張前進(jìn), 周 林, 解 寶

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)), 重慶市 400044)

針對(duì)電網(wǎng)阻抗的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與提高策略

張前進(jìn), 周 林, 解 寶

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)), 重慶市 400044)

大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中,一般采用多逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)提高總的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的容量。由于光伏電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),隨著并網(wǎng)容量的增加,電網(wǎng)阻抗值相對(duì)于某一個(gè)光伏發(fā)電單元而言將會(huì)被等效放大,從而導(dǎo)致逆變器控制策略失效且并網(wǎng)失敗。文中在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)開關(guān)平均模型的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)于逆變器輸出電壓和電流的影響,并針對(duì)電網(wǎng)阻抗導(dǎo)致的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象,采用虛擬阻抗思想,通過(guò)輸出電流反饋,實(shí)現(xiàn)指令電流與輸出電流的協(xié)調(diào)配合,等效消除電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后,通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng); 電網(wǎng)阻抗; 穩(wěn)定性; 電能質(zhì)量; 虛擬阻抗

0 引言

由于傳統(tǒng)能源具有不可再生和污染環(huán)境等缺點(diǎn),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問(wèn)題使得世界各國(guó)都在積極發(fā)展可再生清潔能源,并規(guī)劃以清潔可再生的新能源逐步替代傳統(tǒng)能源。在新能源體系中,風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電所占的比例最大,并且有資料顯示美國(guó)、歐洲等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在未來(lái)發(fā)展中都會(huì)逐步加大光伏發(fā)電所占的比例[1]。

目前,若干兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏電站相繼在青海、甘肅、寧夏等地運(yùn)行投產(chǎn),寧夏鹽城2 GW光伏電站也在建設(shè)當(dāng)中?？梢钥闯?大型光伏電站一般建在西部偏遠(yuǎn)地區(qū)。西部地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后,大量的光伏電能并不能由本地負(fù)載消納,因此需要將過(guò)剩的電能輸送到東部發(fā)達(dá)地區(qū),否則大容量光伏電站就只能降額運(yùn)行。然而,國(guó)家對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的投資和審批嚴(yán)重滯后于電源建設(shè)進(jìn)度,因此西北地區(qū)仍存在很嚴(yán)重的“棄光”現(xiàn)象。滯后的輸電線路對(duì)光伏輸出容量的限制體現(xiàn)在其等效電網(wǎng)阻抗上,長(zhǎng)距離輸電線路產(chǎn)生的電網(wǎng)阻抗對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有很大的影響,會(huì)引起并網(wǎng)系統(tǒng)諧波諧振、電壓穩(wěn)定性等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[2]基于LCL濾波器的電流控制系統(tǒng),分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)于電流控制帶寬的影響,采用諧波補(bǔ)償和有源阻尼來(lái)抑制大范圍電網(wǎng)阻抗變化導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題,但是研究對(duì)象為分布式并網(wǎng)系統(tǒng),不能準(zhǔn)確反映大型光伏電站的阻抗特性。文獻(xiàn)[3]描述了由于電網(wǎng)阻抗作用而耦合的多逆變器并聯(lián)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在的控制穩(wěn)定性問(wèn)題,在考慮數(shù)控延時(shí)等因素下,提出了逆變器有源阻尼和控制算法的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[4]建立了大型光伏電站的諾頓等效模型,分析了考慮電網(wǎng)阻抗時(shí)大型光伏電站的諧振機(jī)理,并用根軌跡法判斷大型光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行域。文獻(xiàn)[5]針對(duì)多逆變器并聯(lián)系統(tǒng),推導(dǎo)出系統(tǒng)的全局最小環(huán)路增益并以此來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而避免多逆變器系統(tǒng)計(jì)算帶來(lái)的復(fù)雜性。以上文獻(xiàn)針對(duì)電網(wǎng)阻抗對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,主要側(cè)重于光伏電站等效阻抗與電網(wǎng)阻抗相匹配時(shí)的諧振現(xiàn)象,以及電網(wǎng)阻抗變化對(duì)于逆變器電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,并沒(méi)有考慮大電網(wǎng)阻抗條件下,電網(wǎng)阻抗對(duì)于逆變器交流側(cè)電壓的影響。文獻(xiàn)[6]簡(jiǎn)要分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)于并網(wǎng)電壓的影響,但并沒(méi)有進(jìn)一步分析其導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題及相應(yīng)的抑制策略。然而,對(duì)于多逆變器并聯(lián)系統(tǒng),文獻(xiàn)[7]提出當(dāng)各逆變器結(jié)構(gòu)、參數(shù)及控制方式等都相同時(shí),多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)可以等效為單逆變器并網(wǎng)的觀點(diǎn),即對(duì)于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)而言,特別是在光伏電站容量不斷擴(kuò)大的情況下,較大的電網(wǎng)阻抗不僅會(huì)對(duì)電流環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響還會(huì)由于降低逆變側(cè)電壓而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。

