弱电网下光伏发电系统谐振机理研究

陶艳

(湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

弱电网下光伏发电系统谐振机理研究

陶艳

(湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

光伏发电系统一般都要通过较长的输电线路接入电网，可能会有电网阻抗较高，短路容量较低的情况出现。这些条件会引起光伏并网变流器的系统谐振。围绕弱电网条件下的并网变流器谐振问题展开研究，通过光伏发电系统的数学模型，对弱电网条件引起并网变流器特定次谐波振荡的机理进行分析，研究了影响系统发生谐振的主要因素，并通过仿真验证了理论分析的正确性。

光伏发电系统;谐振;电网阻抗;弱电网;机理

0 引 言

光伏发电系统往往需要通过长距离的输电线路连接到电网，这使得等效电网阻抗变得较大。由于电网阻抗的存在，当系统存在谐振峰并且与系统中的扰动频率正好匹配时，会引起出电压、过电流，甚至导致光伏发电系统与电网之间发生严重谐振问题[1-2]。深入分析光伏并网发电系统谐振的机理对制定相应的谐振抑制措施，及光伏电站的建设，推动光伏并网发电大规模发展具有重要的意义。

目前国内外学者对于谐振问题分析时采用的方法主要有小信号分析法、基于阻抗的稳定性判据及经典的频域分析方法。文献[3]以状态空间方法描述系统，通过求其状态矩阵的特征值和特征向量进行分析，然而小信号分析是要建立某一个工作点附近的近似小信号线性模型，由于光伏发电系统工作点经常发生变化，此时小信号分析方法受到限制。基于阻抗比的稳定性分析法[4]比较适用于由于电网阻抗影响，带来的系统稳定性问题，但是这种方法要想取得精确的结果需要依赖于对阻抗进行实时在线测量[4]，而系统中存在谐波可能会导致测量结果的不准确，从而对系统稳定性的判断出现误差，不能得到系统谐振的准确机理，而且无法揭示系统暂态性能。

本文将采用经典的频域分析方法分析谐振问题，通过对光伏发电系统传递函数的推导，绘制出幅值频率、相角频率的特性曲线(Bode图)，并利用根轨迹等分析工具来研究不同条件下的系统稳定性，进而揭示光伏并网变流器在弱电网条件下的谐振机理。

1 光伏发电系统建模

三相静止坐标系下，包含LCL滤波器的三相光伏并网逆变器主电路如图1所示[5]。

图1 光伏并网变流器拓扑图

图中L1为变流器侧滤波电感，C为滤波电容，L2为网侧滤波电感，三者连接成为LCL滤波器。变流器输出电压经过LCL滤波器将电能送入电网。图2为在dq旋转坐标系下光伏并网变流器电流环采用变流器侧电感电流控制框图[6-8]：

2 非理想电网情况下光伏发电系统谐振分析

光伏发电系统一般建在偏远的地方，需要较长的传输线路，其阻抗不可忽略。下面讨论考虑电网阻抗时光伏并网逆变器的谐振问题。

文献[9]指出，光伏电站内并网变流器一般是由同一厂家生产，硬件参数、控制参数一致，在N台光伏并网变流器并联运行时，由于电网阻抗的影响，可以认为单台变流器运行时的等效电网阻抗扩大N倍。为了分析问题的简便，本文以单台变流器在接入弱电网条件下进行研究谐振问题并不失一般性。

考虑电网阻抗为纯感性(Lg)时，图2的变流器侧电流控制框图变化为如图3所示。

图2 变流器控制框图

图3 考虑感性电网阻抗时变流器控制框图

当认为电网电压vg为扰动量时，系统闭环传递函数为:

(5)

为了确定控制器参数对系统稳定性的影响，分别改变电流环PI调节器的比例系数，依次调整为5/6/7/10/20，得到闭环系统根轨迹如图4所示。

图4 在PI比例系数变化下系统根轨迹

随着箭头指向，比例系数依次增大，主导极点逐渐左移，越来越靠近虚轴，由此可以得出结论：电流环比例系数越大，系统稳定性越差，则参数取值不合理时，可能产生谐振。

随着电网阻抗Lg的变化，闭环传递函数根轨迹如图5所示。

图5 电网阻抗变化时系统根轨迹

电网阻抗随着箭头的指向依次增大，闭环主导极点逐渐移向虚轴，直到移动到虚轴右半平面，造成系统不稳定。

此外随着电网阻抗值Lg的增大，系统谐振频率Bode图变化情况如图6所示。

图6 系统谐振频率随电网阻抗的变化图

由图6可知，随着电网阻抗增加，LCL滤波器谐振频率逐渐降低。高频段以60 dB/dec进行衰减，即LCL滤波器对高次谐波有更优良的滤除性能，但也可以看出两个频段的分界点存在LCL滤波器的固有谐振频率，其值为：

(3)

式中L1为变流器侧电感，L2为电网侧电感，Cf为滤波电容。

由于固有谐振频率的存在，变流器进行控制参数设计不合理时有可能会发生谐振现象，该结论与文献[9]得出的结论一致。

3 仿真验证

在MATLAB/Simulink中搭建并网变流器仿真模型进行仿真，以验证上述理论分析的正确性。模型参数如表1所示。

如图7所示，电流环控制参数变化时，开始时一台并网变流器以500 kW额定功率运行，并网电流近似为标准的正弦波，0.1 s后变流器电流环比例系数由40增加到100，PCC电压值及并网电流值的变化情况仿真结果如图7所示。

表1 系统参数表

图7 变流器电流环控制参数变化时电压电流波形

由图7可知，经过一段时间后PCC电压及并网电流发生了振荡。0.2 s时变流器电流环比例系数恢复到40，之后振荡现象消失。

单台500 kW并网变流器并网时，电网阻抗开始时设置为100 μH，并网电流近似为标准的正弦波，0.1 s后电网阻抗变化为200 μH，电网阻抗变化时，PCC电压值及并网电流值的变化情况仿真结果如图8所示。

图8 电网阻抗变化时电压电流波形

经过一段时间调整后PCC电压及并网电流发生振荡。0.2 s之后电网阻抗恢复为100 μH，振荡现象消失。

4 结束语

本文建立了光伏发电系统的数学模型，考虑弱电网条件之一的电网阻抗，从对电流环控制参数、电网阻抗大小等方面揭示了光伏发电系统谐振问题，指出了电流环比例系数过大会引起LCL滤波器谐振增益过大，引起逆变器输出电流谐振；电网阻抗的存在使得原有系统LCL滤波器谐振点降低到低频区域，导致低频稳定裕度较低，可能引起低频谐振的问题。最后利用MATLAB搭建了实际的光伏发电系统，验证了理论分析的结果。

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A Research on the Resonance Mechanism of the PV Generation System in Weak Grids

Tao Yan

(Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou Hunan 412001, China)

As the PV generation system is normally connected to the power grid over a long transmission line, grid impedance might remain high and short circuit capacity might be low. That would possibly result in system resonance of the PV grid connection inverter. This paper studies resonance of the grid connection inverter under the condition of weak power grid. By using a mathematical model of the PV generation system, it analyzes the mechanism for specific sub-harmonic oscillations of the grid connection inverter under weak grid condition. Major factors causing system resonance is discussed, and the correctness of theoretical analysis is verified through simulation.

PV generation system；resonance； grid impedance； weak grid； mechanism

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.020

TM615

A

1000-3886(2017)02-0066-03

陶艳(1980-)，女，湖南株洲人，工程师，讲师，硕士生，主要从事电气控制系统及轨道交通电源系统的设计及理论研究工作。

定稿日期: 2016-08-30