發布時間：2022-03-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要： 建立了大型光伏電站的諾頓等效模型，推導了逆變器輸出電流和并網點電壓表達式，研究了光伏電站中由無功補償裝置、升壓變壓器漏感、輸電線路阻抗等組成的電網阻抗對三相光伏逆變器并聯系統諧振現象以及電能質量的影響。 最后建立系統仿真模型進行驗證，結果表明
摘要： 建立了大型光伏電站的諾頓等效模型，推導了逆變器輸出電流和并網點電壓表達式，研究了光伏電站中由無功補償裝置、升壓變壓器漏感、輸電線路阻抗等組成的電網阻抗對三相光伏逆變器并聯系統諧振現象以及電能質量的影響。 最后建立系統仿真模型進行驗證，結果表明：電網阻抗導致系統存在諧振現象，降低系統電能質量;與輸電距離增加相比，光伏電站容量增加更容易導致系統電能質量降低;并網點電壓的諧波畸變率遠大于逆變器輸出電流，并網點電壓諧波含量更易超標。
關鍵詞： 光伏; 電站; 逆變器; 電網阻抗; 諾頓等效模型; 諧振; 模型; 電能質量
0 引言
近年來，光伏發電已經受到廣泛的關注[1]。 2008 年全世界新增光伏發電裝機容量中約有 1 GW 來自 10 MW 及以上容量的光伏電站，我國也計劃于甘肅敦煌、昆明石林、青海柴達木盆地等地建設兆瓦級光伏并網電站;隨著各國百兆瓦級甚至千兆瓦級光伏電站的建設，光伏電站的大型化和并網化將成為今后發展以及研究的主要方向[2- 3]。
光伏發電系統采用的電力電子逆變器裝置的開關頻率如果沒有躲開產生諧波的范圍，則會產生大量的各種頻次的諧波;光伏發電系統所配置的用于無功補償和濾波等作用的并聯電容器可能會和線路的電抗發生諧振[4]。 隨著并網光伏電站容量的增大，它對電網帶來的影響也將增加，特別是對 電網產生的電能質量問題尤其突出[5]。
大容量的并網光伏電站一般建在西部偏遠落后地區，并網系統的電網結構比較薄弱[6 - 7]。 此時，變壓器漏感和長距離輸電線路電抗較大，大型光伏電站連接到長輸電線路時，光伏逆變器將產生大量的諧波。 隨著并網容量的增大，光伏運行產生的諧波對系統的影響不容忽視[8- 9]。 針對這種情況，光伏電站應在滿足電能質量標準前提下，考慮光伏電源滲透率問題[5]。
大型光伏電站接入電網后會給電網安全、穩定和經濟運行帶來不利影響，同時會影響電能質量[10]。對此，國外已有學者對光伏逆變器并入弱電網中的電能質量問題進行研究。 文獻[11 - 12]詳細闡釋了電網阻抗的參數特性，同時分析了電網阻抗對 PR + HC 控制器低頻穩定性的影響。 文獻[13]探討了電網阻抗對逆變器輸出電流以及并網點電壓的諧波影響。 文獻[14]在 2 個并網光伏逆變器并聯情況下討論了無功補償電容與輸電線路阻抗對 LCL 濾波器的諧振影響。 然而，上述研究只針對帶 LC 和 LCL 濾波器的單個或者 2 個小容量光伏逆變器，并未涉及帶 L 濾波器的大型光伏逆變器并聯系統。 L 型濾波器以其結構簡單、易于設計的突出優點廣泛應用于光伏并網逆變器中。 但目前并未有文獻對弱電網中大型光伏并網系統的諧振以及電能質量問題進行深入研究。
本文從大型并網光伏系統的拓撲結構出發，以三相并聯逆變器系統為研究對象，通過對各個逆變器進行等效建模，建立了大型并網光伏電站的諾頓等效模型;在考慮無功補償裝置的阻抗、變 壓 器 漏感以及輸電線路阻抗等電網阻抗條件下，推導了光伏逆變器的輸出電流以及并網點電壓表達式;采用伯德圖詳細分析了電網阻抗對系統諧振和電能質量 的 影 響 ;最 后 ，在 MATLAB 環 境 下 進 行 了 仿 真驗 證。
1 大型光伏電站等效模型
1.1 大型光伏電站拓撲結構