本文首先對(duì)大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。然后討論分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)于逆變器輸出電壓、并網(wǎng)電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,在大型光伏電站擴(kuò)容或輸出容量較大的情況下,針對(duì)電網(wǎng)阻抗導(dǎo)致的并網(wǎng)電壓崩潰從而造成的脫網(wǎng)事故,本文所提反饋策略,通過(guò)逆變器自身的控制,實(shí)現(xiàn)逆變器輸出容量的自適應(yīng)調(diào)節(jié),保證并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定,通過(guò)犧牲部分功率,保證整個(gè)光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行。彌補(bǔ)了實(shí)際中由于輸電線路建設(shè)落后而導(dǎo)致的大容量系統(tǒng)并網(wǎng)失敗的缺點(diǎn),相比于無(wú)功補(bǔ)償電網(wǎng)阻抗方式,該方法不增加額外的附加裝置,減少了設(shè)備投資,適用于脫網(wǎng)事故的緊急情況,具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析

由于大型光伏電站都是由一個(gè)個(gè)光伏發(fā)電單元組成的,大型光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行,離不開每個(gè)光伏發(fā)電單元的穩(wěn)定。因此,本文先對(duì)單個(gè)500 kW光伏發(fā)電單元系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。由于大型光伏電站具有容量大、控制系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn),為提高效率,降低電能變換過(guò)程中能量的損失,其主電路結(jié)構(gòu)采用單級(jí)結(jié)構(gòu)[8]。對(duì)于開關(guān)頻率較低的大容量逆變器,LCL濾波器相比于單L濾波器具有三階低通濾波特性,在相同的諧波標(biāo)準(zhǔn)下可以采用較小的濾波電感設(shè)計(jì),可以有效減小體積和成本[9],系統(tǒng)主電路等效框圖見(jiàn)附錄A圖A1。

由于LCL濾波器的三階濾波特性,其傳遞函數(shù)存在缺項(xiàng),其特征方程將會(huì)出現(xiàn)在虛軸和原點(diǎn)處的極點(diǎn),即LCL濾波器存在諧振現(xiàn)象。為抑制LCL濾波器的諧振峰值,本文采用電容電流反饋的有源阻尼策略[10-12]。此外,對(duì)于LCL并網(wǎng)型逆變器,在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,兩相之間將會(huì)存在6個(gè)耦合項(xiàng),且要進(jìn)行多次坐標(biāo)變換,使控制器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜且可靠性較低。而在αβ坐標(biāo)系下,兩相之間不存在耦合，無(wú)需進(jìn)行解耦控制,且在αβ坐標(biāo)系下采用比例—諧振(PR)控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)靜差調(diào)節(jié),且能有效抑制電網(wǎng)諧波[13-14]。為了控制器在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)仍能有較好的控制能力,本文在αβ坐標(biāo)系下采用準(zhǔn)PR控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)附錄A圖A2。

為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)直流側(cè)電壓不變,為Udc,有功和無(wú)功電流參考值也不變,由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率,可以采用開關(guān)平均模型,此時(shí)逆變器等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)Kpwm,只對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行分析,可得到αβ坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖1所示。

圖1 逆變器電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.1 Control block diagram of inverter inner current loop

根據(jù)圖1可以得到電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為:

(1)

