光伏逆變器接入弱電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性問(wèn)題分析

吳 薇，趙書(shū)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(guó)網(wǎng)遼寧省撫順供電公司，撫順 遼寧 113000)

太陽(yáng)能作為一種清潔可再生能源，以其環(huán)保、分散等優(yōu)點(diǎn)成為了新能源中的重要角色，而對(duì)太陽(yáng)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(guó)大規(guī)模光伏電站多數(shù)位于負(fù)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(yuǎn)距離電網(wǎng)末端光伏逆變器并網(wǎng)數(shù)目的增多、單機(jī)容量的加大，其控制隨之變得復(fù)雜，穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)受到威脅，若不有效解決逆變器運(yùn)行失穩(wěn)問(wèn)題，將會(huì)對(duì)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(jì)時(shí)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(shí)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(yùn)行電壓波動(dòng)；此外系統(tǒng)控制部分的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在反饋?zhàn)饔孟乱矔?huì)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(wèn)題都會(huì)對(duì)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響.同時(shí)，通過(guò)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(fù)荷變化容易引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，進(jìn)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(shí)，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(shí)會(huì)影響到逆變器直流母線電壓控制和并網(wǎng)點(diǎn)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(shí)滿足跟蹤精度和響應(yīng)速度的軟件鎖相方案；然后對(duì)直流側(cè)母線電壓失穩(wěn)、公共耦合點(diǎn)電壓升高、逆變器并網(wǎng)點(diǎn)諧振等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了有益探討，說(shuō)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(jī)理和鎖相方案研究

并網(wǎng)逆變器運(yùn)行過(guò)程中，為了控制逆變器有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)同步運(yùn)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn).為了使逆變器穩(wěn)定運(yùn)行，必須提高鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以減小電網(wǎng)阻抗和電壓諧波對(duì)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(hào)與含有諧波的 電壓信號(hào)過(guò)零點(diǎn)示意圖

圖3 SRF-SPLL矢量圖 V—實(shí)際電壓矢量；Vpll—鎖相環(huán)輸出電壓矢量； θ—實(shí)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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)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(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)，其原理如圖1所示.電壓互感器輸出的交流電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波器濾除高低頻干擾信號(hào)后，輸入電壓比較器，與中點(diǎn)電壓比較后，輸出方波信號(hào).方波信號(hào)的上升沿與交流電壓信號(hào)的正過(guò)零點(diǎn)相位相同，CPU利用查詢或者中斷方式檢測(cè)方波信號(hào)上升沿，記錄方波信號(hào)上升沿時(shí)刻，得到正弦信號(hào)的周期，計(jì)算出信號(hào)的相位等各類(lèi)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓鎖相的目的.

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

1.2 同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)

同步坐標(biāo)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(biāo)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(cè)[5～7].

圖3為SRF-SPLL矢量示意圖.若矢量Vpll和V完全重合，這時(shí)鎖相環(huán)輸出的電壓矢量角θpll等于實(shí)際電壓矢量角θ，鎖相環(huán)處于準(zhǔn)確鎖相狀態(tài).當(dāng)電網(wǎng)受到擾動(dòng)使電壓相位突變時(shí)，矢量Vpll將偏離矢量V，導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鎖相.首先將電壓信號(hào)由三相靜止abc坐標(biāo)系變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，然后控制矢量Vpll在q軸的投影等于0，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鎖相.因此，將Vpll在q軸的分量Vq進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，即可使Vq趨于零，實(shí)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(zhǔn)確快速地實(shí)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(shí)，可以通過(guò)降低SRF-SPLL的帶寬來(lái)減小諧波對(duì)鎖相精度的影響[11～12]，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)受到影響，也不能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)阻抗高時(shí)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(huì)具有良好的相位跟蹤特性.但當(dāng)逆變器接入弱電網(wǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)精度降低甚至鎖相失效，進(jìn)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(biāo)系軟件鎖相環(huán)

為了在鎖相效果和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面進(jìn)行折中，文獻(xiàn)[10]提出基于正序dq軸分解的解耦雙同步參考坐標(biāo)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(shí)測(cè)量正序負(fù)序分量，還能有效解決電網(wǎng)不平衡時(shí)同步信號(hào)檢測(cè)不精準(zhǔn)的問(wèn)題.

(2)雙二階廣義積分器軟件鎖相環(huán)

文獻(xiàn)[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(biāo)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(hào)，先進(jìn)行正負(fù)序分解避免二倍工頻分量的產(chǎn)生，然后進(jìn)行dq變換以消除負(fù)序分量的影響[12～13].但是由于測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等使電網(wǎng)參量估計(jì)不準(zhǔn)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(biāo)系軟件鎖相環(huán)

文獻(xiàn)[14]借鑒永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的多同步參考坐標(biāo)系分解方法，提出一種解耦多同步參考坐標(biāo)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(fù)序分量和主要低次諧波分量對(duì)同步性能影響的同時(shí)，不犧牲動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速提取同步信號(hào)[15～17].

