基于阻抗分析法的多光伏逆變器接入弱電網(wǎng)穩(wěn)定性研究

仲相成，曲中華，李巖，方達(dá)葉德武，馬曉威

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113000；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000；5.吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

基于阻抗分析法的多光伏逆變器接入弱電網(wǎng)穩(wěn)定性研究

仲相成1，曲中華2，李巖3，方達(dá)4葉德武3，馬曉威5

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司撫順供電公司，遼寧 撫順 113000；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000；5.吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

在光伏聯(lián)網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，理想并網(wǎng)條件下設(shè)計(jì)的逆變控制系統(tǒng)接入弱電網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)遇到控制性能變差、甚至?xí)霈F(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。本文提出了一種基于阻抗的分析方法，通過(guò)逆變器的小信號(hào)模型推導(dǎo)出逆變器等效阻抗，分析逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并提出了調(diào)整逆變器鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)以使系統(tǒng)穩(wěn)定的解決方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析及提出方法的有效性和可行性。

光伏逆變器;等效阻抗;鎖相環(huán)設(shè)計(jì);電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

1 引言

隨著石油、煤炭等不可再生能源儲(chǔ)量的不斷減少，新能源還在探索階段，再加上石油煤炭等資源的開(kāi)采利用不當(dāng)，勢(shì)必引起能源危機(jī)。太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)的能源替代方式，于近年得到迅速發(fā)展[1-3]。近年來(lái)，光伏發(fā)電系統(tǒng)容量越來(lái)越大，而光伏逆變器單體容量有限，因此大型光伏電站通常采用多個(gè)光伏發(fā)電單元并聯(lián)運(yùn)行的典型結(jié)構(gòu)[4]。實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)中，受土地資源和光照資源約束，且隨著光伏電站容量的增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的等值阻抗減小，當(dāng)其等值阻抗降至與電網(wǎng)阻抗相比不可忽視時(shí)，接入電網(wǎng)將呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特征[5]。輸電線路越長(zhǎng)，且光伏電站容量越大，光伏電站出力波動(dòng)和電壓擾動(dòng)帶來(lái)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)越強(qiáng)烈，這將對(duì)多個(gè)并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器的聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大影響。

逆變器與電網(wǎng)之間的相互作用會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。例如，電網(wǎng)阻抗過(guò)高會(huì)使電流控制回路失穩(wěn)并且導(dǎo)致諧波共振或者不穩(wěn)定[6-7]。光伏逆變系統(tǒng)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)也會(huì)造成逆變器輸出功率失穩(wěn)[8-9]。針對(duì)多光伏逆變器接入弱電網(wǎng)引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題，本文提出了一種基于阻抗的分析方法，通過(guò)dq坐標(biāo)下逆變器的小信號(hào)模型推導(dǎo)出逆變器等效阻抗，根據(jù)自動(dòng)控制理論中的系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，進(jìn)行逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。最后提出了調(diào)整逆變器鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)以使系統(tǒng)穩(wěn)定的解決方案。

2 多光伏逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題

2.1 多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本節(jié)主要對(duì)多光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行建模。多光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各光伏逆變器通過(guò)濾波器并聯(lián)后接入電網(wǎng)，圖中L1_n，R1_n為逆變器側(cè)濾波電感和濾波電阻，Lg為電網(wǎng)阻抗。

圖1 多光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單逆變器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了分析多逆變器并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，本節(jié)首先依據(jù)單臺(tái)逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)建立小信號(hào)等效電路模型。

圖2所示為單臺(tái)三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)。圖中上半部是功率電路配置，下半部是逆變器控制結(jié)構(gòu)。Ipv為光伏陣列輸出的電流，Udc為直流側(cè)電容電壓，Idc為注入逆變器的電流，uabc為逆變器中間點(diǎn)電壓，L和RL為濾波電感和電阻，ug和igabc為并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電流，Rg和Lg為網(wǎng)側(cè)電阻和電感，us為網(wǎng)側(cè)電壓?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)包括最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制環(huán)節(jié)和功率控制環(huán)節(jié)。

