小固谈芯-浅谈逆变器对电网的影响

江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com小固谈芯 -浅谈逆变器对电网的影响1. 前言国内分布式市场经过两三年的快速发展，从装机容量、应用形式、技术发展等方面取得了令世界瞩目的成绩，从设备层面观察，全球主流的硅片、组件、逆变器、支架、线缆等全产业链上，中国厂家占据相当的份额。快速提高的成绩背后同样隐藏着需要光伏人思考的问题， 例如全球政策对产业影响、 快速扩大的产能可能导致的供需不平衡、穿透率提高后导致光伏电无法消纳、光伏电站调度及信息安 |全防护等，作为逆变器供应商，小固也在思考快速发展的背后，作为光伏系统核心的逆变器可能存在哪些风险。首先想要和大家分享讨论的是光伏系统对电网的影响，而这个大的命题下，突出的问题便是谐波问题。2. 讨论背景分布式光伏发电项目用于扶贫已经被广泛接受，弱电网主要为早期建设并且没有经过改造的电网，主要电气表征为阻抗高、框架弱、 抵抗冲击电流的能力低。光伏电站在弱电网环境下运行，需要逆变器对高阻抗电网有较强的适应能力，并且不会因为逆变器并联导致谐振现象，从而故障扩大。小固将简单介绍弱电网与谐振的概念及危害，并简单分析不同逆变器在高阻抗条件下的应用表现。3. 弱电网、谐振的概念1 ）弱电网一般大电网可以视为理想电压源， 输出阻抗可以视为零， 弱电网则不可以， 电网阻抗不可忽略， 等效模型如下：江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com其中 Ug ’为理想电网电压； Ug 为弱电网电压； Ig 为并网电流。2 ）谐振在电力系统中， 谐振的含义就是两个或者两个以上的电信号在周期性变化上的吻合， 这里的电信号是指电压和电流的周期性变化。当发生串联谐振时，如果外加给谐振支路一个任意小的电压，理论上支路上都将有无穷大的电流；并联谐振时，从外电路流入并联谐振回路一个任意小的电流，理论上都将引起回路两端无穷大的电压。这两种情况，在电力系统中往往是要努力避免的。4. 弱网高阻抗谐振的危害1 ）抬高逆变器并网端电压，导致逆变器报电网电压过高而脱网。江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com当电网阻抗 Rg 与 Lg 很大时，逆变器输出电流 Iac 会在 Rg 与 Lg 上产生很大的压降，会造成逆变器并网端电压快速上升，导致逆变器报电网电压过高而脱网。图 1：电压超限引起脱网的现场测试波形2 ）谐振会导致逆变器过流脱网弱网条件下的单机高阻抗谐振或者多机并联谐振会引起逆变器输出电流震荡，电感异常声响；输出特性变差，严重的会导致逆变器过流脱网。下图是现场测试波形：图 2 ：谐振较弱时输出波形江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com图 3 ：谐振较强时输出波形（逆变器终究脱网）5． 不同逆变器的具体应用表现国内主流逆变器厂家在高阻抗电网下的应用都积累了一些经验， 分别采取了不同的算法和控制机制， 但同时有部分厂家的逆变器在现场应用及模拟环境中无法正常使用。以下为某一厂家逆变器在弱网环境下的实际表现：测试方法：光伏逆变器输出额定电压，额定频率，带满载，分别确认在 PV 电压高，额定 PV 电压以及 PV 电压低三种情况下的逆变器带高阻抗状况。输出电感从低到高进行测试，要求逆变器可以满载带 2mH 测试数据：接线图如下所示SASPVInverterSingle PhaseGridL=1.6 mHL1NComputerUSB图 4 测试示意设置 PV 曲线电压点为很大 MPPT 电压或者 0.8 倍 PV 很大开路电压，输出接市电，输出接入的电感由小到大进行测试，直到逆变器报错或重连，记录相关现象和结果江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com分别在 PV 额定电压和 PV 电压低的情况下重复 step2 的测试，记录相关结果测试结果：测试波形：1、 PV低电压 260V（ Voc=320V， Vmp=250V， Isc=27.1A ， Imp=24A）0.5mH 1.0mH 0.5mH 1mH 1.5mH 2mH PV 电 压 高415V 重追 重追 重追 重追PV 额 定 电 压380V 重追 重追 重追 重追PV 电 压 低250V 重追 重追 重追 重追江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com1.5mH 2.0mH 图 5 不同测试条件，未加高阻抗算法第三方逆变器的测试波形2、 PV 额定电压 380V（ Voc=486V， Vmp=380V， Isc=17.8A， Imp=15.8A）江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com0.5mH 1.0mH 1.5mH 