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摘 要： 摘要：為分析光伏電站諧波產(chǎn)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(tài)諧波域模型。設(shè)定輻照度及光伏板溫度為外部變量，構(gòu)建出光伏陣列及最大功率點跟蹤算法數(shù)學模型。將死區(qū)效應及調(diào)制環(huán)節(jié)等非理想因素考慮到逆變器的建模中，構(gòu)建出逆變器等效非
摘要：為分析光伏電站諧波產(chǎn)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(tài)諧波域模型。設(shè)定輻照度及光伏板溫度為外部變量，構(gòu)建出光伏陣列及最大功率點跟蹤算法數(shù)學模型。將死區(qū)效應及調(diào)制環(huán)節(jié)等非理想因素考慮到逆變器的建模中，構(gòu)建出逆變器等效非理想模型。推導出 1 MVA 發(fā)電單元戴維寧等效電路;建立逼近實際并網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗網(wǎng)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(guān)系。對青海 50 MVA 并網(wǎng)光伏電站進行諧波數(shù)據(jù)實測，通過實測數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)的對比證明所提建模方法的有效性及正確性。
關(guān)鍵詞：光伏電站;諧波域模型;阻抗網(wǎng)絡;諧波特性
0 引言
根據(jù)最新的數(shù)據(jù)統(tǒng)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(chǎn)業(yè)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(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)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(guī)模化和大型化發(fā)展，若干兆瓦級并網(wǎng)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(wǎng)技術(shù)規(guī)定[5]，但國內(nèi)目前的大型光伏電站仍以工程示范為主，主要為光伏商業(yè)化積累經(jīng)驗。而國外已建成 10 MW 及以上大型光伏電站百余座，相關(guān)光伏發(fā)電并網(wǎng)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(guī)電站運行機理不同，大容量光伏電站并網(wǎng)將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)[6-13]。
大型光伏電站采用逆變器作為并網(wǎng)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(wǎng)安全穩(wěn)定運行[3-4]，因此分析光伏電站諧波產(chǎn)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(shù)學建模為研究其輸出特性的基本手段，國內(nèi)外學者對光伏電站的數(shù)學建模方面已經(jīng)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(jié)構(gòu)的要求進行化簡，從而得到等值數(shù)學模型。這種建模方式缺乏整體協(xié)調(diào)性，且不能動態(tài)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(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)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(shù)方程表征的光伏電站動態(tài)數(shù)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(wǎng)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(gòu)成的環(huán)境進行了建模，并考慮了死區(qū)及器件非線性特性，但忽略了調(diào)制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高次諧波，而且該系統(tǒng)與光伏電站特殊結(jié)構(gòu)有差異，因此該模型并不適用。
本文以典型光伏電站電氣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(qū)時間、調(diào)制過程、逆變器損耗等因素，建立光伏電站數(shù)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(shù)。仿真數(shù)據(jù)及測試數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)
不同容量的光伏電站具有不同的設(shè)計方案，本文以青海某 50 MVA 光伏電站為例介紹其基本結(jié)構(gòu)。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(fā)電、集中并網(wǎng)的方案進行設(shè)計。容量約 500 kW 的光伏陣列經(jīng)串并聯(lián)組合匯流后并聯(lián)至 500 kW 光伏逆變器直流側(cè)。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(fā)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(tǒng)一匯流后，通過架空線送至上級變電站。光伏電站內(nèi)部負載有水泵、照明等設(shè)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(xiàn)并網(wǎng)，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(lián)提高其直流側(cè)電壓;逆變器開關(guān)頻率較低，多采用 LCL 濾波器，在低開關(guān)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(wǎng)點功率因數(shù)為 1[4]。
2 光伏電站諧波域數(shù)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(jié)以其基本參數(shù)及光伏電站電氣結(jié)構(gòu)作為研究基礎(chǔ)，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(cè)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(cè)電壓 Udc;考慮死區(qū)效應及調(diào)制環(huán)節(jié)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(chǔ)上，聯(lián)合雙分裂變壓器構(gòu)建 1 MVA 發(fā)電單元的模型;最后構(gòu)建光伏電站阻抗網(wǎng)絡，聯(lián)合升壓變壓器及站內(nèi)負荷等共同構(gòu)成光伏電站諧波域數(shù)學模型，光伏逆變器及光伏電站具體參數(shù)如下所示。
1)光伏組件參數(shù)。
