陶艷

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

弱電網(wǎng)下光伏發(fā)電系統(tǒng)諧振機(jī)理研究

陶艷

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都要通過較長的輸電線路接入電網(wǎng)，可能會有電網(wǎng)阻抗較高，短路容量較低的情況出現(xiàn)。這些條件會引起光伏并網(wǎng)變流器的系統(tǒng)諧振。圍繞弱電網(wǎng)條件下的并網(wǎng)變流器諧振問題展開研究，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對弱電網(wǎng)條件引起并網(wǎng)變流器特定次諧波振蕩的機(jī)理進(jìn)行分析，研究了影響系統(tǒng)發(fā)生諧振的主要因素，并通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

光伏發(fā)電系統(tǒng);諧振;電網(wǎng)阻抗;弱電網(wǎng);機(jī)理

0 引 言

光伏發(fā)電系統(tǒng)往往需要通過長距離的輸電線路連接到電網(wǎng)，這使得等效電網(wǎng)阻抗變得較大。由于電網(wǎng)阻抗的存在，當(dāng)系統(tǒng)存在諧振峰并且與系統(tǒng)中的擾動頻率正好匹配時，會引起出電壓、過電流，甚至導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間發(fā)生嚴(yán)重諧振問題[1-2]。深入分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)諧振的機(jī)理對制定相應(yīng)的諧振抑制措施，及光伏電站的建設(shè)，推動光伏并網(wǎng)發(fā)電大規(guī)模發(fā)展具有重要的意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于諧振問題分析時采用的方法主要有小信號分析法、基于阻抗的穩(wěn)定性判據(jù)及經(jīng)典的頻域分析方法。文獻(xiàn)[3]以狀態(tài)空間方法描述系統(tǒng)，通過求其狀態(tài)矩陣的特征值和特征向量進(jìn)行分析，然而小信號分析是要建立某一個工作點(diǎn)附近的近似小信號線性模型，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)工作點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生變化，此時小信號分析方法受到限制?；谧杩贡鹊姆€(wěn)定性分析法[4]比較適用于由于電網(wǎng)阻抗影響，帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，但是這種方法要想取得精確的結(jié)果需要依賴于對阻抗進(jìn)行實(shí)時在線測量[4]，而系統(tǒng)中存在諧波可能會導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確，從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷出現(xiàn)誤差，不能得到系統(tǒng)諧振的準(zhǔn)確機(jī)理，而且無法揭示系統(tǒng)暫態(tài)性能。

本文將采用經(jīng)典的頻域分析方法分析諧振問題，通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，繪制出幅值頻率、相角頻率的特性曲線(Bode圖)，并利用根軌跡等分析工具來研究不同條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，進(jìn)而揭示光伏并網(wǎng)變流器在弱電網(wǎng)條件下的諧振機(jī)理。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

三相靜止坐標(biāo)系下，包含LCL濾波器的三相光伏并網(wǎng)逆變器主電路如圖1所示[5]。

圖1 光伏并網(wǎng)變流器拓?fù)鋱D

圖中L1為變流器側(cè)濾波電感，C為濾波電容，L2為網(wǎng)側(cè)濾波電感，三者連接成為LCL濾波器。變流器輸出電壓經(jīng)過LCL濾波器將電能送入電網(wǎng)。圖2為在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下光伏并網(wǎng)變流器電流環(huán)采用變流器側(cè)電感電流控制框圖[6-8]：

2 非理想電網(wǎng)情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)諧振分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般建在偏遠(yuǎn)的地方，需要較長的傳輸線路，其阻抗不可忽略。下面討論考慮電網(wǎng)阻抗時光伏并網(wǎng)逆變器的諧振問題。

文獻(xiàn)[9]指出，光伏電站內(nèi)并網(wǎng)變流器一般是由同一廠家生產(chǎn)，硬件參數(shù)、控制參數(shù)一致，在N臺光伏并網(wǎng)變流器并聯(lián)運(yùn)行時，由于電網(wǎng)阻抗的影響，可以認(rèn)為單臺變流器運(yùn)行時的等效電網(wǎng)阻抗擴(kuò)大N倍。為了分析問題的簡便，本文以單臺變流器在接入弱電網(wǎng)條件下進(jìn)行研究諧振問題并不失一般性。

考慮電網(wǎng)阻抗為純感性(Lg)時，圖2的變流器側(cè)電流控制框圖變化為如圖3所示。

圖2 變流器控制框圖

圖3 考慮感性電網(wǎng)阻抗時變流器控制框圖

當(dāng)認(rèn)為電網(wǎng)電壓vg為擾動量時，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

(5)

為了確定控制器參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，分別改變電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，依次調(diào)整為5/6/7/10/20，得到閉環(huán)系統(tǒng)根軌跡如圖4所示。