為了提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的容量,大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要采用多逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)[15],以內(nèi)蒙古烏拉特后旗40 MW(峰值功率)大型光伏電站為例,并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附錄A圖A3所示,其中Z1為分裂變壓器等效阻抗,Z2為主升壓變壓器等效阻抗,Zg′為光伏電站輸出到大電網(wǎng)的阻抗。由于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),各個(gè)光伏發(fā)電單元之間容易產(chǎn)生環(huán)流,影響逆變器的性能[16-17]。因此,為抑制環(huán)流,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,各光伏發(fā)電單元都采用相同的元件、結(jié)構(gòu)及控制策略[18]。附錄A圖A3右邊Zg′可以看成是n個(gè)nZg′相并聯(lián),由于當(dāng)各個(gè)逆變器采用相同的元件、控制策略且出力相同時(shí),各發(fā)電單元輸出電壓相同,母線a可以等效去除,從而Z2與nZg′相串聯(lián),同理,再將其轉(zhuǎn)換到單個(gè)逆變器支路,從而得到相對(duì)于一臺(tái)逆變器的等效電網(wǎng)阻抗:

Zg=2(nZg′+Z2)+Z1

(2)

可以看出,光伏電站容量越大,系統(tǒng)的等效電網(wǎng)阻抗值越大。因此,在下文的分析中將光伏電站容量的增加等效為電網(wǎng)阻抗的增加。可以看出,即使光伏電站到大電網(wǎng)的阻抗較小,當(dāng)光伏電站容量n較大時(shí),對(duì)于單個(gè)光伏發(fā)電單元而言的等效電網(wǎng)阻抗也很大。

2 電網(wǎng)阻抗的影響及抑制策略

2.1 電網(wǎng)阻抗對(duì)逆變器輸出的影響

根據(jù)上面的分析,由電路理論知識(shí)可以得到,當(dāng)實(shí)際并網(wǎng)電流能夠跟蹤參考電流,隨著電網(wǎng)阻抗增大,由于并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓不變,電網(wǎng)阻抗上的壓降增加,逆變器輸出電壓會(huì)下降。為方便分析,采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)且忽略電網(wǎng)阻抗中的電阻分量,并網(wǎng)側(cè)電壓矢量圖如圖2所示,Vg為電網(wǎng)相電壓峰值,Vl為電網(wǎng)電感上的壓降,Vpv為逆變器輸出電壓。隨著Vl增大,Vpv由a點(diǎn)變?yōu)閎點(diǎn),即逆變器輸出電壓下降。當(dāng)電網(wǎng)阻抗足夠大時(shí),并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)很小甚至為零。附錄A圖A4為電網(wǎng)電感Lg變化時(shí)逆變器輸出電壓Vpv的變化曲線圖,從中可以看出,隨著光伏電站容量不斷增加,逆變器輸出電壓逐漸降低。當(dāng)光伏電站容量增加使得等效電網(wǎng)電感為0.2 mH左右時(shí),逆變器輸出電壓已降低到正常值的90%左右,若繼續(xù)增加系統(tǒng)容量,逆變器輸出電壓將會(huì)持續(xù)降低,從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率逐漸增加,且過(guò)低的電壓將會(huì)使系統(tǒng)因保護(hù)作用而跳閘。因此,在光伏電站擴(kuò)容的情況下,很有可能會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)趨近c(diǎn)點(diǎn),從而導(dǎo)致并網(wǎng)電能質(zhì)量降低,甚至系統(tǒng)振蕩而并網(wǎng)失敗。

圖2 并網(wǎng)側(cè)電壓矢量圖Fig.2 Voltage vector diagram on grid-connected side

由于在只考慮電網(wǎng)電感的情況下,逆變器輸出電壓、電感上壓降及電網(wǎng)電壓滿足直角三角形關(guān)系,因此逆變器輸出電壓可以表示為:

(3)

顯然,在電網(wǎng)電壓不變的情況下,電感上壓降的上升將使得逆變器輸出電壓降低,在Vl≥Vg的情況下,式(3)將無(wú)解或?yàn)榱憬?此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。在極限運(yùn)行狀態(tài)時(shí),電網(wǎng)電壓等于電感上的壓降,從而可以得到電網(wǎng)電感的表達(dá)式為:

(4)

式中:ω為基波角頻率;I為并網(wǎng)相電流峰值;Lgr為系統(tǒng)穩(wěn)定臨界電網(wǎng)電感。

當(dāng)Lg≥Lgr時(shí),系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。當(dāng)Lg

(5)