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

2 并網(wǎng)逆變器運(yùn)行穩(wěn)定性分析

2.1 逆變器直流母線電壓控制失穩(wěn)機(jī)理研究

圖5所示聯(lián)網(wǎng)逆變器中，通過(guò)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(dá)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(shí)，公共耦合點(diǎn)的電壓對(duì)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(huì)導(dǎo)致公共耦合點(diǎn)處電壓波動(dòng)[18～22].反之，公共耦合點(diǎn)電壓波動(dòng)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(jìn)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(yán)重時(shí)，會(huì)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(shí)，同樣存在上述直流母線電壓突變和公共耦合點(diǎn)電壓波動(dòng)問(wèn)題，研究人員已經(jīng)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了一些研究.文獻(xiàn)[28]基于一個(gè)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(gè)工頻周期才可以糾正母線電壓，時(shí)間周長(zhǎng)較長(zhǎng).文獻(xiàn)[29]提出一種基于類(lèi)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(gè)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(chǔ)能量之和，得到一個(gè)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(diǎn)電壓升高機(jī)理分析

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)設(shè)計(jì)為發(fā)電單元到負(fù)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(yùn)行時(shí)，可能會(huì)改變功率流動(dòng)方向，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓升高[30～35].公共耦合點(diǎn)電壓升高時(shí)，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(shí)，輸出波形會(huì)失真，而提升直流母線電壓會(huì)使直流元器件耐受較高電壓，降低工作壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿直流元器件.

圖6 逆變器離網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的公共耦合點(diǎn)電壓

圖7 風(fēng)機(jī)變流器接入動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形

如圖6所示，基于PSCAD仿真平臺(tái)對(duì)T型三電平逆變器分別進(jìn)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(diǎn)電壓幅值由離網(wǎng)時(shí)的308V升高到了并網(wǎng)時(shí)315V.電壓升高影響了公共耦合點(diǎn)的電能質(zhì)量，不利于負(fù)載的安全穩(wěn)定運(yùn)行.為了降低電網(wǎng)電壓上升對(duì)電能質(zhì)量的影響，有必要控制公共耦合點(diǎn)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(jì)地解決公共耦合點(diǎn)電壓升高的問(wèn)題，必須結(jié)合光伏逆變器自身的控制功能解決這一問(wèn)題.

文獻(xiàn)[36]通過(guò)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(diǎn)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(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)基于有功功率和無(wú)功功率的電壓升高調(diào)整策略做了研究，提出基于瞬時(shí)電壓-電流的電壓調(diào)整策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)室光伏逆變器離網(wǎng)時(shí)，公共耦合點(diǎn)電壓為389.5 V，當(dāng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，輸出7 kW有功功率時(shí)，公共耦合點(diǎn)電壓為391 V，逆變器并網(wǎng)運(yùn)行前后，電網(wǎng)電壓差為1.5 V，驗(yàn)證了該電壓調(diào)整策略的有效性.

2.3 逆變器并網(wǎng)點(diǎn)諧振機(jī)理分析

為了實(shí)現(xiàn)逆變器容量的優(yōu)化配置和提高最大功率點(diǎn)跟蹤效率，以及故障冗余運(yùn)行，越來(lái)越多的光伏電站采用多逆變器并聯(lián)接入電網(wǎng)的運(yùn)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(yùn)行的難度[37～39].同時(shí)，由于到達(dá)電網(wǎng)末端的輸電線路長(zhǎng)，變壓器容量不一致，負(fù)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(shí)，諧振頻率下降，諧振現(xiàn)象明顯，諧振引起的并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形畸變進(jìn)一步惡化逆變器的控制[40～44].

圖7為30 kW風(fēng)機(jī)變流器接入弱電網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形.圖7(a)為變流器離網(wǎng)時(shí)交流側(cè)電壓波形，圖7(b)為變流器并網(wǎng)時(shí)交流側(cè)電壓波形，可以看出，變流器并網(wǎng)時(shí)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(duì)這一問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[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(duì)多個(gè)并聯(lián)光伏逆變器LCL諧振特性的影響，給出多個(gè)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(duì)并聯(lián)逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性的影響.文獻(xiàn)[46]利用諧振時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓畸變的特點(diǎn)，提出一種基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓反饋控制的諧振抑制方法，將并網(wǎng)點(diǎn)電壓引入到閉環(huán)控制中，在抑制入網(wǎng)電流諧振的同時(shí)也穩(wěn)定了并網(wǎng)點(diǎn)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(cè)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓，不需要額外增加成本，也沒(méi)有引入電壓微分項(xiàng)帶來(lái)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(yǔ)

本文對(duì)逆變器接入弱電網(wǎng)后的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了探討.首先對(duì)鎖相環(huán)失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，對(duì)鎖相方案進(jìn)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(biāo)系的鎖相方案.針對(duì)逆變器控制失穩(wěn)問(wèn)題，對(duì)直流母線的失穩(wěn)機(jī)理、交直流系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電壓升高機(jī)理、逆變器產(chǎn)生低頻諧振機(jī)理進(jìn)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(xì)化地探討弱電網(wǎng)的高阻抗特性對(duì)逆變器產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、可行性高的逆變器控制策略，改進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高光伏發(fā)電滲透率.

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