大功率光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測量*

徐敏銳， 盧樹峰， 楊世海， 孫 軍， 張長征

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院， 南京 210000； 2. 武漢磐電科技股份有限公司 研發(fā)部， 武漢 430058； 3. 湖北工業(yè)大學(xué) 太陽能研究院， 武漢 430068)

在可以預(yù)見的未來，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中將獲得較大規(guī)模的應(yīng)用[1-2].輸出濾波電抗器的有功損耗是大功率光伏逆變器功率變換中的主要損耗，在滿足輸出電流諧波衰減要求時(shí)，輸出濾波電抗器的有功損耗影響光伏系統(tǒng)的總效率、可靠性以及散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3-5].光伏逆變器輸出濾波電抗器的有功損耗取決于直流母線電壓、開關(guān)頻率、輸出電壓、輸出電流以及材料結(jié)構(gòu)工藝，通過對(duì)有功損耗進(jìn)行準(zhǔn)確測量，可以為其優(yōu)化和散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).目前，國內(nèi)外相關(guān)測試系統(tǒng)所使用的技術(shù)方案主要有兩類：1)通過光伏電池陣列進(jìn)行測試，該方法較為簡單、直接，同時(shí)其應(yīng)用也最為廣泛，但卻會(huì)受到自然條件的限制，測試時(shí)較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且成本較高；2)利用電力電子變流技術(shù)對(duì)光伏陣列的輸出進(jìn)行模擬，即通過光伏陣列模擬器來進(jìn)行測試，該種方案對(duì)光伏陣列模擬器的性能要求較高，現(xiàn)有的測試平臺(tái)通常難以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的需要[6-9].

為了對(duì)光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗進(jìn)行測量，本文研制了一套大功率光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測量系統(tǒng).該系統(tǒng)的核心部件是一種新型的大功率光伏陣列模擬器，使光伏逆變器輸出濾波電抗器運(yùn)行在一個(gè)比較真實(shí)的環(huán)境，讓測試和評(píng)估變得更加準(zhǔn)確[10-15].利用該測試平臺(tái)對(duì)某公司270 kW光伏逆變器中的輸出濾波電抗器進(jìn)行了有功損耗測量、性能評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 光伏陣列模擬器結(jié)構(gòu)和原理

光伏陣列模擬器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括三相電壓型高頻PWM整流電路及其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖.

圖1 光伏陣列模擬器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of PV array simulator

1.1 I-U指令信號(hào)運(yùn)算方法

在光伏直流物理模型的基礎(chǔ)之上，可以對(duì)光伏陣列模擬器輸出的I-U特性曲線指令信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算.在該模型中還考慮了太陽輻照度S、光伏陣列溫度T以及標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列的電流溫度系數(shù)α、電壓溫度系數(shù)β、串聯(lián)電阻Rs、開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率點(diǎn)電流Im等參數(shù)對(duì)輸出I-U特性曲線的影響.

太陽輻照度參考值Sref=1 kW/m2，光伏陣列溫度參考值Tref=25 ℃，可以得出光伏陣列輸出電壓為

(1)

式中：C1=(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc)；C2=(1-Im/Isc)e-Um/(C1Uoc)；DI=αDTS/Sref+(S/Sref-1)Isc；DV=-βDT-RsDI，DT=T-Tref.

1.2 三相電壓型高頻PWM整流

利用三相電壓型高頻PWM整流器可實(shí)現(xiàn)I-U指令信號(hào)的功率放大，用于模擬實(shí)際光伏陣列的輸出，為實(shí)驗(yàn)室中光伏逆變器的測試提供輸入電源.設(shè)置三相電壓型高頻PWM整流器在直流輸出電壓[400 V，1 000 V]區(qū)間內(nèi)跟蹤I-U指令信號(hào)，交流輸入電流控制為畸變率較小的正弦化電流且功率因數(shù)為1.根據(jù)光伏陣列模擬器和光伏逆變器的對(duì)偶性及工作過程的互逆性，在研制光伏陣列模擬器時(shí)，可利用光伏逆變器的硬件，僅需要對(duì)軟件部分進(jìn)行一定的修改.

2 光伏陣列模擬器建模仿真

依據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，利用Matlab建立仿真模型.輸入電壓270 V，頻率50 Hz，額定功率270 kW，電抗器電感量0.36 mH，濾波電容器電容量13.6 mF.圖2、3分別為光伏陣列模擬器直流輸出側(cè)和交流輸入側(cè)的仿真波形.圖2中實(shí)線為光伏陣列模擬器輸出的I-U和P-U特性曲線，虛線為I-U和P-U指令信號(hào)波形，3組特性曲線對(duì)應(yīng)的輻照度分別為1、0.8、0.6 kW/m2，太陽輻照度突變時(shí)，輸出電壓在400～1 000 V之間，光伏陣列模擬器輸出的特性曲線與指令信號(hào)完全吻合，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.圖3中光伏陣列模擬器的輸出功率為270 kW，輸入電壓、電流均為正弦且同相位，因而對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量(諧波和無功)影響較小.

