法，而国内在这方面的研究相对较少。已有的抑制直流注入的方法大都处于提出阶段，对其后续的研究和实际应用方面的介绍较少，本章从解决直流注入问题的原理出发，将这些解决方法归为三类采用可抑制直流分量的逆变器、检测补偿法和电容隔直法。通过理论分析对各类方法的原理进行了介绍，说明了各自存在的优点和不足，通过相互比较进一步总结了各类方法的特点。4.2.1 可抑制直流分量的逆变器能够抑制直流注入的逆变器拓扑较少，半桥逆变器具有该功能，其金都新能源- 25 - 拓扑结构如图 16 所示。不论半桥逆变器中的开关器件处于何种状态，并网电流始终会经过直流侧电容，使直流分量被电容隔离，从而达到消除直流分量的目的。但是，同全桥拓扑相比，半桥逆变器要与全桥逆变器的输出电压相等，其直流侧输入为全桥逆变器的两倍。这样，半桥逆变器中开关器件的电压应力大， 导致器件开关动作相对较慢， 开关损耗大。S1S2C1C21inVgV图 16 半桥逆变器拓扑结构图单相三电平二极管钳位式逆变器可提高系统效率并降低电流纹波，其拓扑如图 17 所示。但是，利用该逆变器并网时仍产生直流分量，因此在其基础上进行了改进。在原电路的电容两端并联一组新电容，将其中点连接至电网中性线， 构成的新拓扑如图 18 所示。 控制图中 MP2 点的电压，改进后的拓扑工作原理为当电网电压 0 时， 2 一直处于导通状态， 1和 5 以开关频率交替导通，两种工作状态下电流流通路径如图19 所示 在 0 时相似。 从图 19中可以看出， 不论逆变器处于何种状态，并网电流会经过新增电容，避免直流电流注入电网。金都新能源- 26 - 2S1S2C1C2 1inVgV4S3S15D6DL图 17 单相三电平二极管钳位式逆变器2S1S2C1CMP1 1inVgV4S3S15D6DL4C3CMP2图 18 三电平二极管钳位式拓扑的改进改进拓扑仍具有电流纹波小，效率高的特点。然而，因两组电容为并联关系，必须控制 2 2 ，否则电路不能正常工作，且该拓扑中开关器件和电容数量多，增加了逆变器成本和体积。而电解电容是影响系统寿命的主要因素，故逆变器的寿命也会因电容器的增加受到影响。金都新能源- 27 - 2inV2inV1MP2L3C4Ca 开关 S1、 S2导通时电流通路2inV2inV1MP2L3C4CMP1 b S2、 D5导通时电流通路图 19 0时改进三电平二极管钳位式逆变器电流通路仿真波形如下图所示图 20 抑制直流分量的仿真波形图窗口 1 是 A 相直流分量，窗口 2 是 A 相电流值。 0.2s后加入直流分量控制， 0.5s 后直流分量控制在 1A 左右。4.2.2 检测补偿法检测补偿法的总体方案如图 21 所示， 首先测量出并网电流中的直流分量，直接用检测结果反补偿并网电流，直流补偿后的结果与电流参考信号相比较，通过调节器控制开关管通断，达到抑制输出电流中含有直