為減少逆變器功率損耗，保證系統的高效性和穩定性，大型光伏電站通常由幾組或幾十組集中式三相逆變器并聯構成。 利用文獻[15-16]建立的某大型光伏電站主電路拓撲結構如圖 1 所 示。 根據 Q / GDW617—2011《國家電網公司光伏電站接入電網 技術規 定》以 及 GB / T29321—2012《光 伏發電 站無功補償技術規范》的規定，應在并網關鍵點(變壓器 TN 原 邊)配置一定容量的容性無功補償裝置和感性無功補償裝置。 由于容性無功補償裝置的投入會導致并網系統出現諧振現象，因此本文主要研究容 性無功補償裝置對系統 諧振以及電能質量的影響。
圖 1 中，250 kW 逆變器輸出線電壓額定值為 380 V，接入容量為 1.5 MV·A 變壓器原邊;10 kV 電纜阻抗參數為 0.2 + j0.062 Ω / km。
1.2 電網模型
可控串聯補償器(TCSC)可以平滑而迅速地改變輸電線路的阻抗，具有改善網絡潮流分布、提 高輸送功率、降低短路電流、提高暫態穩定極限、改善系統動態性能、抑制次同步諧振等功能，這些 都 為遠距離交流輸電提供了很好的技術手段[17]。 因此將 220 kV 及以上超高壓長距離輸電網絡及其電網等效為理想電壓源。 建立電網等效模型如圖 2 所示，圖中參數均折算到逆變器輸出電壓等級。
圖 中 ，Rg 為 10 kV 輸電線路等效電阻 ;Lg 為 10 kV 輸電線路和變壓器 T22 等效電感 之 和;LTN 為升 壓 變壓 器 TN 等 效電感;CQN、LQN、RQN 分 別為第 N 個 MW 級模塊投入無功補償裝置總等效電容、等效電感和等效電阻;upccNk(k = a，b，c)為第 N 個 MW 級模塊逆變器并網點電壓;ugk(k = a，b，c)為電網電壓。
1.3 單個逆變器等效模型
第 i 個 MW 級模塊中第 j( j = 1，2，3，4)個三相逆變器在兩相靜止坐標系下的瞬時功率控制策略如 圖 3 所 示 [18]，圖 中 Gcij(s)為 電流控制器傳遞函數，采用準 PR 控制器實現兩相靜止坐標系下無靜差跟蹤[18]，Gcij(s) = kpij + 2krijs / (s2+ 2ωc s +ω2 0)。 系統參數為：電網頻率 fg= 50 Hz，直流鏈電壓 U* dcij=600 V，開關頻率 fsij= 5 kHz，濾波器電感 Lij=79.1 μH，無功補償電容 CQi= 0.33 mF，無功補償電感 LQi= 1.32 μH，無功補償電阻 RQi = 0.017 Ω。
大型光伏電站中每組并網逆變器系統通常采用相同的結構、參數和控制策略等且升壓變壓器的型號相同，因此假設圖 1 中所有逆變器和變壓器的參數完全相同。 從圖 1 和圖 3 中可以看出：在單個 MW 級模塊中，第 1 個 MW 級模塊中第 1 個逆變器的輸出電流經過由逆變器濾波電感 L11(相當于濾波電感 1)，容性無功補償裝置的等效阻抗 CQ1、LQ1 和 RQ1 (相當于 C)以及升壓變壓器電感 LT1、輸 電線路 阻抗 Lg、Rg(相當于濾波電感 2)構成的等效 LCL 濾波器;此時，系統存在 1 個諧振峰。 對于多個(2 個及以上)MW 級模塊并聯系統，逆變器輸出電流經過 2 條路徑形成回路。 除了單個 MW 級模塊中存在的路徑外還增加了第 2 條路徑，即第 1 個 MW 級模塊中第 1 個逆變器的輸出電流經過濾波電感 L11、升壓變壓器電感 LT1 和第 i(i = 2，3，…，N)個 MW 級模塊的升壓變壓器電感 LTi(這 N-1 個 LTi 并聯)(由 L11、LT1 和 LTi 構 成濾波 電 感 1)，第 i(i = 2，3，…，N)個 MW 級模塊容性無功補償裝置的等效阻抗 CQi、LQi、RQi(這 N-1 個無功補償裝置的等效阻抗并聯構成 C)，第 i (i = 2，3，…，N)個 MW 級模塊的濾波電感 L2ij( j = 1，2，3，4)(這 4N-4 個 濾波電 感 L2ij 并 聯構成 濾 波電 感 2)形 成回路，由 此 構 成 了 第 2 個 等效的 LCL 濾波器。 因此，多個 MW 級模塊并聯時，諧 振 峰 數量 增 加 了 1 個，系 統只存 在 2 個 諧振峰。