式中:L1為分裂變壓器低壓側(cè)及傳輸線路等效電感；L2為分裂變壓器高壓側(cè)及傳輸線路等效電感;Lg′為光伏電站輸出到大電網(wǎng)的等效電感。

然而,由于電網(wǎng)阻抗相當(dāng)于等效增大電網(wǎng)側(cè)濾波電感L2的值[19-20],從電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)(詳見(jiàn)附錄A圖A5)可以看出,隨著電網(wǎng)阻抗的增加,電流內(nèi)環(huán)的截止頻率逐漸降低,系統(tǒng)的相位裕度和幅值裕度也逐漸降低,逆變器輸出電壓由振蕩趨于穩(wěn)定的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),并網(wǎng)電能質(zhì)量逐漸降低。

2.2 電網(wǎng)阻抗抑制策略

由上面的分析可知,對(duì)于大型光伏電站,隨著光伏電站容量的逐漸增大,即使電網(wǎng)阻抗較小也會(huì)對(duì)光伏電站產(chǎn)生很大的影響,對(duì)于大型光伏電站中單個(gè)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)而言,隨著電站容量的不斷增加,等效電網(wǎng)阻抗的值要遠(yuǎn)大于實(shí)際的電網(wǎng)阻抗。會(huì)使得逆變器輸出電壓過(guò)低,波形畸變嚴(yán)重,甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)振蕩現(xiàn)象從而直接不能運(yùn)行。為了避免因系統(tǒng)容量增加而導(dǎo)致的并網(wǎng)失敗現(xiàn)象的發(fā)生,提高并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性和并網(wǎng)電能質(zhì)量,本文采用反饋控制策略,將電網(wǎng)阻抗環(huán)節(jié)進(jìn)行等效變換,消除電網(wǎng)阻抗對(duì)于并網(wǎng)輸出電壓的影響,如2.1節(jié)式(4)所示,在電網(wǎng)電感Lg≥Lgr時(shí),對(duì)于電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)良好的逆變器而言,電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的,對(duì)于500 kW逆變器而言,當(dāng)Lg=0.46 mH時(shí),電流內(nèi)環(huán)奈奎斯特曲線見(jiàn)附錄A圖A6,顯然系統(tǒng)是穩(wěn)定的,而由2.1節(jié)分析可知,逆變器輸出電壓無(wú)解從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此時(shí),傳統(tǒng)基于電流內(nèi)環(huán)改善電網(wǎng)阻抗的方法將會(huì)顯示出明顯的不足,不能保證逆變側(cè)電壓的穩(wěn)定性,基于此種情況,本文通過(guò)反饋策略自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出容量,從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性,改善并網(wǎng)電能質(zhì)量。由于是在電流內(nèi)環(huán)控制框圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等效變換,因此對(duì)于電網(wǎng)阻抗對(duì)電流內(nèi)環(huán)控制性能的影響也具有很好的抑制效果。

如圖3所示,當(dāng)只考慮電網(wǎng)阻抗感性分量Lg時(shí),LCL濾波器電網(wǎng)側(cè)等效電感為L(zhǎng)2+Lg。為了消除電網(wǎng)電感的影響，濾波器網(wǎng)側(cè)濾波電感阻抗值可以表達(dá)為式(6)的形式,對(duì)其進(jìn)行等效變換,在原有的電流內(nèi)環(huán)控制框圖的基礎(chǔ)上引入兩路并網(wǎng)電流反饋,并將其等效變換到控制回路,所得反饋增益分別為H1和H2,如式(7)和式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

圖3 電網(wǎng)電感變化時(shí)電流開環(huán)傳遞函數(shù)的框圖Fig.3 Block diagram of open-loop transfer function when grid impedance varies

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照以上分析,本文在MATLAB/Simulink仿真軟件中搭建了500 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)附錄B表B1所示。a相并網(wǎng)電壓和電流波形如附錄B圖B1所示,并網(wǎng)電流快速傅里葉變換(FFT)分析結(jié)果見(jiàn)附錄B圖B2。可以看出,當(dāng)不考慮電網(wǎng)阻抗時(shí)三相并網(wǎng)電流能夠很好地跟蹤參考電流且滿足并網(wǎng)要求。