圖4 在PI比例系數(shù)變化下系統(tǒng)根軌跡

隨著箭頭指向，比例系數(shù)依次增大，主導(dǎo)極點(diǎn)逐漸左移，越來越靠近虛軸，由此可以得出結(jié)論：電流環(huán)比例系數(shù)越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，則參數(shù)取值不合理時，可能產(chǎn)生諧振。

隨著電網(wǎng)阻抗Lg的變化，閉環(huán)傳遞函數(shù)根軌跡如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)阻抗變化時系統(tǒng)根軌跡

電網(wǎng)阻抗隨著箭頭的指向依次增大，閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)逐漸移向虛軸，直到移動到虛軸右半平面，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

此外隨著電網(wǎng)阻抗值Lg的增大，系統(tǒng)諧振頻率Bode圖變化情況如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)諧振頻率隨電網(wǎng)阻抗的變化圖

由圖6可知，隨著電網(wǎng)阻抗增加，LCL濾波器諧振頻率逐漸降低。高頻段以60 dB/dec進(jìn)行衰減，即LCL濾波器對高次諧波有更優(yōu)良的濾除性能，但也可以看出兩個頻段的分界點(diǎn)存在LCL濾波器的固有諧振頻率，其值為：

(3)

式中L1為變流器側(cè)電感，L2為電網(wǎng)側(cè)電感，Cf為濾波電容。

由于固有諧振頻率的存在，變流器進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)計(jì)不合理時有可能會發(fā)生諧振現(xiàn)象，該結(jié)論與文獻(xiàn)[9]得出的結(jié)論一致。

3 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink中搭建并網(wǎng)變流器仿真模型進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證上述理論分析的正確性。模型參數(shù)如表1所示。

如圖7所示，電流環(huán)控制參數(shù)變化時，開始時一臺并網(wǎng)變流器以500 kW額定功率運(yùn)行，并網(wǎng)電流近似為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，0.1 s后變流器電流環(huán)比例系數(shù)由40增加到100，PCC電壓值及并網(wǎng)電流值的變化情況仿真結(jié)果如圖7所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

圖7 變流器電流環(huán)控制參數(shù)變化時電壓電流波形

由圖7可知，經(jīng)過一段時間后PCC電壓及并網(wǎng)電流發(fā)生了振蕩。0.2 s時變流器電流環(huán)比例系數(shù)恢復(fù)到40，之后振蕩現(xiàn)象消失。

單臺500 kW并網(wǎng)變流器并網(wǎng)時，電網(wǎng)阻抗開始時設(shè)置為100 μH，并網(wǎng)電流近似為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，0.1 s后電網(wǎng)阻抗變化為200 μH，電網(wǎng)阻抗變化時，PCC電壓值及并網(wǎng)電流值的變化情況仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)阻抗變化時電壓電流波形

經(jīng)過一段時間調(diào)整后PCC電壓及并網(wǎng)電流發(fā)生振蕩。0.2 s之后電網(wǎng)阻抗恢復(fù)為100 μH，振蕩現(xiàn)象消失。

4 結(jié)束語

本文建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，考慮弱電網(wǎng)條件之一的電網(wǎng)阻抗，從對電流環(huán)控制參數(shù)、電網(wǎng)阻抗大小等方面揭示了光伏發(fā)電系統(tǒng)諧振問題，指出了電流環(huán)比例系數(shù)過大會引起LCL濾波器諧振增益過大，引起逆變器輸出電流諧振；電網(wǎng)阻抗的存在使得原有系統(tǒng)LCL濾波器諧振點(diǎn)降低到低頻區(qū)域，導(dǎo)致低頻穩(wěn)定裕度較低，可能引起低頻諧振的問題。最后利用MATLAB搭建了實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。

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A Research on the Resonance Mechanism of the PV Generation System in Weak Grids

Tao Yan

(Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou Hunan 412001, China)

As the PV generation system is normally connected to the power grid over a long transmission line, grid impedance might remain high and short circuit capacity might be low. That would possibly result in system resonance of the PV grid connection inverter. This paper studies resonance of the grid connection inverter under the condition of weak power grid. By using a mathematical model of the PV generation system, it analyzes the mechanism for specific sub-harmonic oscillations of the grid connection inverter under weak grid condition. Major factors causing system resonance is discussed, and the correctness of theoretical analysis is verified through simulation.

PV generation system；resonance； grid impedance； weak grid； mechanism

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.020

TM615

A

1000-3886(2017)02-0066-03

陶艷(1980-)，女，湖南株洲人，工程師，講師，碩士生，主要從事電氣控制系統(tǒng)及軌道交通電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及理論研究工作。

定稿日期: 2016-08-30