吳 薇，趙書健，段雙明，賈 祺，曲 翀

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)遼寧省撫順供電公司，撫順 遼寧 113000)

太陽能作為一種清潔可再生能源，以其環(huán)保、分散等優(yōu)點成為了新能源中的重要角色，而對太陽能的利用又以光伏發(fā)電的形式最為廣泛.受資源稟賦的約束，我國大規(guī)模光伏電站多數(shù)位于負荷較低、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的中西部地區(qū).在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是尤為關(guān)鍵的一環(huán).隨著遠距離電網(wǎng)末端光伏逆變器并網(wǎng)數(shù)目的增多、單機容量的加大，其控制隨之變得復(fù)雜，穩(wěn)定運行會受到威脅，若不有效解決逆變器運行失穩(wěn)問題，將會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生有害影響.

傳統(tǒng)逆變器在設(shè)計時將電網(wǎng)視為理想電壓源，但在弱電網(wǎng)中傳統(tǒng)電網(wǎng)模型將不再適用.這時通常將網(wǎng)側(cè)經(jīng)戴維南等效為理想電壓源串聯(lián)等值阻抗[1].由于阻抗的存在，交直流系統(tǒng)中功率傳輸環(huán)節(jié)的電路參數(shù)發(fā)生改變，從而使運行電壓波動；此外系統(tǒng)控制部分的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在反饋作用下也會發(fā)生改變，造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；而高電網(wǎng)阻抗則容易導(dǎo)致諧波共振和電網(wǎng)電壓波形畸變.這些問題都會對逆變器的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響.同時，通過弱交流電網(wǎng)的主要電氣特性還有低短路比[2]，即電網(wǎng)的短路承載力低，負荷變化容易引起電網(wǎng)電壓波動，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能.

逆變器接入弱電網(wǎng)時，其高電網(wǎng)阻抗和逆變器的輸出阻抗容易產(chǎn)生電壓諧振現(xiàn)象，使電網(wǎng)電壓波形畸變，導(dǎo)致鎖相環(huán)精度降低，同時會影響到逆變器直流母線電壓控制和并網(wǎng)點電壓質(zhì)量.為此，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，首先分析鎖相環(huán)的工作原理，介紹抑制鎖相環(huán)失穩(wěn)的相關(guān)控制策略，給出了同時滿足跟蹤精度和響應(yīng)速度的軟件鎖相方案；然后對直流側(cè)母線電壓失穩(wěn)、公共耦合點電壓升高、逆變器并網(wǎng)點諧振等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生機理進行了有益探討，說明了研究抑制逆變器控制器失穩(wěn)控制策略的重要性.

1 鎖相環(huán)失穩(wěn)機理和鎖相方案研究

并網(wǎng)逆變器運行過程中，為了控制逆變器有功功率和無功功率，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)同步運行，須使逆變器能夠跟蹤電網(wǎng)電壓的相位信息，通常采用鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，PLL)技術(shù)實現(xiàn)這一點.為了使逆變器穩(wěn)定運行，必須提高鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)速度，以減小電網(wǎng)阻抗和電壓諧波對逆變器控制性能的影響[3～4].

圖1 硬件鎖相環(huán)原理圖

圖2 基波電壓信號與含有諧波的 電壓信號過零點示意圖

圖3 SRF-SPLL矢量圖 V—實際電壓矢量；Vpll—鎖相環(huán)輸出電壓矢量； θ—實際電壓矢量角；θpll—鎖相環(huán)輸出電壓矢量角

1.1 基于電壓過零點檢測的硬件鎖相環(huán)

在鎖相環(huán)發(fā)展歷程中，早期三相逆變器和單相逆變器通常應(yīng)用硬件鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓頻率及相位.理想電網(wǎng)情況下，鎖相環(huán)可以用硬件電路檢測電壓過零點的方法實現(xiàn)，其原理如圖1所示.電壓互感器輸出的交流電壓信號經(jīng)帶通濾波器濾除高低頻干擾信號后，輸入電壓比較器，與中點電壓比較后，輸出方波信號.方波信號的上升沿與交流電壓信號的正過零點相位相同，CPU利用查詢或者中斷方式檢測方波信號上升沿，記錄方波信號上升沿時刻，得到正弦信號的周期，計算出信號的相位等各類信息，從而實現(xiàn)對交流電壓鎖相的目的.

