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. 國網江蘇省電力公司 電力科學研究院， 南京 210000； 2. 武漢磐電科技股份有限公司 研發部， 武漢 430058； 3. 湖北工業大學 太陽能研究院， 武漢 430068)

在可以預見的未來，光伏發電在電力系統中將獲得較大規模的應用[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，輸出濾波電抗器的有功損耗影響光伏系統的總效率、可靠性以及散熱系統的設計[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、開關頻率、輸出電壓、輸出電流以及材料結構工藝，通過對有功損耗進行準確測量，可以為其優化和散熱系統的設計提供實驗依據.目前，國內外相關測試系統所使用的技術方案主要有兩類：1)通過光伏電池陣列進行測試，該方法較為簡單、直接，同時其應用也最為廣泛，但卻會受到自然條件的限制，測試時較費時、費力，且成本較高；2)利用電力電子變流技術對光伏陣列的輸出進行模擬，即通過光伏陣列模擬器來進行測試，該種方案對光伏陣列模擬器的性能要求較高，現有的測試平臺通常難以達到工業應用的需要[6-9].

為了對光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗進行測量，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.該系統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行在一個比較真實的環境，讓測試和評估變得更加準確[10-15].利用該測試平臺對某公司270 kW光伏逆變器中的輸出濾波電抗器進行了有功損耗測量、性能評估和優化設計.

1 光伏陣列模擬器結構和原理

光伏陣列模擬器結構如圖1所示，其中包括三相電壓型高頻PWM整流電路及其對應的控制系統框圖.

圖1 光伏陣列模擬器結構圖Fig.1 Structure diagram of PV array simulator

1.1 I-U指令信號運算方法

在光伏直流物理模型的基礎之上，可以對光伏陣列模擬器輸出的I-U特性曲線指令信號進行實時運算.在該模型中還考慮了太陽輻照度S、光伏陣列溫度T以及標準條件下光伏陣列的電流溫度系數α、電壓溫度系數β、串聯電阻Rs、開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點電壓Um、最大功率點電流Im等參數對輸出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整流器可實現I-U指令信號的功率放大，用于模擬實際光伏陣列的輸出，為實驗室中光伏逆變器的測試提供輸入電源.設置三相電壓型高頻PWM整流器在直流輸出電壓[400 V，1 000 V]區間內跟蹤I-U指令信號，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為1.根據光伏陣列模擬器和光伏逆變器的對偶性及工作過程的互逆性，在研制光伏陣列模擬器時，可利用光伏逆變器的硬件，僅需要對軟件部分進行一定的修改.

2 光伏陣列模擬器建模仿真

依據實驗電路的結構和參數，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和交流輸入側的仿真波形.圖2中實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指令信號波形，3組特性曲線對應的輻照度分別為1、0.8、0.6 kW/m2，太陽輻照度突變時，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完全吻合，具有較好的動態響應特性.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，因而對配電網的電能質量(諧波和無功)影響較小.

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

3 測試系統結構圖

光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測試系統結構如圖4所示.光伏逆變器采用無變壓器設計，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對相同型號的光伏逆變器進行改造，使之實現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流動，測試系統從電網吸收的能量較小，僅用來補充有功功率循環過程中的損耗，可以降低成本，達到工業要求.

光伏逆變器的開關頻率、輸出電壓以及輸出濾波電抗器的材料結構工藝一定時，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.正常運行時，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.實際測試時，通過設置光伏陣列模擬器參數，使得直流母線電壓分別為540、640和740 V，輸出功率以10%的額定功率為一級分別進行9種工況的調節.

4 實驗數據及分析

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型高精度功率計對電抗器的電參數進行了測量.

圖5為輸出濾波電抗器典型的電壓電流實驗波形.光伏逆變柜中原裝的輸出濾波電抗器采用磁粉鐵芯，對其進行有功損耗測量，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驗波形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)的變化關系.此有功損耗曲線與該光伏逆變器生產商內部測試的數據基本一致，驗證了測試系統的有效性.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，對材料結構工藝進行了改進，優化設計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.對比圖6、7可以看出，改進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%.該系統節省了人力物力的投入，降低了成本，同時能夠更精確地測量出有功損耗.

5 結 論

本文在大功率光伏陣列模擬器的基礎上，研制了光伏逆變器輸出濾波電抗器有功損耗測試系統.此光伏陣列模擬器能夠為光伏逆變器的運行提供較真實的環境和全面的工況，文中的測試僅涉及穩態的工況.在此研究基礎上，通過對該測試平臺進行功能擴展，可以研究光伏逆變器綜合性能測試系統，用于光伏逆變器的參數測量、性能評估、優化設計以及資格認證.該測試系統省時、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.