光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波不穩(wěn)定產(chǎn)生機理及影響規(guī)律
2017-6-10 10:37:21??????點擊：
西南交通大學電氣工程學院的研究人員朱曉娟、胡海濤、陶海東、何正友，在2017年第10期《電工技術學報》上撰文，針對光伏、風力發(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納判據(jù)揭示這類諧波不穩(wěn)定的產(chǎn)生機理及其影響規(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)，考察關鍵因素（PI控制參數(shù)Kp、總時間延遲Td、無源阻尼Rd、網(wǎng)側電感Lg）對諧波不穩(wěn)定的影響規(guī)律。
仿真結果表明，諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象會在參數(shù)所對應的一個閾值范圍內發(fā)生（該范圍下電壓源型逆變器阻尼為負），而輸入導納判據(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得到了快速的發(fā)展，以電力電子為基礎的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為電網(wǎng)中重要的組成部分。這些光伏、風電等可再生能源在通過逆變器實現(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)側電壓/電流諧波幅值的持續(xù)放大、嚴重畸變現(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)高壓設備燒毀、保護裝置誤動等事故，而波形的嚴重畸變會誘發(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外學者們的廣泛關注[3-15]。
現(xiàn)有諧波不穩(wěn)定問題的分析方法主要歸為以下兩類：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]。但高開關頻率的逆變器需要構建詳細的負載和動態(tài)網(wǎng)絡模型，因此很難構造系統(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)定分析中應用最為廣泛。
除了上述兩種方法之外，文獻[6,11,12]采用時域仿真分析法，分別從網(wǎng)側逆變器的數(shù)量、總時間延遲、網(wǎng)側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)象有著本質上的不同。直到2014年底，丹麥Aalborg大學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[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[15]基于多環(huán)系統(tǒng)的Nyquist準則揭示了并聯(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，以及光伏電站在實現(xiàn)并網(wǎng)運行的過程中和電力電子設備產(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)計結果。
圖1 基于阻抗分析的VSI等效模型
結論
本文通過建立光伏并網(wǎng)的阻抗模型，采用輸入導納判據(jù)，研究了光伏并網(wǎng)諧波不穩(wěn)定問題的產(chǎn)生機理及影響因素，得到如下結論：
1）通過光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諧波不穩(wěn)定的機理與仿真分析，發(fā)現(xiàn)調整總時間延遲、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)側電感值都將會使VSI輸入導納的實部落入負值區(qū)域，從而引發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。
2）仿真結果表明，輸入導納判據(jù)可以有效實現(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)定機理研究提供有益指導。
3）該研究思路可進一步拓展，包括將無源阻尼和有源阻尼相結合探討其對諧波不穩(wěn)定的影響情況，分別通過調節(jié)無源阻尼、有源阻尼實現(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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