但當(dāng)電網(wǎng)電壓諧波含量較多時，電壓信號過零點的相位與基波分量的相位不完全一致，硬件鎖相環(huán)會使過零點檢測到的相位信息存在誤差.如圖2所示，W1為基波電壓信號，W3為含有諧波分量的電壓信號，由圖2中箭頭指示可以看出，二者基波分量雖然相同，但過零點位置不同.此外，濾波電路對不同頻率的信號會產(chǎn)生不同的相移，當(dāng)電網(wǎng)頻率改變時，鎖相環(huán)電路輸出的方波信號與輸入交流信號會有相位差，故硬件鎖相環(huán)在弱電網(wǎng)條件下不能準確反映原始交流信號的相位信息.

1.2 同步坐標系軟件鎖相環(huán)

同步坐標系軟件鎖相環(huán)(Synchronous Reference Frame Phase Soft Locked Loop，SRF-SPLL)是三相電網(wǎng)電壓鎖相的常用方法，采用同步坐標系鎖相控制結(jié)構(gòu)，用于電網(wǎng)電壓的相位、頻率及幅值檢測[5～7].

圖3為SRF-SPLL矢量示意圖.若矢量Vpll和V完全重合，這時鎖相環(huán)輸出的電壓矢量角θpll等于實際電壓矢量角θ，鎖相環(huán)處于準確鎖相狀態(tài).當(dāng)電網(wǎng)受到擾動使電壓相位突變時，矢量Vpll將偏離矢量V，導(dǎo)致鎖相不準確.因此，必須采取適當(dāng)?shù)拈]環(huán)控制以保證鎖相環(huán)輸出角度θpll等于θ[8].

圖4 SRF-SPLL控制原理圖 ωff—電網(wǎng)電壓的額定角速度；ω0—Vpll的旋轉(zhuǎn)角速度

SRF-SPLL的基本控制原理如圖4所示.在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，根據(jù)鎖相環(huán)的功能要求，必須使矢量Vpll和V完全重合，以實現(xiàn)準確鎖相.首先將電壓信號由三相靜止abc坐標系變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系，然后控制矢量Vpll在q軸的投影等于0，即可實現(xiàn)準確鎖相.因此，將Vpll在q軸的分量Vq進行PI調(diào)節(jié)，即可使Vq趨于零，實現(xiàn)鎖相.圖中ω0經(jīng)積分后，輸出Vpll的相位信息θpll.

理想電網(wǎng)情況下，SRF-SPLL可以準確快速地實現(xiàn)鎖相，輸出電網(wǎng)電壓的頻率和相位信息.當(dāng)電網(wǎng)電壓中含有諧波時，可以通過降低SRF-SPLL的帶寬來減小諧波對鎖相精度的影響[11～12]，但動態(tài)響應(yīng)速度會受到影響，也不能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)阻抗高時的鎖相.

1.3 不同鎖相環(huán)方案的比較

上述兩種鎖相方案在理想情況下，會具有良好的相位跟蹤特性.但當(dāng)逆變器接入弱電網(wǎng)時，會導(dǎo)致鎖相環(huán)精度降低甚至鎖相失效，進一步惡化電能質(zhì)量[9]，因此需研究更有效的方式提高鎖相性能.

(1)解耦雙同步參考坐標系軟件鎖相環(huán)

為了在鎖相效果和動態(tài)響應(yīng)速度方面進行折中，文獻[10]提出基于正序dq軸分解的解耦雙同步參考坐標系軟件鎖相環(huán)(Decoupled Double Synchronous Reference Frame Soft Phase-Locked loop，DDSRF-SPLL)方法，DDSRF-SPLL能同時測量正序負序分量，還能有效解決電網(wǎng)不平衡時同步信號檢測不精準的問題.

(2)雙二階廣義積分器軟件鎖相環(huán)

文獻[11]利用雙二階廣義積分器軟件鎖相環(huán)避免了雙同步坐標系的復(fù)雜性.采用雙二階廣義積分器得到和電網(wǎng)電壓正交的90°移相信號，先進行正負序分解避免二倍工頻分量的產(chǎn)生，然后進行dq變換以消除負序分量的影響[12～13].但是由于測量誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等使電網(wǎng)參量估計不準確而造成電壓偏移后，這種方法也依然有疏漏.

