大型光伏電站集電系統諧波傳遞網絡分析

朱永強，郝嘉誠，唐萁，楊慧娜，李春來

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2.青海省光伏發電并網技術重點實驗室，西寧市 810000)

大型光伏電站集電系統諧波傳遞網絡分析

朱永強1，郝嘉誠1，唐萁1，楊慧娜1，李春來2

(1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2.青海省光伏發電并網技術重點實驗室，西寧市 810000)

大型光伏電站中，每組并網逆變器系統的輸出功率(電流)經站內集電系統匯集后向外送出。文獻研究表明，即使單臺并網逆變器的輸出電流諧波較小，多臺并網逆變器并聯后輸出電流的諧波也有可能超標。針對典型大型并網光伏電站拓撲結構，建立了詳細考慮站內集電系統結構的大型光伏電站諧波傳遞網絡模型。用節點導納法在MATLAB中對算例進行了諧波潮流計算，得出各個節點各次諧波電壓相對于該點基波電壓的放大倍數，并選取主變壓器低壓側節點作為分析對象，與忽略集電系統內部結構時的計算結果作比對，發現諧波電壓放大特性發生明顯改變。最后分析了集電系統內部LCL濾波器及電纜線路參數對傳遞網絡諧波電壓放大特性的影響。

大型光伏電站；集電系統；諧波；傳遞網絡

0 引 言

2015年，我國新能源發電持續快速增長，光伏裝機容量首次超過德國躍居世界第一。據最新的數據統計，截至2015年，我國太陽能發電裝機容量達到 4 158萬 kW。預計到2020年，我國大型集中式光伏電站將達 8 000萬 kW[1]。由于我國太陽能資源主要富集于西北部地區，距離負荷中心較遠，需要采用高壓遠距離輸電，因此光伏電站的規模化和大型化已經成為光伏產業的重要發展趨勢之一[2]。

隨著光伏電站裝機容量的爆發式增長，大規模光伏電站的接入及電力電子裝置的廣泛應用使得大量非線性負載也加入到電力系統中，對電力系統造成污染，出現電能質量問題[3-4]。目前，諧波問題是制約光伏電站并網最主要的問題之一，很多大型并網光伏電站存在諧波超標問題，且在低光照運行條件下更加突出[2]。大型光伏電站中，每組并網逆變器系統的輸出電流經站內集電系統匯集后向外送出[5]。有文獻研究表明，即使單臺并網逆變器的輸出電流諧波較小，多臺并網逆變器并聯后輸出電流的諧波也有可能超標[6-7]。由于大型并網光伏電站一般采用LCL濾波器，且很多光伏電站通過長距離輸電線纜接入弱電網，濾波電容可能引起諧振從而造成某些次諧波放大[8-12]。因此，在對大規模光伏電站進行諧波分析時，不僅要考慮光伏系統與電網之間日益顯著的相互作用，也應當考慮由濾波器、變壓器、電纜線路等元件構成的集電系統對諧波傳遞所造成的影響。

文獻[13]的研究結果表明電網阻抗導致系統存在諧振現象，降低系統電能質量，并網點電壓的諧波畸變率遠大于逆變器輸出電流，并網點電壓諧波含量更易超標。文獻[14]提出了大型光伏電站諧波串并聯諧振數學模型，分析了諧波串并聯諧振機理，定量分析了諧波電壓放大系數及其與輸電距離、諧波次數及諧波類型的關系。文獻[13]和[14]都從逆變器的控制層面研究了電網阻抗對大型光伏電站諧波及諧振的影響，但在進行網絡等效時，并未將大型光伏電站集電系統內部元件及連接方式納入考慮范圍。文獻[15]雖然在分析計算時詳盡地考慮了光伏電站集電系統的內部結構，但是其研究內容為光伏電站靜態電壓穩定性問題，與諧波傳遞網絡無關。文獻[16]推導出 1 MV·A發電單元戴維寧等效電路，建立了接近實際并網系統的阻抗網絡模型，分析了光伏電站諧波輸出與輻照度及光伏板溫度的關系，但沒有討論模型中各元件參數的變化對諧波輸出結果的影響。

本文針對典型大型并網光伏電站拓撲結構，建立詳細考慮站內集電系統結構的大型光伏電站諧波傳遞網絡模型。用節點導納法在MATLAB中對算例進行諧波潮流計算，得出各個節點各次諧波電壓相對于該點基波電壓的放大倍數，并選取主變壓器低壓側節點作為分析對象，與忽略集電系統內部結構的計算結果對比，發現諧波電壓放大特性發生明顯改變。最后分析集電系統內部LCL濾波器及電纜線路參數對傳遞網絡諧波電壓放大特性的影響。

