組串型光伏并網集群系統高頻諧振抑制方法

李圣清，周攀，鄭劍，武學彥，虞佳興，石東寧

(1·湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲412007；2·湖南省光伏智能電網控制工程研究中心，湖南 株洲412007；3·國網湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

大規模、高效率的新能源發電是解決當前能源危機和環境污染的關鍵舉措之一[1]。分布式新能源發電逐漸成為世界各國關注的焦點[2]，在多核發電中運用組串型光伏集群逆變器一方面可以提高發電容量，另一方面可以避免光伏電站頻繁發生中斷發電的故障，以保證高效率發電[3－4]。目前組串型光伏集群并網系統的研究與應用備受關注[5－6]。

針對弱電網下組串型光伏并網系統諧振導致的不利情況，很多學者進行了相關研究。文獻[7]通過建立逆變器受控源等效模型，依托控制參數和電網參數的變化來發現并網電流諧振變化規律，進而給出了逆變器并網諧振點變化范圍，但只考慮了單臺逆變器并網的諧振情況。文獻[8]提出一種組串式LC型多逆變器并網諧振抑制方法，建立了差模諧波環流模型來實現LC濾波器的諧振抑制。文獻[9]提出一種基于無源阻尼的LCL并網諧振抑制方法，通過增加RC支路對光伏集群系統進行諧振抑制，但是無源阻尼需要額外加裝硬件設備。文獻[10]采用了基于電容電流反饋的有源阻尼諧振抑制方法。文獻[11]采用一種數字延時控制的有源阻尼法，通過PCC電壓前饋過采樣的調制策略對系統諧振進行抑制。文獻[10－11]研究的都是并網逆變器單點低頻諧振抑制。文獻[12]提出了一種有源阻尼控制和RC型全局諧振抑制相結合的控制策略，對光伏集群系統進行多點低頻諧振抑制，RC無源電路的接入也增加了電路成本和功耗。文獻[13]提出一種采用網側變流器電流作為狀態變量的虛擬阻尼策略，實現系統單點高頻諧振抑制。

由上述研究可知，采用LCL型并網逆變器的組串型光伏并網集群系統所存在的高頻諧振，值得進一步研究。本文針對這一問題，分析了集群系統的諧振機理，提出一種高頻諧振抑制方法。該方法在常規雙閉環控制的基礎上，引入具有相位超前補償功能的電容電流高頻反饋、公共連接點(PCC)電壓高頻前饋，兩者有機結合以抑制高頻諧振，進一步通過仿真驗證所提方法的正確性和有效性。

1 組串型光伏并網集群系統諧振機理分析

1.1 系統模型

組串型光伏并網集群系統模型如圖1所示。圖中，PV_k(k＝1，2，…，n)為光伏電池組串陣列；MPPT為光伏電池最大功率點跟蹤模塊，可實現光伏電池的功率最大輸出，提高光伏電站的發電效率；Boost_k為DC/DC升壓斬波電路模塊，可將光伏組串陣列輸出的直流電壓提升到400 V以上，使得橋式電路具備逆變并網的基本條件；Inv_k為三相橋式逆變電路模塊；Filter_k為LCL濾波電路模塊，可將逆變電路模塊輸出電流中的諧波部分盡可能降低或濾除；Grid為弱電網側。

圖1 組串型光伏并網集群系統模型

圖1中Ck_1(k＝1，2，…，n)為光伏電池板對地寄生電容，Lk_1、Lk_2、Lk_3和Lk_4分別為直流、逆變器、網側和線路電感，Ck_2和Ck_3分別為直流逆變器電容和濾波電容，Zg為電網阻抗。Uc、Ug、ucj(j＝a，b，c)、uj分別為前級直流側電容電壓、電網電壓、濾波電容電壓、并網點電壓，ioj和igj分別為逆變器和并網側輸出電流，PCC為公共耦合點。

