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第三章 光伏并网变换器的电压闪变和变动
IEEE标准519明确规定了连接到电网的变压器对谐波控制的要求，因为这影响到信号的强弱。信号的强弱与几个n次谐波有关，它能够引起分布式光伏并网变换器终端电压额定值的变化。此外，连接在电网AC端的负载可能产生不一样的时间要求，如按照顾客需要为他们的电动车充电。
传统的太阳能发电系统中，产生的电压通常很低（28伏直流），并由升压变压器以较高的电压传输，即33千伏，或是达到负载点电压的最低值，115伏交流电。在一些情况下，该能量与电网有关。输送点的供电电压要求浮动在额定值的正负百分之十之内。国家不同，当地的限制可能会更严格。电压分布系统的变化受负载变化的影响，例如在夜间温度下降时或夏天气温升高时。通过在MV层次使用自动的载分接开关可以避免这种影响。在负载点，这是通过使用无励磁抽头，以额定电压2.5%的步长来改变负载而实现的。
3.1 闪变
频率从1到20Hz的波动可导致光闪烁，这可能影响到依赖恒定功率的电子设备。短期闪烁值Pst根据预定义观察的过程计算间隔，长期闪烁值Pit 根据几次的Pst值计算平均数得出。在标准IEC61000中，观测间隔和Pst与Pit 的限定值规定如下：
- 电流的任何急剧变化将导致电压的剧烈变化。例如发电机主断路器断开时，或是多云天气时。
- 一个120V的基地在城市地区的闪烁被限制为2伏（2.5%），在乡村地区被限制为5伏（4.17%）。
3.2电压波动
电压波动是由于负载电流的波动。负载导致电压波动的一些实例有熔炉，复印机和冰箱。输出功率快速波动的可再生能源如风能、太阳能也存在电压波动的可能性。管理电网连接的中央电力管理局（CEA）规定，阶跃变化的电压波动限制在1.5%，非阶跃变化的电压波动最大限度为3%。
换言之，光伏并网变换器并网发电系统的输出随着太阳辐射因时间的变化而波动。晴天云层的运动或是阴云天都会对发电产生影响。这可能导致太阳能功率流波动，并影响与之相关的电压波动。在集中光伏供电系统中这要比由变化的负载所引起的电压波动影响更大。密切控制和监控这些变化至关重要。因为在某些情况下通过过/欠电压（OVP/UVP）和过/欠频率（OFP/UFP）衡量这些变化并作为评价方案。光伏并网变换器系统需要OVP/UVP和/或OFP/UFP检测系统，当电压的频率和幅度处于客户（负载）和规定限制的效用变化之间的公共耦合点（PCC）时，检测系统将能够通过PV逆变器停止向光伏并网变换器和电网供电。这些措施能够保护客户的设备，也能用来防孤岛检测。OVP/UVP系统能够通过被动和主动使用不检测区域法（NDZ）决定何时断开或避免从电网断开（在第六章会详细描述）。
现代光伏逆变器配合配置有多次级绕组和多个逆变器的光伏并网变换器使用，能够控制在电力设施公共耦合点（PCC）的电压和/或无功伏安。由于变频器的VOLT/VAR控制，PV站能够有效改善馈线上的电压控制。在某些情形下，它能够在严重的系统干扰中有效避免电压崩溃。在这种监测和控制中，OVP/UVP通过监控和数据采集系统（SCADA）发挥重要作用。
目前，无论是远离变电站的光伏站，光伏并网变换器还是PV电路穿透，在馈线性能中都发挥着重要的作用。（见图3.1）这种模式体现了欧姆定律和负载种类。100%峰值PV比值曲线几乎是线性的，而其他曲线则是非线性的。
电压闪烁可以通过使用高速绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器为基础的电压调节器，作为分流稳压器一直连通来解决。基于逆变器的VAR源几乎能够在瞬间调制电流并产生电源组抗上的矫正电压。此外，变频器每周期会多次更新电流以提供有效控制。因此，电压的细微变化，尤其是闪烁，就能够引起明显的照明变化。在度量上这被定义为Pst。值为1的Pst是可以能够容许的，但在人口密集区，任何高于1的值都可能引起不满。在频率为5Hz的最敏感地区，Pst值1对应电压0.5%的变化。IGBT方案有助于通过管理VAR优化Pst的价值并限制故障电流对保护系统的影响。
图3.1：
标题： PV站点输出损耗的电压降
横轴：与变电站距离（英里）
纵轴：电压下降（百分比）
右上小字：峰值PV比
第四章 光伏并网变换器的谐波和波形失真（损耗，额定功率）