1 諧波傳遞網絡

1.1 大型并網光伏電站結構

大型并網光伏電站結構如圖1—3所示。大型光伏電站包含若干光伏發電單元，光伏發電單元的輸出功率經站內集電線路匯入10 kV交流母線。假設光伏電站共有m條并聯的集電線路，每條集電線路由n個光伏發電單元組成。光伏電站產生的電能經變比為10 kV/121 kV的主變壓器升壓，通過高壓輸電線路并入大電網。

圖1 大型并網光伏電站結構圖

圖2 集電線路結構圖

圖3 光伏發電單元結構圖

1.2 諧波傳遞網絡中各元件等效模型

1.2.1 光伏發電單元

光伏發電單元阻抗圖如圖4所示。在光伏發電單元中，2組光伏陣列分別與2臺500 kW的光伏逆變器連接，逆變器的輸出電流經LCL濾波器后送至一臺變比為10.5 kV/0.27 kV/0.27 kV的雙分裂變壓器，然后接入站內集電系統。

圖4 光伏發電單元阻抗圖

采用電流控制模式的光伏逆變器，在諧波潮流計算中處理為能夠輸出恒定電流的電流源。光伏逆變器LCL濾波器的諧波阻抗可用式(1)計算。

(1)式中：ZL為電感的諧波阻抗；h為諧波次數；XL為電感的基波電抗；Zc為電容的諧波阻抗；Xc為電容的基波電抗。

光伏發電單元采用短路阻抗百分比為4.5%、額定容量為1 000/500/500 kV·A的雙分裂變壓器，忽略變壓器內部阻抗的影響，有Zt=jXt。若Zt1表示高壓繞組的等效阻抗，Zt2、Zt3分別表示2個低壓繞組的等效阻抗，通常情況下，雙分裂變壓器的等效阻抗可以用式(2)計算。

(2)

式中：Xt1為雙分裂變壓器原邊繞組的基波等效電抗；Xt2、Xt3分別為2個副邊繞組的基波等效電抗；KF為分裂系數；X1-2為穿越阻抗。

大型光伏電站中每組并網逆變器系統通常采用相同的結構、參數和控制策略等，且升壓變壓器的型號均相同[14]。因此，假設圖1中所有發電單元內各個元件的參數完全相同。

1.2.2 輸電線路和電纜

在基波計算時，輸電線路通常采用π型等值電路。但是在諧波計算中，由于線路的分布特性比基波時更加顯著，因而每個π型所能代表的線路距離將大為縮短。因此在諧波計算中，更多使用的是分布參數等值電路。為使長線路的分布參數等值電路計算更加便利，采用雙曲函數來計算輸電線路和電纜的等值電路[17]。h次諧波時，線路單位長度的諧波參數為

(3)

式中：Zoh為線路的單位長度諧波阻抗；Roh為單位長度諧波電阻；X1為單位長度基波電抗；Yoh為單位長度諧波導納；B1為單位長度基波電納。考慮到集膚效應，線路的單位長度電阻可由式(4)計算。

(4)

式中R1為線路單位長度基波電阻。

h次諧波時，長度為l的輸電線路或電纜的阻抗和導納值為

(5)

式中：ZLh和YLh分別為線路的諧波阻抗和導納；ZCh和γh分別為h次諧波時線路的特征阻抗和傳播函數，可由式(6)計算得到。

(6)

1.2.3 主變壓器

在高次諧波的作用下，變壓器繞組的集膚效應和鄰近效應都變得更加顯著，電阻值要增大[18]。本文采用IEEE提出的變壓器諧波阻抗模型。

ZT=h1.15RT+hXT

(7)

式中：ZT為主變等效諧波阻抗；RT和XT分別為基波下主變的等效電阻和電抗。

1.2.4 高壓電網(系統)與負荷

當高壓電網或負荷的功率為S，功率因數為cosφ時，系統或負荷在h次諧波下的等值阻抗為

(8)

式中：Z為系統或負荷的諧波等效阻抗；R和X分別為其基波等效電阻和電抗。

1.3 諧波傳遞網絡模型

圖5和圖6分別為集電線路阻抗圖和大型并網光伏電站阻抗圖。假設大型光伏電站集電系統由m條并聯支路組成，每條支路共包含n個發電單元，如圖5所示。集電系統將各個發電單元所發電能匯集后，經主變壓器、高壓輸電線路送入電網，電力傳輸網絡的等效阻抗如圖6所示。

圖5 集電線路阻抗圖

圖6 大型并網光伏電站阻抗圖

根據圖5和圖6所示的諧波傳遞網絡結構，節點導納矩陣Y為(6mn+3)階方陣。令k=6mn，則有

(9)