圖2 光伏陣列模擬器輸出側(cè)的仿真波形Fig.2 Simulated waveforms on output side of PV array simulator

3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.光伏逆變器采用無變壓器設(shè)計(jì)，額定輸出功率為270 kW，輸出電壓為270 V，利用電力電子變流技術(shù)對(duì)相同型號(hào)的光伏逆變器進(jìn)行改造，使之實(shí)現(xiàn)光伏陣列模擬器的功能.光伏陣列模擬器和光伏逆變器的工作過程具有互逆性，有功功率在光伏陣列模擬器和光伏逆變器之間循環(huán)流動(dòng)，測試系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量較小，僅用來補(bǔ)充有功功率循環(huán)過程中的損耗，可以降低成本，達(dá)到工業(yè)要求.

光伏逆變器的開關(guān)頻率、輸出電壓以及輸出濾波電抗器的材料結(jié)構(gòu)工藝一定時(shí)，光伏逆變器輸出濾波電抗器的有功損耗僅取決于直流母線電壓和輸出電流或輸出功率.正常運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓通常在500～800 V，輸出功率在零到額定功率之間變化.實(shí)際測試時(shí)，通過設(shè)置光伏陣列模擬器參數(shù)，使得直流母線電壓分別為540、640和740 V，輸出功率以10%的額定功率為一級(jí)分別進(jìn)行9種工況的調(diào)節(jié).

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

光伏陣列模擬器和光伏逆變器的額定功率均為270 kW，輸出濾波電抗器的電感值360 μH，額定電流為577 A.電流傳感器選擇ULTRASTAB 867～1 000 IHF，并采用ZES Zimmer公司LMG500型高精度功率計(jì)對(duì)電抗器的電參數(shù)進(jìn)行了測量.

圖5為輸出濾波電抗器典型的電壓電流實(shí)驗(yàn)波形.光伏逆變柜中原裝的輸出濾波電抗器采用磁粉鐵芯，對(duì)其進(jìn)行有功損耗測量，有功損耗曲線如圖6所示.

圖3 光伏陣列模擬器輸入側(cè)的仿真波形Fig.3 Simulated waveforms on input side of PV array simulator

圖4 光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測試系統(tǒng)Fig.4 Active power loss measurement system for output filtering reactor of PV inverter

圖5 輸出濾波電抗器典型的電壓電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Typical experimental voltage and current waveforms of output filtering reactor

圖6 磁粉芯電抗器有功損耗曲線Fig.6 Active power loss curves of reactor with magnetic powder core

由圖6可以看出有功損耗隨直流母線電壓和輸出功率(輸出電流)的變化關(guān)系.此有功損耗曲線與該光伏逆變器生產(chǎn)商內(nèi)部測試的數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的有效性.保持相同的輸出電流諧波衰減，即輸出濾波電抗器的電感值不變，對(duì)材料結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型硅鋼片電抗器的有功損耗測試曲線如圖7所示.

圖7 硅鋼片電抗器有功損耗曲線Fig.7 Active power loss curves of reactor with silicon steel sheet core

為了顯示諧波工況對(duì)有功損耗的影響，其中還包含了基波電壓電流工況下的有功損耗測試曲線.對(duì)比圖6、7可以看出，改進(jìn)的硅鋼片電抗器比原裝的磁粉芯電抗器的有功損耗明顯減小，安裝此硅鋼片電抗器將使得光伏逆變器的最大效率提高1%.該系統(tǒng)節(jié)省了人力物力的投入，降低了成本，同時(shí)能夠更精確地測量出有功損耗.

5 結(jié) 論

本文在大功率光伏陣列模擬器的基礎(chǔ)上，研制了光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測試系統(tǒng).此光伏陣列模擬器能夠?yàn)楣夥孀兤鞯倪\(yùn)行提供較真實(shí)的環(huán)境和全面的工況，文中的測試僅涉及穩(wěn)態(tài)的工況.在此研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)該測試平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展，可以研究光伏逆變器綜合性能測試系統(tǒng)，用于光伏逆變器的參數(shù)測量、性能評(píng)估、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及資格認(rèn)證.該測試系統(tǒng)省時(shí)、省力，降低了大功率光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗的測量成本.