圖2 光伏逆變系統(tǒng)及控制結(jié)構(gòu)圖

2.3 鎖相環(huán)控制原理

在逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中，鎖相環(huán)通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的相位信息，并將其傳遞給控制環(huán)節(jié)，從而控制逆變器和電網(wǎng)保持同步[10]。

如圖3所示，以等效為直流量的ugq的相位信息為鑒相器，通過(guò)PI環(huán)節(jié)完成對(duì)角度的無(wú)差調(diào)節(jié)以及濾波，輸出的角頻率通過(guò)積分實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)相角的跟蹤，輸出信號(hào)返回形成一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。若鎖相環(huán)設(shè)計(jì)參數(shù)有誤差，則易造成電網(wǎng)與逆變器頻率不同步而失穩(wěn)。

圖3 鎖相環(huán)控制原理圖

2.4 不同鎖相環(huán)參數(shù)下的失穩(wěn)現(xiàn)象

圖4是兩個(gè)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，可以看出，圖(a)中在8s時(shí)刻將一個(gè)逆變器鎖相環(huán)PI環(huán)節(jié)的ki參數(shù)從0.28變化為2.8，鎖相環(huán)頻率出現(xiàn)振蕩，隨后另一個(gè)逆變器鎖相環(huán)頻率也發(fā)生振蕩。圖(b)中鎖相環(huán)參數(shù)變化后系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓失穩(wěn)。

3 光伏逆變系統(tǒng)建模分析

3.1 光伏逆變系統(tǒng)阻抗穩(wěn)定判據(jù)

如圖5所示的逆變器等效電路，逆變器可以視為電流源Is并聯(lián)輸出阻抗Zinv，電網(wǎng)可以視為理想電壓源Ug串聯(lián)電網(wǎng)阻抗Zgrd。

基于圖5所示的逆變器等效電路，可推導(dǎo)并網(wǎng)電流表達(dá)式(3)。假設(shè)空載時(shí)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)為理想電網(wǎng)時(shí)逆變器的輸出穩(wěn)定。那么根據(jù)線性控制理論，這時(shí)輸出電流的穩(wěn)定性取決于Zgrd(s)/Zinv(s)。如果電網(wǎng)阻抗與逆變器輸出阻抗的比值滿足奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，則說(shuō)明并網(wǎng)逆變器在該電網(wǎng)條件下可以夠穩(wěn)定運(yùn)行，并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度可由Zgrd(s)/Zinv(s)的奈奎斯特曲線表示出來(lái)[11]。

圖4 鎖相環(huán)輸出頻率和公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖5 基于阻抗分析的逆變器系統(tǒng)等效電路

(1)

3.2 光伏逆變系統(tǒng)阻抗穩(wěn)定判據(jù)

(2)

(3)

由上式可得，聯(lián)網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的小信號(hào)電路如圖6所示。

令擾動(dòng)源Δudc，Δmd，Δmq為零，由圖6并網(wǎng)點(diǎn)左側(cè)的二端口網(wǎng)絡(luò)，可得復(fù)頻域下逆變器輸出阻抗為：

(4)

圖6 dq坐標(biāo)系下聯(lián)網(wǎng)光伏逆變系統(tǒng)小信號(hào)電路

同理，由并網(wǎng)點(diǎn)右側(cè)的二端口網(wǎng)絡(luò)可得，電網(wǎng)側(cè)的輸入阻抗為:

(5)

基于PLL控制下的逆變器輸出阻抗模型，可得逆變器在鎖相環(huán)控制作用下的小信號(hào)傳遞模型如圖7所示：

圖7 鎖相環(huán)控制作用下的逆變器小信號(hào)傳遞模型

由圖7可得，在鎖相環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制作用下，聯(lián)網(wǎng)逆變器的輸出阻抗模型為：

(6)