(3)多同步參考坐標系軟件鎖相環(huán)

文獻[14]借鑒永磁同步電機驅(qū)動中應(yīng)用的多同步參考坐標系分解方法，提出一種解耦多同步參考坐標系軟件鎖相環(huán)(Decoupled Multi-Synchronous Reference Frame Soft Phase-Locked Loop，DMRSF-PLL)方法，在消除電網(wǎng)電壓負序分量和主要低次諧波分量對同步性能影響的同時，不犧牲動態(tài)響應(yīng)速度，實現(xiàn)準確快速提取同步信號[15～17].

綜合上述，采用多同步參考坐標系鎖相方案能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器并入弱電網(wǎng)后對電網(wǎng)電壓相位信息的跟蹤.

2 并網(wǎng)逆變器運行穩(wěn)定性分析

2.1 逆變器直流母線電壓控制失穩(wěn)機理研究

圖5所示聯(lián)網(wǎng)逆變器中，通過控制逆變器輸出功率，使電容C的流出功率Pout等于流入功率Pin，達到控制直流母線電壓恒定的目的.當(dāng)逆變器接入弱電網(wǎng)時，公共耦合點的電壓對直流母線輸出的有功功率很敏感，直流母線輸出功率的快速變化會導(dǎo)致公共耦合點處電壓波動[18～22].反之，公共耦合點電壓波動使逆變器輸出有功功率偏離期望值，流入和流出電容的功率不再平衡，進一步影響直流母線電壓控制效果，使直流母線電壓瞬間升高或者降低，嚴重時，會擊穿直流母線電容[23～27].

圖5 逆變器直流母線功率控制示意圖

光伏逆變器接入弱電網(wǎng)時，同樣存在上述直流母線電壓突變和公共耦合點電壓波動問題，研究人員已經(jīng)對該問題進行了一些研究.文獻[28]基于一個工頻周期內(nèi)能量守恒原則，提出一種直流母線電壓改正法，但是該方法需要用一個工頻周期才可以糾正母線電壓，時間周長較長.文獻[29]提出一種基于類似能量守恒的直流母線電壓控制方法，所提出的控制方法在每半個工頻周期內(nèi)，根據(jù)逆變器交流輸出能量等于光伏電池輸出能量與直流側(cè)電容存儲能量之和，得到一個更加快速高效的直流母線電壓控制器.綜合上述，半工頻周期的直流母線電壓控制器可以滿足弱電網(wǎng)條件下的直流母線電壓控制.

2.2 逆變器并網(wǎng)點電壓升高機理分析

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)設(shè)計為發(fā)電單元到負荷的單向輸配電系統(tǒng)，大規(guī)模光伏逆變器接入電網(wǎng)運行時，可能會改變功率流動方向，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)公共耦合點電壓升高[30～35].公共耦合點電壓升高時，逆變器為了跟隨電網(wǎng)電壓，須增加調(diào)制比或者提升直流母線電壓[27].當(dāng)調(diào)制比大于1時，輸出波形會失真，而提升直流母線電壓會使直流元器件耐受較高電壓，降低工作壽命，嚴重時會擊穿直流元器件.

圖6 逆變器離網(wǎng)和并網(wǎng)運行時的公共耦合點電壓

圖7 風(fēng)機變流器接入動模實驗室并網(wǎng)點電壓波形

如圖6所示，基于PSCAD仿真平臺對T型三電平逆變器分別進行離網(wǎng)和并網(wǎng)的仿真，仿真結(jié)果表示了逆變器接入電網(wǎng)后的并網(wǎng)點電壓幅值由離網(wǎng)時的308V升高到了并網(wǎng)時315V.電壓升高影響了公共耦合點的電能質(zhì)量，不利于負載的安全穩(wěn)定運行.為了降低電網(wǎng)電壓上升對電能質(zhì)量的影響，有必要控制公共耦合點的電壓.只依靠傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)方式，不能完全有效、經(jīng)濟地解決公共耦合點電壓升高的問題，必須結(jié)合光伏逆變器自身的控制功能解決這一問題.

