光伏逆變器中的黑科技—諧波抑制技術(shù)
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發(fā)布日期：2018-07-19
核心提示：
光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個設備，主要作用是把光伏組件發(fā)出來的直流電變成交流電，除此之外，逆變器還承擔檢測組件、電網(wǎng)、電纜運行狀態(tài)，和外界通信交流，系統(tǒng)安全管家等重要功能。
光伏逆變器是光伏系統(tǒng)非常重要的一個設備，主要作用是把光伏組件發(fā)出來的直流電變成交流電，除此之外，逆變器還承擔檢測組件、電網(wǎng)、電纜運行狀態(tài)，和外界通信交流，系統(tǒng)安全管家等重要功能。在光伏行業(yè)標準NB32004-2013中，逆變器有100多個嚴格的技術(shù)參數(shù)，每一個參數(shù)合格才能拿到證書。國家質(zhì)檢總局每一年也會抽查，對光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的保護連接、接觸電流、固體絕緣的工頻耐受電壓、額定輸入輸出、轉(zhuǎn)換效率、諧波和波形畸變、功率因數(shù)、直流分量、交流輸出側(cè)過/欠壓保護等9個項目進行了檢驗。一款全新的逆變器，從開發(fā)到量產(chǎn)，要兩年多時間才能出來，除了過欠電壓保護等功能外，逆變器還有很多鮮為人知的黑科技，如漏電流控制、散熱設計、電磁兼容、諧波抑制，效率控制等等，需要投入大量的人力和物力去研發(fā)和測試。
本文主要介紹逆變器的諧波抑制技術(shù)
1、什么是諧波
我們正常用的電都是正弦波交流電，方向和大小都會產(chǎn)生周期性的變化，我國的交流電頻率是50Hz，就是每秒種方向變化50次，按照這種頻率變化的波形叫基波，電網(wǎng)是97%以上都是基波，還有一部分就是諧波 (harmonic wave)，是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，頻率為基頻2倍的諧波稱為二次諧波;頻率為基頻3倍的諧波稱為三次諧波;頻率為基頻n倍(以>1的整數(shù)倍)的諧波稱為n次諧波。此外還規(guī)定，頻率為基頻的奇數(shù)倍的那些諧波，統(tǒng)稱為奇次諧波;頻率為基頻的偶數(shù)倍的那些諧波，統(tǒng)稱為偶次諧波。
2、光伏逆變器為什么要抑制諧波
諧波不但沒有用途，還有十分嚴重的危害。由于大部分設備都是包括電動機在內(nèi)的感性設備，只能吸收基波，高次的諧波會轉(zhuǎn)化為熱量或者振動，造成電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀;在電力傳送過程中，諧波由于頻率高，產(chǎn)生的阻抗大，因此會多消耗電能，造成電能生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀，或者某些頻段的設備不能正常工作;諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產(chǎn)生嚴重干擾。
3、逆變器如何減少諧波含量
組件發(fā)出來的是直流電，經(jīng)過逆變橋變化之后，大小和方向都發(fā)生了改變，但還不是純正弦波交流電，電流和電壓都不是連續(xù)的，含有大量諧波，要經(jīng)過處理才能變成純正弦波交流電，這個過程就是濾波。光伏逆變器輸出諧波分為兩部分，一是高次諧波，來源于調(diào)制方式，二是低次諧波，來源于開關(guān)死區(qū)效應、器件參數(shù)漂移、采樣誤差、控制參數(shù)不匹配等。
逆變器主要從硬件上和軟件上兩個方面去抑制諧波。
硬件上主要是濾波電路，目前逆變器常用的濾波方式有：L，LC，LCL等三種方式。電感是主要特性是電流不能突變，利用這個特性，可以把逆變橋不連續(xù)的電流為轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的電流;電容的特性是電壓不能突變，利用這個特性，可以把逆變橋不連續(xù)的電壓為轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的電壓。
L為單電感濾波器，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，對低頻諧波抑制作用明顯，但高頻諧波抑制不夠理想，需要較大的電感或者較高的頻率來降低諧波電流，因此單電感濾波器通常用于小功率離網(wǎng)逆變器;LC為二階濾波，增加了一個電容，具有較高的濾波能力，一般用于集中式大功率逆變器，后面接隔離變壓器，因為最后是電容，多臺并聯(lián)會引起環(huán)流;LCL為三階濾波，增加一個電容和一個電感，抑制高頻諧波能力強，濾波器的電感輸出，可以多臺并聯(lián)，通常應用于中大功率組串式逆變器，但逆變器控制算法復雜，容易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
逆變器軟件上采取的主要方法有：
(1)提高開關(guān)頻率：逆變器的開關(guān)頻率越高，控制帶寬越寬，對于寬范圍的電流諧波抑制更充分，為保證穩(wěn)定性，逆變器的控制帶寬通常取開關(guān)頻率的1/10左右。逆變器控制算法中輸出電壓為正弦波，當經(jīng)過逆變器調(diào)制輸出PWM波有畸變時，將影響逆變器的輸出諧波與控制效果。提高開關(guān)頻率與輸出PWM電平數(shù)有助于降低PWM波形的畸變率，。
(2)并機諧波抵消能力：1個方陣多臺組串式逆變器距離升壓變壓器距離不一樣，線路阻抗會有差異。線路阻抗會等效改變并網(wǎng)LCL濾波器中的電感，不同的濾波器參數(shù)會改變諧波的相位。當多臺組串式逆變器并聯(lián)工作時，諧波成分將會由于相位的差異而部分相互低消，降低系統(tǒng)整體的諧波值。
(3)消除諧波的軟件控制技術(shù)：由于逆變器采用高速度的數(shù)字處理器，可以采用很復雜的算法，如重復控制的電流控制器算法，原理是任何周期性的信號都可以分解為直流、基波以及各次諧波之和，因此只要在控制系統(tǒng)的前向通道中在這些頻率處加入無窮大的增益，就可以實現(xiàn)對這些頻率處指令的無靜差跟蹤和擾動抑制。
5、逆變器的電磁兼容標準
中國和國外關(guān)于并網(wǎng)逆變器的標準(鑒衡金太陽標準、IEEE1547、IEC61000-3-12、VDE0126)和并網(wǎng)光伏電站的標準(GB/T 19964-2012、GB 14549、GB 24337、VDE4105、BDEW)對逆變器或光伏電站的諧波電流絕對值進行要求。對于逆變器不同負載率下的諧波電流，要求絕對值不大于滿載下的諧波電流絕對值。中國金太陽標準中規(guī)定了逆變器額定功率運行時，注入電網(wǎng)中的諧波電流THDi不超過5%;同時，在30%，50%，70%負載點處的諧波電流不超過額定功率運行時的。