在原有模型的基礎(chǔ)上增加電網(wǎng)阻抗,當(dāng)Lg為0.2 mH時(shí),并網(wǎng)逆變器輸出電壓和電流波形如附錄B圖B3所示。從圖B1和圖B3可以看出,此時(shí)雖然增大了電網(wǎng)阻抗,但由于電流閉環(huán)控制的作用使得并網(wǎng)電流基本不受影響,仍能很好地跟蹤參考,但是為了滿足并網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)三角形的關(guān)系,并網(wǎng)電壓會(huì)在一定程度上降低,與之前理論分析一致。當(dāng)將Lg增大到式(3)所算出的極限值時(shí),根據(jù)附錄B圖B4,可以看出此時(shí)并網(wǎng)電壓已經(jīng)降為零,但由上面的分析可知,系統(tǒng)并不能在該狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行,如圖所示,在0.1 s左右時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)入振蕩狀態(tài)。當(dāng)繼續(xù)增大電網(wǎng)阻抗使得Lg=1 mH時(shí)三相并網(wǎng)電流和電壓波形如附錄B圖B5所示,此時(shí)單位功率因數(shù)控制不可能實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)進(jìn)入非正?？刂茽顟B(tài),并網(wǎng)電流和電壓出現(xiàn)振蕩且波形嚴(yán)重畸變,已完全不能滿足并網(wǎng)要求。

為了使系統(tǒng)容量變大后,并網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行且保持較好的并網(wǎng)電能質(zhì)量,消除電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響,采用本文提出的反饋策略。從附錄B圖B6可以看出并網(wǎng)電壓維持不變且并網(wǎng)電流為正弦波,對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行FFT分析,如附錄B圖B7所示,可以看出并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于5%,滿足并網(wǎng)要求。但是由于電流反饋系數(shù)的存在,相當(dāng)于將實(shí)際電流等效變?yōu)閰⒖贾档?L2+Lg)/L2倍。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖如附錄B圖B8所示,可以看出系統(tǒng)具有良好的相位裕度和幅值裕度,截止頻率也滿足設(shè)計(jì)要求,根據(jù)系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時(shí)域指標(biāo)的換算關(guān)系,系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。保持電網(wǎng)阻抗不變,進(jìn)一步改變系統(tǒng)的電流參考值,在0.5 s時(shí)將電流增大一倍,由附錄B圖B9可以看出系統(tǒng)輸出電壓保持不變,電流在0.5 s時(shí)能很好地跟蹤參考電流。

為進(jìn)一步驗(yàn)證阻抗等效變換的正確性,增加說(shuō)服力,對(duì)兩臺(tái)500 kW逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。相比于一臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)電網(wǎng)阻抗為1 mH的情況,根據(jù)上述變換原則,此時(shí)電網(wǎng)阻抗為0.5 mH。仿真結(jié)果如附錄B圖B10所示,ia1為一臺(tái)逆變器輸出的電流,ia2為兩臺(tái)逆變器總的并網(wǎng)電流,ua為并網(wǎng)電壓。當(dāng)逆變器不采用本文所述反饋策略時(shí),如附錄B圖B10(a)所示,由于電網(wǎng)阻抗的作用,并網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)采用本文所述反饋策略時(shí),如附錄B圖B10(b)所示,在原有的電網(wǎng)阻抗條件下,并網(wǎng)電壓和電流保持穩(wěn)定,并網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。顯然,分析電網(wǎng)阻抗對(duì)于并網(wǎng)電壓的影響時(shí),不管是將電網(wǎng)阻抗等效到單臺(tái)逆變器并網(wǎng)的情況,還是保持原有的多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)、不進(jìn)行等效的情況,分析結(jié)果是相同的。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則及步驟,以5 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,直流側(cè)電源采用AGP1010提供700 V直流電壓,電網(wǎng)電壓有效值為220 V。逆變器采用CCS050M12CMC集成模塊,并由集成驅(qū)動(dòng)模塊CGD15FB45P驅(qū)動(dòng),控制芯片采用DSP/TMS320F28335。LCL濾波器參數(shù)為:L1=5.5 mH,L2=1 mH,C=20 μF。PR控制器參數(shù)為:kp=0.047 86,kr=10.314 2,wc=3.14,w0=314,其中kp和kr為比例系數(shù),wc為帶寬頻率,w0為諧振頻率。電容電流有源阻尼系數(shù)kc=0.097。