文獻[36]通過電力系統(tǒng)功率傳輸理論，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)引起的公共耦合點電壓升高的原因，并分析了相應(yīng)的電壓調(diào)整原理和策略，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)基于有功功率和無功功率的電壓升高調(diào)整策略做了研究，提出基于瞬時電壓-電流的電壓調(diào)整策略，并進行了實驗驗證.實驗測得實驗室光伏逆變器離網(wǎng)時，公共耦合點電壓為389.5 V，當(dāng)逆變器并網(wǎng)運行，輸出7 kW有功功率時，公共耦合點電壓為391 V，逆變器并網(wǎng)運行前后，電網(wǎng)電壓差為1.5 V，驗證了該電壓調(diào)整策略的有效性.

2.3 逆變器并網(wǎng)點諧振機理分析

為了實現(xiàn)逆變器容量的優(yōu)化配置和提高最大功率點跟蹤效率，以及故障冗余運行，越來越多的光伏電站采用多逆變器并聯(lián)接入電網(wǎng)的運行方式.由于并網(wǎng)光伏電站容量的增加，并網(wǎng)逆變器數(shù)量和容量也隨之增加，使得電網(wǎng)等效感抗增加，加大了逆變器并入弱電網(wǎng)運行的難度[37～39].同時，由于到達電網(wǎng)末端的輸電線路長，變壓器容量不一致，負載多樣化等原因，使得電網(wǎng)等效電抗隨之變化.并網(wǎng)逆變器通常采用LCL濾波器，當(dāng)電網(wǎng)等效電抗增大時，諧振頻率下降，諧振現(xiàn)象明顯，諧振引起的并網(wǎng)點電壓波形畸變進一步惡化逆變器的控制[40～44].

圖7為30 kW風(fēng)機變流器接入弱電網(wǎng)時，并網(wǎng)點電壓波形.圖7(a)為變流器離網(wǎng)時交流側(cè)電壓波形，圖7(b)為變流器并網(wǎng)時交流側(cè)電壓波形，可以看出，變流器并網(wǎng)時交流側(cè)電能質(zhì)量下降，有諧波產(chǎn)生，圖7(c)的FFT分析結(jié)果顯示低次諧波含量最多.

針對這一問題，研究人員進行了研究.文獻[45]以弱電網(wǎng)為研究背景，分析了輸電線路感性電網(wǎng)阻抗對多個并聯(lián)光伏逆變器LCL諧振特性的影響，給出多個并聯(lián)逆變器的控制模型，分析了電網(wǎng)阻抗和并聯(lián)逆變器數(shù)目變化對并聯(lián)逆變器動態(tài)響應(yīng)和運行穩(wěn)定性的影響.文獻[46]利用諧振時并網(wǎng)點電壓畸變的特點，提出一種基于并網(wǎng)點電壓反饋控制的諧振抑制方法，將并網(wǎng)點電壓引入到閉環(huán)控制中，在抑制入網(wǎng)電流諧振的同時也穩(wěn)定了并網(wǎng)點電壓，并且具有降低逆變器入網(wǎng)電流低頻諧波含量的作用.此方法所依賴的電壓是逆變器本身需要檢測的并網(wǎng)點電壓，不需要額外增加成本，也沒有引入電壓微分項帶來的高頻干擾，是抑制諧振可以采取的較好控制方法.

3 結(jié) 語

本文對逆變器接入弱電網(wǎng)后的穩(wěn)定運行問題進行了探討.首先對鎖相環(huán)失穩(wěn)機理進行研究，對鎖相方案進行了分析和比較，給出既不犧牲跟蹤精度又有較快響應(yīng)速度的基于同步坐標系的鎖相方案.針對逆變器控制失穩(wěn)問題，對直流母線的失穩(wěn)機理、交直流系統(tǒng)公共耦合點電壓升高機理、逆變器產(chǎn)生低頻諧振機理進行了研究，分別給出有效的解決方案.基于本文研究工作，下一步研究應(yīng)更深入細化地探討弱電網(wǎng)的高阻抗特性對逆變器產(chǎn)生的影響，設(shè)計出經(jīng)濟性強、可行性高的逆變器控制策略，改進系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高光伏發(fā)電滲透率.

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