2.0mH 江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com图 6 不同测试条件，未加高阻抗算法第三方逆变器的测试波形3、 PV 高电压 415V（ Voc=531V， Vmp=415V， Isc=16.3A,Imp=14.5A）0.5mH 1.0mH 江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com1.5mH 2.0mH 图 7 不同测试条件，未加高阻抗算法第三方逆变器的测试波形光伏逆变器输出额定电压，额定频率，带满载，分别确认在 PV 电压高，额定 PV 电压以及 PV 电压低三种情况江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com下的逆变器带高阻抗状况。输出电感从低到高进行测试，要求逆变器可以满载带 2mH 。如上图所示：红色 PV 输入电流 ，黄色 AC 输出电流可以看出在任何输入电压条件下， 输出接入任意感量的高阻抗线圈后， 没有高阻抗兼容算法的逆变器输出电流都会发生震荡，电流忽大忽小，导致输出功率不稳定， 严重时会发生过流，造成逆变器停机，多次过流后容易损坏逆变器，出现炸机现象。同时电流震荡会严重影响电网质量，可能对用户家用电器造成不良影响。5. 谐振抑制方法现在解决谐振的办法有无源阻尼法、 APF 等，它们能暂时抑制谐振问题，但是其增加了成本，并且以牺牲系统效率，损失发电量为代价。再者，考虑到电网阻抗的多变性，所处电网的容量不同，各个系统并网逆变器运行的台数也不尽相同导致并网谐振现象具有一定的随机性。 故现有技术一方面可能会影响逆变器滤波性能， 另一方面也会增加系统损耗，降低系统效率，且抑制谐振技术往往以牺牲逆变器的输出特性为代价，在正常并网情况下无法保证电网的友好性。因此现有技术无法满足各类型电网的并网要求。我司在逆变器软件中增加了智能有源阻尼抑制算法，提供了一种既保证正常情况下的输出特性，又能保证高阻抗等谐振状态下系统的稳定性的谐振抑制方法，得以较好的解决了弱网条件下谐振的问题。同时在控制机制上采用多种策略，包括：重复控制和动态的 PI 参数逆变器输出为交流信号，传统的 PI 控制对交流信号的控制能力不足，控制误差较大，导致输出存在谐波。逆变器采用先进的重复控制算法，通过对控制误差信号的反复累加控制，能很大程度减小控制误差，提高控制系能，降低输出谐波。并且，因为电网阻抗特性及逆变器输出功率的不同，在不同电网，不同功率段下，由逆变器和负载组成的系统其控制环路特性不同，如果都使用同一组控制参数，存在轻载控制环路增益过小，电流谐波过江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com大。而在满载情况下，环路控制增益过大，系统控制不稳，电流容易震荡的问题。逆变器能实时检测当前输出功率和电网阻抗特性，运用先进算法，实时动态调整环路控制参数，保证时刻处于控制很好的状态。特定谐波抑制逆变器实际工作中， 并网点电压谐波等因素影响，逆变器输出电流会存在大量谐波，并且谐波的奇偶特性，频率特性都无法预估。也就是说，电网不同，逆变器输出电流的谐波含量，谐波特性也不同，难以在设计中预估。Goodwe 逆变器，实时在线检测输出电流的谐波含量，通过软件控制算法，将检测到的谐波含量反馈到控制环路中，通过环路的控制，起到谐波抑制的功能，实时在线控制，电网适应性高死区补偿死区概念：逆变器系统中，设计中一定引入死区，否则会有炸机风险 . 原因：开关管 (IGBT,Mosfet 等 )的开通和关断都需要时间，而且通常 Toff>Ton ，即关断时间要长于开通时间。如果开通和关断信号同时发出， 则同一桥臂上下两个开关管可能存在同时导通的时刻， 从而导致给桥臂供电的直流环节发生短路，进而过流炸机因此，逆变器设计中都需要加入死区，即”先断后通”，原本应该同时发出的开通和关断信号，设计中让开通信号延时一段时间 Td 后再发出，保证关断信号有效之后，开通信号才有效，如下江苏固德威电源科技股份有限公司 官网： www.goodwe.com死区的存在，解决了逆变器因开通和关断时间不同导致的炸机风险，但不可避免的对输出引入了谐波，导致输出电流畸变，谐波含量增加。逆变器通过软件控制算法对死区进行补偿，很大程度减少死区对输出的影响，降低输出电流谐波。2）下面是某个现场加入谐波抑制算法前后对比的波形。图 8 加入谐波抑制算法前测试波形 图 9 加入谐波抑制算法后测试波形可以看出，加入谐波抑制算法后高阻抗得 到了很好的抑制，逆变器可以持续稳定的运行。6. 总结逆变器做为光伏系统生产管理的‘芯’ ，不仅需要满足目前的标准中要求的功能和保护，更需要满足在应用过程中产生的新的要求，特别是目前国内光伏分布式市场，随着系统成本的降低，光伏已经被更多的终端客户所接受。保护好光伏市场是所有光伏人的初衷，为光伏系统选择合适的组件、逆变器、支架以及配电设备是圆梦这个初衷的第 一步，也是关键一步。