分布式光伏并网变压器（DPV-GT）提供的电压并不是纯正弦波。DPV-GT系统受谐波和间谐波的干扰，它们叠加在电源电压上。这将会影响供电质量，而电压和电流谐波都有可能造成这种影响。谐波被定义为基波分量（即60或50Hz）的倍数频率，由它们的频谱分布和IEEE P1-433-A定义的频率范围中的值来定义。此外，有些间谐波不是基频倍数的电压和电流谐波，而是离散频率或被IEC6100-2-1定义为宽带频率一部分的电流谐波。
通过逆变器引入的谐波使得DPV-GT产生了波形失真。太阳能逆变器的典型谐波含量小于1%，几乎对系统没有影响。低谐波曲线是因为没有发电机、开关和保护控制，例如风能发电机。能够影响系统的谐波主要是由间歇能量导致的开关引起的，PV电池板受云的影响而不够稳定，其所能接收的太阳辐射以及接收的时间都取决于云层的状态。有些谐波是通过非线性负载引入系统的。谐波电压来源于负载引入的谐波电流。使用谐波电流源的有：开关模式电源，气体放电，变速驱动器，不间断电源，循环变流器，相角控制负载，电弧炉，静态VAR补偿器和变压器。此外，线性负载如电阻器、电容器和电感器由于电压失真会受到谐波电流的影响。总谐波水平可以高达单相负载100%，但谐波电压失真不太可能超过8.5%。如今无变压器设计的逆变器还引入了偶次供电谐波。PMW控制的反相器就是这种装置的实例。偶次谐波也是由具有不对称i-v特性的负载引起的。
当逆变器电流与系统频率不同步或是系统磁路饱和时，电流中的半导体静态转换器引起开关负载电路的幅度调制，产生间谐波。间谐波的典型来源是循环变流器，静态变频器，电弧焊机，电弧炉，感应电动机，风力发电机，低频电力线通信载波和由积分周期控制的负载。
谐波对变压器的负面影响通常只有在发生实际故障时才被人注意到。一般来说，设计为以额定频率工作的变压器已将其负载替换为非线性类型，其将谐波电流引入系统。因此，长期运行无碍的变压器在相对短的时间内存在问题。信号的谐波含量，特别是涡流损耗和磁滞损耗造成了额外的损失。DPV-GT日常操作中承受的非线性负载进一步加重了这些损失。对于非线性负载，所有标准ＤＯＥ１０ＣＦＲＰａｒｔ４３１配电变压器都必须降额以顾及谐波损耗的热量。谐波消除变压器优于Ｋ级和通用变压器，因为它们可以降低单相、非线性负载（如计算机）引起的电流谐波所造成的电压失真（平顶）和功率损耗。设置次级绕组的目的在于取消零序通量，消除初级绕组循环电流。次级绕组和第五和第七谐波上游中的零序谐波（第三，第九和第十五）则用适当的移相来处理。即使在严重的非线性负载条件下（如数据中心，互联网服务提供商，电信站点，呼叫中心，广播工作室等），双输出移相谐波减轻变压器仍能够保证输出的电压失真和输入的电流失真极低。将零序通量消除与相移相组合可以处理其次级绕组中的第3，第5，第7，第9，第15，第17和第19谐波。
此外，谐波和间谐波对DPV-GT网络组件的影响广泛，如热过热，磁饱和，以及系统谐振。而反过来这些将引起系统和电网电压的电压闪烁和波动。
4.1 谐波的定义
谐波是频率为基频整数倍的交流电压和电流。60 Hz系统包括二阶谐波（120Hz），三阶谐波（180Hz），四次谐波（240Hz），等等。通常在三相电力系统中仅出现奇数次谐波（第3.第5，第7，第9）。如果你在三相系统上观察到偶次谐波，那您系统中的整流器很可能存在问题。
如果将示波器连接到120V插座，屏幕上显示的图像通常不是完美的正弦波。也许非常接近，但却以多种不同的方式展现。当幅度接近其正和负最大值时，图像可能略微扁平或凹陷。（见图4.1）或是正弦波在极值附近变窄，使波形看起来像高峰一样。（见图4.2）而更可能的，是偏离完全正弦波的随机偏差，出现在正弦波每个周期的特定位置。（见图4.3）
图4.1 具有同相三次谐波频率的基频
图4.2 （见颜色插入）具有异相三次谐波频率的基频
图4.3 基波和奇次谐波（第五和第七）
图4.1中扁平和凹陷的正弦曲线满足下面的数学方程：
Y=sin(x) 0.25sin (3x) (4.1)
也就是说第二个正弦波加上60Hz正弦波（基频），其频率为三倍基波同相（180Hz），振幅为基波振幅四分之一（0.25倍），可得到类似图4.1第一部分的波形。180Hz正弦波被称为三次谐波，因为它的频率为基频的三倍，也与基频分量同相。因为内部构造，异相三次谐波也存在于适用于DPV电网应用的变压器中。这些变压器主要有铁芯型和用于三相应用的三肢型。
类似地，图4.2中的峰值正弦波满足下面的数学方程：
Y = sin(x) minus; 0.25 sin (3x) (4.2)