3.3 光伏逆變系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

根據(jù)上一節(jié)中得出的逆變器輸出阻抗以及電網(wǎng)阻抗，可以得到兩組不同控制器參數(shù)下的阻抗曲線以及阻抗比的奈奎斯特曲線。

圖8 不同鎖相環(huán)參數(shù)下的阻抗曲線

圖9 電網(wǎng)阻抗與逆變器阻抗比的奈奎斯特圖

由圖8可以看出，逆變器鎖相環(huán)參數(shù)由design1變?yōu)閐esign2時(shí)Zqq的相角差超過(guò)了180°，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。由圖9也可以看出，鎖相環(huán)參數(shù)變化之后(圖9(b))，奈奎斯特曲線包含了(-1,j0)點(diǎn)，由奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)會(huì)失穩(wěn)。根據(jù)之前的分析，單個(gè)逆變器失穩(wěn)會(huì)影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致其他并聯(lián)逆變器及系統(tǒng)的失穩(wěn)[12]。

3.4 多光伏逆變器并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由于本文采用的阻抗分析法將逆變器等效電路視為一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，那么可將逆變器的等效阻抗視為其固有屬性，即單個(gè)逆變器的等效阻抗不會(huì)因逆變器并聯(lián)個(gè)數(shù)的增減而變化。因此多光伏逆變器并聯(lián)后，阻抗分析法依然適用。

逆變器鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)一般是基于理想電網(wǎng)條件。若鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的，則逆變器應(yīng)該與理想電網(wǎng)同步穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器并聯(lián)后在公共耦合點(diǎn)(PCC)獲得相同的電壓進(jìn)行同步。然而在弱電網(wǎng)條件下，電網(wǎng)阻抗不可忽視。PCC電壓不僅決定于電網(wǎng)電壓，也受電網(wǎng)阻抗Zg以及各逆變器注入電流的影響。在這種情況下，各逆變器的因?yàn)殒i相環(huán)共用PCC電壓而相互耦合。由此可見(jiàn)，這些鎖相環(huán)的不穩(wěn)定會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失去同步甚至崩潰。而根據(jù)上文的分析，只要改變逆變器的PLL參數(shù)設(shè)計(jì)就可以使系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于阻抗分析法來(lái)分析多逆變器并聯(lián)接入弱電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題。首先通過(guò)dq坐標(biāo)下逆變器的小信號(hào)模型推導(dǎo)出逆變器等效阻抗，然后根據(jù)自動(dòng)控制理論中的穩(wěn)定判據(jù)，分析逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后提出了調(diào)整逆變器鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)以使系統(tǒng)穩(wěn)定的解決方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析及提出方法的有效性和可行性。

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收稿日期：2015-10-13

作者簡(jiǎn)介：仲相成(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

Research on the Stability of Multi PV Inverters Connected to Weak Grid Based on Impedance Analysis

ZHONGXiang-cheng1,QUZhong-hua2,LIYan3,FANGDa4,YEDe-wu3,MAXiao-wei5

(1.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132000，China;2.Benxi Power Supply Company,Liaoning Electric Power Company Limited,State Grid,Benxi 117000,China;3.Fushun Power Supply Company,Liaoning Electric Power Company Limited,State Grid,Fushun 113000,China;4.Anshan Power Supply Company,Liaoning Electric Power Company Limited,State Grid,Anshan 114000,China;5.Maintenance Company,Jilin Electric Power Company Limited,Changchun 130000,China)

In paralleled grid connected PV inverters system,the design of the inverter control system is connected with the weak grid,the control performance will become poor,and the operation is not stable.In this paper,a method of impedance analysis is presented,and the equivalent impedance of inverter is derived by using the small signal model of the inverter,and the stability of inverter parallel system is analyzed.System can be stabilized by changing the inverter′s PLL design.Simulation results verify the validity and feasibility of the theoretical analysis and the proposed method.

PV inverter;equivalent impedance;phase locked loop design;power system stability

2016-08-02

呂明珠(1980-),女,遼寧沈陽(yáng)人，研究生學(xué)歷,碩士學(xué)位，講師，主要從事電氣工程和自動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)和研究； 劉世勛(1980-),男,遼寧沈陽(yáng)人，研究生學(xué)歷,碩士學(xué)位，工程師，主要從事機(jī)電產(chǎn)品的可靠性檢測(cè)和研究。

1004-289X(2016)06-0027-05

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51277024)。

TM464

B