將文獻[19]所提出的諾頓等效模型的建模方法拓展到三相并聯逆變器系統中，建立開環情況下第 i 個 MW 級模塊中第 j 個三相逆變器諾頓等效模型如圖 4 所示。
1.4 大型光伏電站諾頓等效模型
將上述建模方法應用于所有并聯逆變器中，可得 a 相逆變器的諾頓等效模型如圖 5 所示。
2 光伏電站電能質量分析
光伏電站中 L 濾波器與無功補償裝置阻抗、升壓變壓器漏感以及輸電線路阻抗等構成的電網阻抗相互耦合使得逆變器輸出電流畸變，導致光伏逆變器并網點電壓諧波含量超標，威脅著光伏電站并網電能質量。 由于大型光伏電站中每組并網逆變器系統通常采用相同的結構、參數和控制策略等，因此在相同的參數及工作條件下，本文采用伯德圖分別研究大型光伏電站容量和輸電距離變化情況下系統的諧振機理及電能質量。
隨著光伏電站 MW 級模塊數 N(對應光伏電站容量為 N MW)增加，開環傳遞函數 Grij(s)與 Gpcci(s)的對數頻率特性曲線如圖 6(a)、(b)所示。 當光伏電站輸電距離 l 增大(10 kV 輸電線路的輸電距離一般不超過 10 km)時，開環傳遞函數 Grij(s)與 Gpcci(s)的對數頻率特性曲線如圖 6(c)、(d)所示。
理想情況下帶 L 濾波器的并網光伏逆變器系統不存在諧振現象，但在實際系統中由于無功補償裝置阻抗、升壓變壓器漏感以及輸電線路阻抗的影響，造成逆變器輸出電流和并網點電壓傳遞函數中出現新的反諧振峰和諧振峰，易造成系統出現不穩定現象。 由圖 6 可知，當 1 個 MW 級光伏模塊并網時，系統存在 1 個反諧振峰和諧振峰，其 諧振頻 率為 1 . 71 kHz ; 當 2 個 MW 級光伏模塊并聯時 ，傳遞 函數出 現 2 個反諧振峰和諧振峰，諧 振頻率 為 1.68 kHz 和 1.75 kHz;當 4 個 MW 級光伏模塊并聯時，傳遞函數也包含 2 個反諧振峰和諧振峰，諧 振頻率為 1.62 kHz 和 1.75 kHz。 可以看出：當多組(2 組及其以上)MW 級模塊并聯時系統包含 2 個諧振峰。 輸電距離由 5 km 增加為 10 km 時，系統諧振頻率由 1.71 kHz 減小為 1.68 kHz。
由圖 6 可知，逆變器并聯模塊數 N 對逆變器輸出 電 流 傳 遞 函 數 Grij (s) 和并網點電壓傳遞函數 Gpcci(s)開環增益影響較小。 但是大型光伏電站容量由 1 MW 增加為 N MW(N ≥ 2)時，系統包含 2 個諧振峰，諧振頻率處諧波含量增大，導致逆變 器 輸 出電流以及并網點電壓諧波含量增加，電能質量降低。同時，光伏電站輸電距離 l 的增大使得并網點電壓傳遞函數 Gpcci(s)開環增益增大，并網點電壓對諧波的抑制能力減弱，并網點電壓諧波含量升高。
3 仿真驗證
為驗證理論分析的正確性，根據圖 3 三相光伏并網逆變器控制原理和系統參數 ，在 MATLAB / Simulink 中搭建了如圖 1 所示的大型并網光伏電站系統模型。 考慮到仿真的精度和系統的復雜度，以 3 MW 光伏并網系統為例驗證理論分析的正確性。考慮到不同光伏電站通常具有不同的容量和輸電距離，因此針對不同的光伏電站容量以及輸電距離驗證本文理論分析的正確性。
輸電距 離 為 5 km 情 況下，大型光伏電站容量分別為 1 MW、2 MW 以及 3 MW 時，第 1 個 MW 級光伏模塊中第 1 個逆變器的輸出電流波形以及第 1 個 MW 級光伏模塊的并網點電壓波形分別如圖 7 (a)、 (b)和 (c)所 示 ，對 應 的 FFT 分 析 如 圖 7 (d)、(e)和(f)所示。 每個子圖中的上圖對應逆變器輸出電流，下圖對應并點電壓。