该波形与第一波性具有相同的组成，除了与基频异相的第三谐波分量，如“0.25sin(3x)”项前面的负号所指示的。这个细微的数学差异在波形上显示出非常大的不同。除了三次谐波，图4.3中的波形还包括了其他几个谐波。有的与基频同相，有的与基频异相。谐波频谱越丰富，波形呈现出的外观越复杂，如图4.4所示，偏离完美正弦曲线的程度更大。足够丰富的谐波频谱还可能会完全覆盖掉基频正弦波，使正弦波无法识别。
图4.4
与图4.3相比，稍有失真的基波频率正弦波形
图4.5 包含所有谐波的失真正弦波。
已知谐波幅值和阶数时，分析谐波频率，重建失真波形就很简单的。将谐波逐点加在一起，产生失真的波形。图4.5中的波形是在图4.6中通过对每个x值加上基波频率（红色波形）和三次谐波（蓝色波形）这两个分量的幅度，得到的绿色波形。
将失真的波形分解成其谐波分量相当困难。这个过程需要傅里叶分析，涉及大量的微积分。傅里叶频谱分析提供嵌入在正被处理的功率信号中每一个频率分量的功率。不过，电子设备已经发展到可以在实时基础上执行该操作。一些制造商提供三相功率分析仪，可以数字化采集三相波形并执行包括傅里叶分析在内的大量分析功能，以确定谐波含量。其他制造商为单相应用提供类似的功能。这些易于使用的分析仪有助于检测和诊断大多数电力系统的谐波问题。这些谐波一旦确定，就能够很容易地用现有的公式来找出出现在DPV-GT中涡流和磁滞损耗的实际内容。
图4.6基频波形，第三同相谐波波形以及合成波形
备注：基波频率波形
三次谐波波形
失真波形
谐波是频率为基频倍数并叠加在基本波形上的电流或电压成分。虽然单独的谐波分量是正弦的，当他们叠加到基本波形上就形成了失真的波形，如图4.3所示。谐波含量越高，波形失真越大。谐波电压失真的典型测量值在0%到10%THD-v的范围内，电流失真的典型范围则从0%到100%THD-i以上。当谐波失真相对较高时，电路电流和电压的均方根（RMS）值会显著增加。这可能对电气设备和配线造成压力，并产生额外热量，降低DPV-GT的预期寿命。
电压波形的总电压谐波失真（TVHD）被定义为电压谐波含量的和方根指与基波电压均方根值的比率。
（4.3）
电流波形的总电流谐波失真（TCHD）是电流谐波含量的方和根值与基波电流的方和根值的比值：
（4.4）
电流波形的总电流需求失真（TCDD）是谐波电流的方和根值与最大需求负载电流的比值：
（4.5）
其中I1是系统过去12个月内操作中的最大需求负载电流。
目前组串型三相并网逆变器（6kVA~20kVA）产品主要采用前级Boost 三电平逆变器的拓扑结构，直流母线电压一般为800V，本人看了一些国产的样机，母线电容都取的很大，有的样机母线电容取到20个500V/300uF的电解电容，上下各 10个。从概念上来讲，三相功率平衡的情况下，母线电容电压的脉动为0，母线电容可以取0，但实际上为什么还需要母线电容呢？这个母线电容要多大呢？与单相机的母线电容有什么区别呢？最初设计时，本人也没有这个概念，也是请教了一名工程师后，取了经验值，上下各2300uF。后来实在不甘心，仔细去设计了一下，发现国内这些产品的母线电容确实取大了（不考虑寿命，仅考虑纹波）。
首先来分析一下为什么需要母线电容，母线电容的作用是功率解耦，即当前级功率不足时，母线电容可以提供一部分功率，当前级功率增加时，可将增加的功率暂时储存在母线电容中，这样母线电容就相当于一个缓冲器，不会造成后级功率的突变（电流的突变或大超调），这只是从概念上讲。
具体的设计方案呢，应该从稳态时电容电压的纹波着手。理论上电容电压纹波为0，实际上由于开关管的开通和关断会带来开关频率的纹波，三相开关管带来的就是上电容和下电容同为150Hz的纹波，母线电容总体表现出来的纹波为300Hz。
下图是仿真波形，Ibus是母线输出电流，Vbus_cap是上电容的电压，Iqa,b,c分别是三相桥臂上管的电流波形，可以看出上（下）母线电容的脉动电压为150Hz，该母线电容的脉动是由于三相开关管的开关造成的，红色框里三相中有两相开关管开通，蓝色框里有一相开关管开通，该开关管的电流表达式非常容易推得，计算出蓝色框对应的这段时间电容的放电的电荷总量（电流对时间的积分），再除以允许的母线电容电压脉动即可求出需要的母线电容值，如下式：
(解释：我的一个工频周期的正弦
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