式中Ya為(6n×1)階列向量。

(10)

Ym為集電線路單條支路的節點導納矩陣，Ym為6n階方陣，方陣Y中共有m個Ym矩陣。

(11)

式中：Y1為集電系統單條支路的第1個發電單元及與其相連的電纜的節點導納矩陣；Y2為該條支路其余各個發電單元及與其相連的電纜的節點導納矩陣。Y1、Y2均為6階方陣。為保證Ym的正確性，Yc為Yb的補充矩陣。Y1、Y2、Yc可通過式(12)—(14)求得。

(12)

方陣Y2除Y2(6，6)之外，其余位置的值均與Y1相同，集電系統單條支路第i個(i=2，3，…，n)發電單元的節點導納矩陣Y2的Y2(6，6)為

(13)

Yc為6n階對稱方陣，有

(14)

需要說明的是，式(12)—(14)矩陣Y1、Y2、Yc未說明的部分均為0。

2 算例分析

2.1 諧波潮流計算

與基波潮流計算類似，諧波潮流計算就是根據各諧波源節點的注入諧波電流和該諧波傳遞網絡節點導納矩陣組成的網絡方程求解各節點諧波電壓，即

U(h)=Y-1(h)I(h)

(15)式中：U(h)為各節點h次諧波電壓列向量；Y(h)為h次諧波傳遞網絡的節點導納矩陣；I(h)為各節點h次諧波注入電流列向量。令含諧波源的節點注入電流為單位h次諧波電流，不含諧波源的節點注入電流均為0。

需要注意的是，諧波傳遞網絡中各元件等效阻抗的大小隨諧波次數的變化而變化，因此在計算中需要多次形成諧波傳遞網絡節點導納矩陣。

2.2 2種結構下諧波潮流計算結果對比

在大型光伏電站集電系統中，各發電單元之間的電纜由于線路長度短、電壓等級低，因而在某些研究中忽略了電纜參數的影響，認為各個發電單元為簡單的并聯關系，如圖7所示。

圖7 忽略集電系統的大型光伏電站結構圖

在建立了諧波傳遞網絡之后，通過進行諧波潮流計算，可以得到網絡中各個節點在各次諧波下的電壓值。用某一點的各次諧波電壓幅值除以該點的基波電壓幅值，就可以得到在各次諧波下，該點的諧波電壓相對于基波電壓的放大倍數。由于諧波傳遞網絡中的節點較多，本文僅選取主變壓器低壓側節點，即各發電單元的公共連接點(point of common coupling，PCC)作為代表進行分析。網絡中各個元件參數如表1所示。

表1 傳遞網絡中各元件參數

Table 1 Parameters of every component in transfer network

經計算，2種結構下PCC點諧波電壓的放大情況如圖8所示。從圖8中可以看出，在忽略站內集電系統的電纜參數后，網絡的諧振頻率有所降低，諧振點的電壓放大倍數也明顯增大，其余各點的電壓放大情況也有所改變。

圖8 PCC點各次諧波電壓放大情況

2種結構下PCC點各次諧波的電壓放大倍數如表2所示。從表2中數據可以看出，在考慮站內集電

表2 PCC點各次諧波電壓放大倍數

Table 2 Harmonic voltage amplification properties of PCC

系統電纜參數的情況下，該網絡在輸入7次諧波電流時發生了諧振，當諧波次數小于7次時，電壓放大倍數隨輸入諧波次數的增加呈上升趨勢，隨后逐漸下降，當諧波次數大于35次以后，諧波電壓小于基波電壓；在忽略站內集電系統電纜參數的情況下，網絡在輸入6次諧波電流時發生了諧振，當諧波次數小于6次時，電壓放大倍數隨輸入諧波次數的增加呈上升趨勢，隨后逐漸下降，當諧波次數大于28次后，電壓放大倍數的變化趨勢與諧波次數沒有明顯的對應關系，但在該結構下，不論向網絡注入幾次諧波電流，PCC點的諧波電壓幅值始終大于基波電壓幅值。

由此可見，大型光伏電站中集電系統的電纜參數會對諧波分析結果造成一定影響，所以在進行諧波分析時應當考慮站內集電系統的電纜參數。

2.3 LCL濾波器的參數對諧波潮流計算結果的影響

考慮站內集電系統電纜參數的情況，在表1給定參數的基礎上，單獨調整LCL濾波器的參數L1、L2和C的值后，PCC點各次諧波電壓的放大情況如圖9—11所示。

圖9 L1值對PCC點各次諧波電壓放大情況的影響

圖10 L2值對PCC點各次諧波電壓放大情況的影響

由圖9—11可以看出，L1在圖9所示范圍內的變化沒有對PCC點各次諧波電壓的放大倍數產生明顯的影響，但不排除對網絡中其他節點諧波電壓產生影響的可能；隨著L2值的增大，PCC點的諧振頻率逐漸減小，且諧振頻率均在11次以下，諧振點的電壓放大