從 圖 7 可 以看出，光伏電站容量為 1 MW 時，系統諧振頻率為 1.69 kHz;當光伏電站容量增加到 2 MW 時，系統諧振頻率為 1.65 kHz 和 1.75 kHz;當光 伏電站 容 量 增 加 到 3 MW 時，系統諧振頻率為 1.59 kHz 和 1.75 kHz。 當光伏電站容量增加時，逆變器輸出電流基波幅值由 531.9 A 分別減小到 531.8 A 和 524.7 A，諧波畸變率由 0.45% 分別增加到 0.48% 和 0.53 %;并網點電壓基波幅值由 310.7 V 分別增大到 310.9 V 和 311.1 V，諧波畸變率由 1.46 % 分別增大到 1.74% 和 2.31%。 可以看出：當多組(2 組及其以上)MW 級模塊并聯時系統包含 2 個 諧振峰，并且隨著并網光伏電站容量的增加，逆變器輸出電流和并網點電壓諧波畸變率增大。
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電網阻抗對并網點電壓電能質量的影響遠大于逆變器輸出電流，并網點電壓諧波畸變率大于逆變器輸出電流。 根據 Q / GDW617—2011《國家電網公司光伏電站接入電網技術規定》規定并網點電壓諧波畸變率應不超過 5%;對于大容量光伏電站，應在光伏電站出口處加裝濾波裝置濾除光伏電站產生的大量諧波。
光伏電站容量為 1 MW 時，光伏電站輸電距離為 10 km 情況下，第 1 個 MW 級光伏模塊中第 1 個逆變器的輸出電流波形以及第 1 個 MW 級光伏模塊的并網點電壓波形如圖 8(a)所 示;對 應的 FFT 分析如圖 8(b)所示。
對比圖 7(a)和 8(a)可知：當光伏電站輸電距離由 5 km 增至 10 km 時，系統諧振頻率由 1.69 kHz 減至 1.62 kHz。 隨著光伏電站輸電距離增加，系統諧振頻率減小。 當光伏電站輸電距離增加時，基波幅值為 531.9 A 基本不變，諧波畸變率由 0.45 % 增 至 0.49%;并網點電壓基波幅值為 310.7 V 基本不變，諧波畸變率由 1.46% 增至 1.87%。 隨著輸電距離增加，逆變器輸出電流和并網點電壓基波幅值基本不變，但逆變器輸出電流和并網點電壓諧波含量增大。
4 結論
本文分析了電網阻抗對大型并網光伏系統的諧振以及電能質量的影響，建立了大型并網光伏系統的諾頓等效模型，推導了光伏逆變器輸出電流以及并網點電壓的表達式，并且通過伯德圖和仿真分析研究了由容性無功補償裝置、升壓變壓器漏感以及輸電線路阻抗等組成的電網阻抗對系統諧振以及電能質量的影響，得出的結論如下。
a. 假設所有逆變器和變壓器的參數完全相同情況下，大型光伏電站中由于容性無功補償裝置的存在，對于單組 MW 級模塊而言，相當于使得光伏逆變器中的 L 濾波器等效為 LCL 濾波器，系統存在 1 個諧振峰。 大型光伏電站中存在多組 MW 級模塊并聯時系統包含 2 個諧振峰，導致逆變器輸出電流以及并網點電壓存在大量高次諧波，系統并網電能質量嚴重降低。
b. 當光伏電站容量增加時，電網阻抗的耦合作用導致逆變器輸出電流以及并網點電壓諧波含量增加。 并網點電壓諧波畸變率遠大于逆變器輸出電流，并網點電壓諧波含量更易超標。 因此，大型光伏電站出口處應加裝濾波裝置濾除光伏電站的諧波。
c. 與光伏電站輸電距離增加相比，大型光伏電站容量的增加更容易導致并網光伏系統電能質量降低。 對于大容量光伏電站，由電網阻抗導致的系統諧振和諧波更加嚴重，甚至不滿足并網要求。
本文的研究結果為大型光伏電站接入弱電網中諧波機理及其抑制方法的研究提供了一定參考，對今后大型光伏電站的建設具有一定的指導意義。——論文作者：周 林，張 密
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