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韩华
光伏逆变器中的黑科技—谐波抑制技术
发表于:2018-07-18 16:49:44
来源:世纪新能源网

光伏逆变器是光伏系统非常重要的一个设备,主要作用是把光伏组件发出来的直流电变成交流电,除此之外,逆变器还承担检测组件、电网、电缆运行状态,和外界通信交流,系统安全管家等重要功能。在光伏行业标准NB32004-2013中,逆变器有100多个严格的技术参数,每一个参数合格才能拿到证书。国家质检总局每一年也会抽查,对光伏并网逆变器产品的保护连接、接触电流、固体绝缘的工频耐受电压、额定输入输出、转换效率、谐波和波形畸变、功率因数、直流分量、交流输出侧过/欠压保护等9个项目进行了检验。一款全新的逆变器,从开发到量产,要两年多时间才能出来,除了过欠电压保护等功能外,逆变器还有很多鲜为人知的黑科技,如漏电流控制、散热设计、电磁兼容、谐波抑制,效率控制等等,需要投入大量的人力和物力去研发和测试。

本文主要介绍逆变器的谐波抑制技术

1、什么是谐波

我们正常用的电都是正弦波交流电,方向和大小都会产生周期性的变化,我国的交流电频率是50Hz,就是每秒种方向变化50次,按照这种频率变化的波形叫基波,电网是97%以上都是基波,还有一部分就是谐波 (harmonic wave),是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,频率为基频2倍的谐波称为二次谐波;频率为基频3倍的谐波称为三次谐波;频率为基频n倍(以>1的整数倍)的谐波称为n次谐波。此外还规定,频率为基频的奇数倍的那些谐波,统称为奇次谐波;频率为基频的偶数倍的那些谐波,统称为偶次谐波。

2、光伏逆变器为什么要抑制谐波

谐波不但没有用途,还有十分严重的危害。由于大部分设备都是包括电动机在内的感性设备,只能吸收基波,高次的谐波会转化为热量或者振动,造成电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁;在电力传送过程中,谐波由于频率高,产生的阻抗大,因此会多消耗电能,造成电能生产、传输和利用的效率降低;谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁,或者某些频段的设备不能正常工作;谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

3、逆变器如何减少谐波含量

组件发出来的是直流电,经过逆变桥变化之后,大小和方向都发生了改变,但还不是纯正弦波交流电,电流和电压都不是连续的,含有大量谐波,要经过处理才能变成纯正弦波交流电,这个过程就是滤波。光伏逆变器输出谐波分为两部分,一是高次谐波,来源于调制方式,二是低次谐波,来源于开关死区效应、器件参数漂移、采样误差、控制参数不匹配等。

逆变器主要从硬件上和软件上两个方面去抑制谐波。

硬件上主要是滤波电路,目前逆变器常用的滤波方式有:L,LC,LCL等三种方式。电感是主要特性是电流不能突变,利用这个特性,可以把逆变桥不连续的电流为转变为连续的电流;电容的特性是电压不能突变,利用这个特性,可以把逆变桥不连续的电压为转变为连续的电压。

L为单电感滤波器,结构简单,价格便宜,对低频谐波抑制作用明显,但高频谐波抑制不够理想,需要较大的电感或者较高的频率来降低谐波电流,因此单电感滤波器通常用于小功率离网逆变器;LC为二阶滤波,增加了一个电容,具有较高的滤波能力,一般用于集中式大功率逆变器,后面接隔离变压器,因为最后是电容,多台并联会引起环流;LCL为三阶滤波,增加一个电容和一个电感,抑制高频谐波能力强,滤波器的电感输出,可以多台并联,通常应用于中大功率组串式逆变器,但逆变器控制算法复杂,容易导致系统不稳定。

逆变器软件上采取的主要方法有:

(1)提高开关频率:逆变器的开关频率越高,控制带宽越宽,对于宽范围的电流谐波抑制更充分,为保证稳定性,逆变器的控制带宽通常取开关频率的1/10左右。逆变器控制算法中输出电压为正弦波,当经过逆变器调制输出PWM波有畸变时,将影响逆变器的输出谐波与控制效果。提高开关频率与输出PWM电平数有助于降低PWM波形的畸变率,。

(2)并机谐波抵消能力:1个方阵多台组串式逆变器距离升压变压器距离不一样,线路阻抗会有差异。线路阻抗会等效改变并网LCL滤波器中的电感,不同的滤波器参数会改变谐波的相位。当多台组串式逆变器并联工作时,谐波成分将会由于相位的差异而部分相互低消,降低系统整体的谐波值。

(3)消除谐波的软件控制技术:由于逆变器采用高速度的数字处理器,可以采用很复杂的算法,如重复控制的电流控制器算法,原理是任何周期性的信号都可以分解为直流、基波以及各次谐波之和,因此只要在控制系统的前向通道中在这些频率处加入无穷大的增益,就可以实现对这些频率处指令的无静差跟踪和扰动抑制。

5、逆变器的电磁兼容标准

中国和国外关于并网逆变器的标准(鉴衡金太阳标准、IEEE1547、IEC61000-3-12、VDE0126)和并网光伏电站的标准(GB/T 19964-2012、GB 14549、GB 24337、VDE4105、BDEW)对逆变器或光伏电站的谐波电流绝对值进行要求。对于逆变器不同负载率下的谐波电流,要求绝对值不大于满载下的谐波电流绝对值。中国金太阳标准中规定了逆变器额定功率运行时,注入电网中的谐波电流THDi不超过5%;同时,在30%,50%,70%负载点处的谐波电流不超过额定功率运行时的。

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