圖11 C值對PCC點各次諧波電壓放大情況的影響

倍數均在200倍以上；電容C對PCC點的各次諧波電壓放大情況的影響與L2類似，隨著C值的增大，PCC點電壓的諧振頻率逐漸減小，且諧振頻率均在25次以下。但與L2相比，C值的變化更容易引起PCC點發生諧振。

2.4 電纜參數對諧波潮流計算結果的影響

考慮站內集電系統電纜參數的情況，在表1給定參數的基礎上，單獨調整單位長度電纜的阻抗和導納的值后，PCC點各次諧波電壓的放大情況如圖12—13所示。

圖12 電纜阻抗值對PCC點各次諧波電壓放大情況的影響

圖13 電纜導納值對PCC點各次諧波電壓放大情況的影響

由圖12—13可以看出，電纜阻抗值大小的改變對PCC點處的諧振頻率幾乎沒有影響，但是隨著電纜阻抗值的增大，PCC點在諧振頻率下的電壓放大倍數先減小后增大；電纜導納值大小的改變對PCC點處的諧振頻率也沒有明顯的影響，但是隨著電纜導納值的增大，PCC點在諧振頻率下的電壓放大倍數逐漸增大，但增大得比較緩慢。

由于在站內集電系統中，各發電單元之間的電纜線路長度短、電壓等級低，所以電纜參數的改變對于PCC點各次諧波電壓放大倍數的影響并不明顯，但如果不考慮電壓放大倍數，只從電壓幅值的計算結果來看，電纜參數的改變對該點各次諧波電壓幅值大小的影響較為明顯。由此也可以說明，在對大型光伏電站進行諧波分析時，應當考慮電纜參數對于分析結果的影響。

3 結 論

(1)是否考慮光伏電站內部集電系統結構，PCC點的諧波電壓放大特性存在明顯差別。

(2)光伏逆變器的LCL濾波器參數對PCC點諧波電壓放大特性有影響，其中L2與C值的改變對于諧波電壓放大特性影響較為明顯，L1的改變對PCC點的影響不明顯，但是不排除其對電站內部節點存在影響。

(3)集電系統內部電纜線路參數對PCC點諧波電壓放大特性有影響。由于各發電單元之間的電纜線路長度短、電壓等級低，電纜參數的改變對于該點的諧波電壓放大特性影響相對較小。

本文建立的考慮集電系統結構的諧波傳遞網絡詳細模型，對于光伏電站諧波電壓放大機理和基本規律的說明是有意義的。

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(編輯 景賀峰)

Harmonic Transfer Network Analysis of Large-Scale Photovoltaic Power Plant Electricity Energy Collection System

ZHU Yongqiang1, HAO Jiacheng1, TANG Qi1, YANG Huina1, LI Chunlai2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. Qinghai Province Key Laboratory of Grid-Connected Photovoltaic (PV) Technology, Xining 810000, China)

In large-scale photovoltaic (PV) power plant, the output power of every PV grid-connected inverter system is collected by electricity energy collection system and then is put into electricity grid. Previous studies have demonstrated that the harmonic problem may occur when PV inverters run in parallel even if all the PV inverters individually satisfy the standards. Considering the electricity energy collection system, this paper builds the model of harmonic transfer network for typical topological structure of large-scale grid-connected PV power plant. Using node matrix method, this paper calculates the harmonic power flow of a given calculation example in MATLAB and gets the fundamental and harmonic voltage amplitudes of every node. Taking the node of the low voltage side of main transformer as the study object, this paper compares the calculation result with that of neglecting the structure of the electricity energy collection system, whose results show that the voltage amplification property obviously changes. Finally, this paper analyzes the influence of the parameters of LCL filter and cable in the electricity energy collection system on the voltage amplification property of the harmonic transfer network.

large-scale photovoltaic power plant; electricity energy collection system; harmonic; transfer network

新能源電力系統國家重點實驗室2016年自主研究課題項目(LAPS2016-14)

TM 615

A

1000-7229(2016)10-0122-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.017

2016-06-14

朱永強(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向為新能源發電與并網技術以及電力電子技術；

郝嘉誠(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電與并網技術；

唐萁(1994)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電與并網技術；

楊慧娜(1972)，女，博士，講師，主要研究方向為電工理論與新技術以及電力電子技術；

李春來(1980)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為新能源技術。