首先,不采用本文所提出的反饋控制策略,根據(jù)式(4),當(dāng)電網(wǎng)電感為90 mH時(shí),a相電壓和電流波形如圖4所示,顯然,傳統(tǒng)的控制方式使得逆變器輸出電壓無(wú)解,導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩,且打破圖2所示限制,進(jìn)入非單位功率因數(shù)狀態(tài)。采用本文提出的反饋控制策略,等效抵消電網(wǎng)阻抗對(duì)于控制的影響之后,并網(wǎng)電壓和電流波形如圖5所示。可以看出,并網(wǎng)電壓能夠穩(wěn)定,但是由于主電路中電網(wǎng)阻抗的影響,并網(wǎng)電流下降到300 mA左右,并網(wǎng)電壓和電流實(shí)現(xiàn)同相,并網(wǎng)電能質(zhì)量得到明顯改善。

圖4 當(dāng)Lg=90 mH時(shí)a相并網(wǎng)電壓和電流波形圖Fig.4 Grid-connected voltage and current waveforms of Phase a when Lg=90 mH

圖5 改善后的a相并網(wǎng)電壓和電流波形圖Fig.5 Improved grid-connected voltage and current waveforms of Phase a

4 結(jié)語(yǔ)

本文以500 kW光伏并網(wǎng)逆變器為例,針對(duì)大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),考慮電網(wǎng)阻抗的影響,將電網(wǎng)阻抗對(duì)大型光伏電站的影響等效化為對(duì)于大型光伏電站中單個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器的影響,證明了光伏電站容量的增加會(huì)導(dǎo)致逆變器的等效電網(wǎng)阻抗增加。大的電網(wǎng)阻抗一方面會(huì)降低電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度,使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng),并網(wǎng)電能質(zhì)量降低,另一方面會(huì)使交流側(cè)并網(wǎng)逆變器輸出電壓無(wú)解而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。然而,光伏電站的大量擴(kuò)容及出力的巨大增加都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗的值出現(xiàn)很大的躍升,從而使系統(tǒng)直接出現(xiàn)振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。

針對(duì)此情況,本文提出的控制策略旨在通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出容量,保證在較大的電網(wǎng)阻抗情況下并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定及較好的并網(wǎng)電能質(zhì)量。顯然,在大電網(wǎng)阻抗條件下,系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及良好的并網(wǎng)電能質(zhì)量是以犧牲系統(tǒng)部分輸出功率為代價(jià)的。而由本文分析可知,電網(wǎng)阻抗對(duì)于電壓穩(wěn)定的影響受逆變器輸出功率因數(shù)的影響較大,在非單位功率因數(shù)并網(wǎng)的條件下,具有更大的穩(wěn)定范圍,因此下一步將結(jié)合逆變器輸出有功和無(wú)功控制,抑制電網(wǎng)阻抗對(duì)于電壓穩(wěn)定性的影響。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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AnalysisandImprovementStrategyforStabilityofLarge-scaleGrid-connectedPhotovoltaicSystemConsideringGridImpedance

ZHANGQianjin,ZHOULin,XIEBao

(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China)

In the large-scale grid-connected photovoltaic (PV) system, the multi-inverter paralleled structure is used to improve the capacity of the system. According to this structure, as PV capacity is increased, the value of grid impedance can be equivalently enlarged with respect to a single PV power generation unit, which will directly result in failure of the control strategy for inverters, and finally a failure of connecting the PV system to grid. Based on the switch averaged model of the grid-connected PV system, this paper analyzes the influence of grid impedance on inverter output current and voltage. Then, by the output current feedback method, the automatic coordination between reference current and actual output current is realized to equivalently eliminate the influence of grid impedance on the stability of grid-connected voltage and the power quality, so as to guarantee the normal operation of system. Finally, the correctness of the theory is verified by the simulation analysis and experiment.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51477021).

large-scale grid-connected photovoltaic system; grid impedance; stability; power quality; virtual impedance

2017-04-13;

2017-07-14。

上網(wǎng)日期: 2017-09-08。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477021)。

張前進(jìn)(1992—),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諧振穩(wěn)定性分析與抑制及并網(wǎng)電能質(zhì)量。E-mail： qianjin_zhang@foxmail.com

周 林(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:微網(wǎng)、光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: zhoulin@cqu.edu.cn

解 寶(1992—),男,博士研究生,主要研究方向:新能源發(fā)電光伏并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: 1261889141@qq.com

(編輯蔡靜雯)