光伏并網系統的諧波不穩定產生機理及影響規律
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、風力發電等電壓源型逆變器與供電系統交互引起的諧波不穩定問題，采用基于阻抗分析法的輸入導納判據揭示這類諧波不穩定的產生機理及其影響規律。
通過建立光伏并網系統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定現象產生的原因。同時，基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了光伏并網仿真系統，考察關鍵因素（PI控制參數Kp、總時間延遲Td、無源阻尼Rd、網側電感Lg）對諧波不穩定的影響規律。
仿真結果表明，諧波不穩定現象會在參數所對應的一個閾值范圍內發生（該范圍下電壓源型逆變器阻尼為負），而輸入導納判據可以求解參數不穩定范圍，從而判定諧波不穩定現象發生與否，仿真與理論分析相符。
近年來，可再生能源并網和電力電子變流技術得到了快速的發展，以電力電子為基礎的可再生能源發電系統逐漸成為電網中重要的組成部分。這些光伏、風電等可再生能源在通過逆變器實現接入交流電網時，由于逆變器控制環與無源元件之間存在動態的交互作用，引發的網側電壓/電流諧波幅值的持續放大、嚴重畸變現象，稱之為諧波不穩定[1,2]。
發生諧波不穩定時，過高的電壓/電流幅值會造成系統高壓設備燒毀、保護裝置誤動等事故，而波形的嚴重畸變會誘發逆變器控制環失穩等。由于諧波不穩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]。
現有諧波不穩定問題的分析方法主要歸為以下兩類：諧波狀態空間模型分析法[6-8]和阻抗模型分析法[9-12]。其中前者通過建立電力系統的狀態矩陣，根據狀態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網絡模型，因此很難構造系統矩陣。
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（電網）與負載子系統（逆變器）的等效阻抗比值來判斷系統閉環增益與穩定性[18]。阻抗分析法能可靠估算不同頻率范圍內每個系統組件對系統穩定性的影響，在諧波不穩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，分別從網側逆變器的數量、總時間延遲、網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定的影響情況。但其對諧波不穩定影響因素的分析不夠全面，沒有給出諧波不穩定現象的產生條件、影響規律以及判定方法。
實際上，早于1967年，J. D. Ainsworth等就提出了高壓直流（High-VoltageDirect Current, HVDC）系統中交流與直流系統的“互補諧振”或“混合諧振”激發了“諧波不穩定”現象，造成諧波嚴重畸變[13]。但這屬于非柔性換流系統的諧波不穩定問題，與目前柔性換流系統報道的諧波不穩定現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后的諧波不穩定現象[6,9-12,14,15]。
其中文獻[14]報道了荷蘭一所大型光伏發電站中光伏逆變器出現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定的影響因素。
文獻[15]基于多環系統的Nyquist準則揭示了并聯逆變器在并網及孤島狀態下彼此之間的交互影響，但缺乏實例論證。隨著光伏發電爆發式發展，以及光伏電站在實現并網運行的過程中和電力電子設備產生的能量交換，都給系統帶來了很多的諧波及其穩定性問題[19,20]，因此還需要做進一步的研究。
基于此，本文以光伏并網系統中的電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter,VSI）與電網交互引起的諧波不穩定問題為例，考察其產生機理和影響因素。首先基于阻抗分析法給出了諧波不穩定的輸入導納判據以及理論依據，然后在Matlab/Simulink仿真平臺搭建了光伏并網系統及其控制系統的等效模型，并找出了可能的諧波不穩定影響因素，最后給出了諧波不穩定的影響規律統計結果。
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的阻抗模型，采用輸入導納判據，研究了光伏并網諧波不穩定問題的產生機理及影響因素，得到如下結論：
1）通過光伏并網系統諧波不穩定的機理與仿真分析，發現調整總時間延遲、增大電壓環和電流環的比例增益、減小系統的無源阻尼以及網側電感值都將會使VSI輸入導納的實部落入負值區域，從而引發諧波不穩定現象。
2）仿真結果表明，輸入導納判據可以有效實現VSI控制環與無源元件交互引起的諧波不穩定問題的判定，可為后續不穩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定的影響情況，分別通過調節無源阻尼、有源阻尼實現諧波不穩定的抑制；以及從理論和仿真兩個方面共同揭示不同VSI數量條件下諧波不穩定的變化規律等。
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