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(lián)數(shù)為 20 和 108;MPPT 調(diào)節(jié)范圍為 450~800 V。
2)逆變器參數(shù)。
額定功率 500 kW ，采用正弦脈寬調(diào)制 (sinusoidal pulse width modulation，SPWM);載波頻率 1 050 Hz;死區(qū)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(shù)。
主變壓器：額定容量 63 MVA;聯(lián)結(jié)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(lián)結(jié)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(shù)。
額定容量為 50 MVA，由 50 個 1 MVA 發(fā)電單元并聯(lián)組成;站內(nèi)負荷容量 1.2 MVA;功率因數(shù) 0.88。
5)系統(tǒng)參數(shù)。
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(shù) 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(shè)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(chǎn)生的諧波主要由兩部分構(gòu)成：一部分由死區(qū)時間引起，包括 3、5、7、9 等低次諧波電壓;另一部分由調(diào)制過程產(chǎn)生，成組的分布于開關(guān)頻率附近，下面對這兩部分進行建模分析。光伏逆變器穩(wěn)態(tài)模型如圖 4 所示。其中：US 為交流側(cè)電壓， oI 為并網(wǎng)電流，由于功率因數(shù)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(wǎng)側(cè)阻抗。
2.4 光伏電站建模
光伏電站由多個光伏發(fā)電單元構(gòu)成，不同的發(fā)電單元之間存在線路阻抗。1 MVA 發(fā)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(cè)電壓。由于雙分裂變壓器低壓兩繞組之間無電氣聯(lián)系，僅有微弱磁聯(lián)系，根據(jù)戴維寧定理，1 MVA 發(fā)電單元可等效為圖 6 中虛線內(nèi)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(wǎng)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(shù)據(jù)實測結(jié)果對比分析
借助 Fluke-434 電能質(zhì)量測試儀對光伏電站并網(wǎng)點電壓畸變率、并網(wǎng)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(huán)境監(jiān)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(shù)據(jù)。
采用 2.1 中所列參數(shù)，在 Matlab 環(huán)境下對光伏電站數(shù)學模型進行仿真。將環(huán)境監(jiān)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(wǎng)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(shù)據(jù)的比對來驗證諧波域數(shù)學模型的正確性。
環(huán)境監(jiān)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(shù)據(jù)如圖 8 所示。輻照度變化較大，單位時間內(nèi)(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(shù)據(jù)。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(jié)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(jié)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(chǎn)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(wǎng)點電壓畸變率仿真結(jié)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(wǎng)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(wǎng)點電壓畸變率變化趨勢的實測數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)：電流畸變率實測數(shù)據(jù)普遍高于仿真數(shù)據(jù)，平均誤差率約 9%。電 壓畸變率同樣如此，實測數(shù)值比仿真數(shù)值略大，平均誤差率約 11%。
電流總畸變率仿真數(shù)據(jù)較實測數(shù)據(jù)較小的原因是由于該模型中低次諧波主要按死區(qū)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(chǎn)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(tǒng)阻抗的波動等因素。
4 結(jié)論
提出大型并網(wǎng)光伏電站動態(tài)數(shù)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(nèi)部阻抗網(wǎng)絡進行建模。該模型可揭示光伏電站諧波產(chǎn)生的基理以及諧波變化的規(guī)律。通過實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的對比證明該模型可在一定精度下復現(xiàn)大型并網(wǎng)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(wǎng)光伏電站運行特性的有效手段，為配電網(wǎng)容納光伏的能力以及大型光伏電站電能質(zhì)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(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)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(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)公司.Q/GDW 617-2011 光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)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(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)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，F(xiàn)uma 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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2003. Zhao Wei . Research on grid-connected photovoltaic system[D].Hefei：Hefei University of Technology， 2003(in Chinese).