光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波不穩(wěn)定產(chǎn)生機(jī)理及影響規(guī)律
2017-6-10 10:37:21??????點(diǎn)擊：
西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員朱曉娟、胡海濤、陶海東、何正友，在2017年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對光伏、風(fēng)力發(fā)電等電壓源型逆變器與供電系統(tǒng)交互引起的諧波不穩(wěn)定問題，采用基于阻抗分析法的輸入導(dǎo)納判據(jù)揭示這類諧波不穩(wěn)定的產(chǎn)生機(jī)理及其影響規(guī)律。
通過建立光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電壓源型逆變器阻抗模型，可從有源阻尼和無源阻尼兩個角度分析諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。同時，基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，考察關(guān)鍵因素（PI控制參數(shù)Kp、總時間延遲Td、無源阻尼Rd、網(wǎng)側(cè)電感Lg）對諧波不穩(wěn)定的影響規(guī)律。
仿真結(jié)果表明，諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象會在參數(shù)所對應(yīng)的一個閾值范圍內(nèi)發(fā)生（該范圍下電壓源型逆變器阻尼為負(fù)），而輸入導(dǎo)納判據(jù)可以求解參數(shù)不穩(wěn)定范圍，從而判定諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生與否，仿真與理論分析相符。
近年來，可再生能源并網(wǎng)和電力電子變流技術(shù)得到了快速的發(fā)展，以電力電子為基礎(chǔ)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為電網(wǎng)中重要的組成部分。這些光伏、風(fēng)電等可再生能源在通過逆變器實(shí)現(xiàn)接入交流電網(wǎng)時，由于逆變器控制環(huán)與無源元件之間存在動態(tài)的交互作用，引發(fā)的網(wǎng)側(cè)電壓/電流諧波幅值的持續(xù)放大、嚴(yán)重畸變現(xiàn)象，稱之為諧波不穩(wěn)定[1,2]。
發(fā)生諧波不穩(wěn)定時，過高的電壓/電流幅值會造成系統(tǒng)高壓設(shè)備燒毀、保護(hù)裝置誤動等事故，而波形的嚴(yán)重畸變會誘發(fā)逆變器控制環(huán)失穩(wěn)等。由于諧波不穩(wěn)定具有一定的危害性，該問題也逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3-15]。
現(xiàn)有諧波不穩(wěn)定問題的分析方法主要?dú)w為以下兩類：諧波狀態(tài)空間模型分析法[6-8]和阻抗模型分析法[9-12]。其中前者通過建立電力系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，根據(jù)狀態(tài)矩陣的特征值和特征向量來確定振蕩模式和振蕩阻尼等[16]。但高開關(guān)頻率的逆變器需要構(gòu)建詳細(xì)的負(fù)載和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，因此很難構(gòu)造系統(tǒng)矩陣。
而1976年由R.D. Midllebrook提出的阻抗模型分析法[17]，可以通過分析電源子系統(tǒng)（電網(wǎng)）與負(fù)載子系統(tǒng)（逆變器）的等效阻抗比值來判斷系統(tǒng)閉環(huán)增益與穩(wěn)定性[18]。阻抗分析法能可靠估算不同頻率范圍內(nèi)每個系統(tǒng)組件對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在諧波不穩(wěn)定分析中應(yīng)用最為廣泛。
除了上述兩種方法之外，文獻(xiàn)[6,11,12]采用時域仿真分析法，分別從網(wǎng)側(cè)逆變器的數(shù)量、總時間延遲、網(wǎng)側(cè)電感的虛擬阻抗等多個方面討論了不同因素對諧波不穩(wěn)定的影響情況。但其對諧波不穩(wěn)定影響因素的分析不夠全面，沒有給出諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生條件、影響規(guī)律以及判定方法。
實(shí)際上，早于1967年，J. D. Ainsworth等就提出了高壓直流（High-VoltageDirect Current, HVDC）系統(tǒng)中交流與直流系統(tǒng)的“互補(bǔ)諧振”或“混合諧振”激發(fā)了“諧波不穩(wěn)定”現(xiàn)象，造成諧波嚴(yán)重畸變[13]。但這屬于非柔性換流系統(tǒng)的諧波不穩(wěn)定問題，與目前柔性換流系統(tǒng)報道的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象有著本質(zhì)上的不同。直到2014年底，丹麥Aalborg大學(xué)F. Blaabjerg課題組首次提出了逆變器接入電網(wǎng)后的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象[6,9-12,14,15]。
其中文獻(xiàn)[14]報道了荷蘭一所大型光伏發(fā)電站中光伏逆變器出現(xiàn)突然關(guān)閉或是超過諧波限定閾值的情況，分析得出是由于諧波的放大引發(fā)了該問題，并提出一種有源阻尼的方案。但該文獻(xiàn)只考慮了逆變器的單個比例諧振控制，控制簡單，且并未分析諧波不穩(wěn)定的影響因素。
文獻(xiàn)[15]基于多環(huán)系統(tǒng)的Nyquist準(zhǔn)則揭示了并聯(lián)逆變器在并網(wǎng)及孤島狀態(tài)下彼此之間的交互影響，但缺乏實(shí)例論證。隨著光伏發(fā)電爆發(fā)式發(fā)展，以及光伏電站在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的過程中和電力電子設(shè)備產(chǎn)生的能量交換，都給系統(tǒng)帶來了很多的諧波及其穩(wěn)定性問題[19,20]，因此還需要做進(jìn)一步的研究。
基于此，本文以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter,VSI）與電網(wǎng)交互引起的諧波不穩(wěn)定問題為例，考察其產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。首先基于阻抗分析法給出了諧波不穩(wěn)定的輸入導(dǎo)納判據(jù)以及理論依據(jù)，然后在Matlab/Simulink仿真平臺搭建了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的等效模型，并找出了可能的諧波不穩(wěn)定影響因素，最后給出了諧波不穩(wěn)定的影響規(guī)律統(tǒng)計結(jié)果。
圖1 基于阻抗分析的VSI等效模型
結(jié)論
本文通過建立光伏并網(wǎng)的阻抗模型，采用輸入導(dǎo)納判據(jù)，研究了光伏并網(wǎng)諧波不穩(wěn)定問題的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，得到如下結(jié)論：
1）通過光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諧波不穩(wěn)定的機(jī)理與仿真分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)整總時間延遲、增大電壓環(huán)和電流環(huán)的比例增益、減小系統(tǒng)的無源阻尼以及網(wǎng)側(cè)電感值都將會使VSI輸入導(dǎo)納的實(shí)部落入負(fù)值區(qū)域，從而引發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。
2）仿真結(jié)果表明，輸入導(dǎo)納判據(jù)可以有效實(shí)現(xiàn)VSI控制環(huán)與無源元件交互引起的諧波不穩(wěn)定問題的判定，可為后續(xù)不穩(wěn)定機(jī)理研究提供有益指導(dǎo)。
3）該研究思路可進(jìn)一步拓展，包括將無源阻尼和有源阻尼相結(jié)合探討其對諧波不穩(wěn)定的影響情況，分別通過調(diào)節(jié)無源阻尼、有源阻尼實(shí)現(xiàn)諧波不穩(wěn)定的抑制；以及從理論和仿真兩個方面共同揭示不同VSI數(shù)量條件下諧波不穩(wěn)定的變化規(guī)律等。
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