1.2 諧振機理分析

單臺逆變器并網電路模型如圖2所示。

圖2 單臺逆變器并網電路模型

由圖2可知，從PCC點看整個系統可簡化為一個諾頓等效電路，并網逆變器可視為一個受控電流源[14]，其逆變器等效輸出導納Y1(s)表達式為:

根據式(1)建立多臺逆變器并網諾頓等效電路模型如圖3所示。

圖3 多臺逆變器并網諾頓等效電路模型

根據圖3可推導各逆變器側輸出電壓uinv_n與各逆變器并網電流i2_n之間的傳遞函數為:

式中，矩陣內元素Yi_j表示在第j臺逆變器作用下，逆變器側輸出電壓uinv_j與逆變器并網電流i2_i之間的傳遞函數。

通過分析，可假設各臺逆變器側輸出電壓uinv_1＝uinv_2＝…＝uinv_n，從而可知Y1_2＝Yi_j，Y1_1＝Y2_2＝…＝Yn_n，即

由上述分析可以推導出:

根據式(4)可得，多逆變器并網諧振頻率特性伯德圖如圖4所示。

圖4 多逆變器并網諧振頻率特性伯德圖

由圖4可知，多逆變器并網系統有一個穩定不變的固有諧振峰和一個由逆變器與電網、線路阻抗形成的耦合諧振峰，其頻率隨著逆變器數量的增加而減小。

進一步分析組串型光伏并網集群諧振特性，可知n臺并網逆變器產生的諧振頻率為:

式中，ω0為角頻率，hn為n臺逆變器并網時系統諧振點處的諧波次數。

由此可見，并網系統諧振頻率主要受逆變器并網臺數LCL濾波器、線路和電網阻抗參數的影響，且會隨著逆變器并網臺數的增加、線路和電網阻抗的增加而減小。

2 組串型光伏并網集群系統高頻諧振抑制方法

上述諧振機理分析表明，弱電網環境或裝機容量增加時，并網集群系統中逆變器存在交互高頻諧振的影響。隨著并網逆變器臺數和電網阻抗的增加，并網系統相位逐漸趨于恒定，相位裕度的降低會引發高頻諧振[15]。同時系統阻尼減小也會導致高頻諧振。為此，本文提出一種電容電流高頻反饋和PCC電壓高頻前饋相結合的有源阻尼高頻諧振抑制方法，如圖5所示。Gfi(s)和Gfu(s)分別表示電容電流反饋和PCC電壓前饋支路的高通濾波器，用于提取支路電流、電壓的高次諧波。

圖5 有源阻尼高頻諧振抑制框圖

2.1 電容電流高頻反饋環節

基于相位超前補償的電容電流高頻反饋諧振抑制方法如圖6所示。

圖6 基于相位超前補償的電容電流高頻反饋控制框圖

由圖6可知，連續域下系統開環傳遞函數為:

式中，kpwm為逆變橋等效增益系數，kf為有源阻尼系數，GQPR(s)為準比例諧振電流控制器，GT(s)為PWM調制開關采樣延時控制器，GH(s)為相位超前補償控制環節。傳遞函數如式(7)所示:

式中，kp、kr、ωi、ωo分別表示準比例諧振電流控制器的比例系數、諧振系數、截止角頻率及基波角頻率；Ts表示采樣周期；kn、α、β均表示相位超前補償參數。

根據式(6)和(7)可得，不同電網阻抗下并網系統相位曲線如圖7所示，nLg為線路阻抗。

圖7 不同電網阻抗下并網系統相位曲線

由圖7可知，隨著電網阻抗的增加，并網系統相位逐漸趨于恒定，可通過調節相位超前補償參數km使開環截止頻率始終在相位峰值所對應的頻率點ωj處取得，系統將始終具有足夠的相位裕度，不會因相位裕度的降低而引發高頻諧振[16]。

2.2 PCC電壓高頻前饋環節

PCC電壓高頻前饋有源阻尼等效電路如圖8所示。

圖8 PCC電壓高頻前饋有源阻尼等效電路

在PCC處并聯虛擬阻抗Zeqv，增加并網系統的阻尼，并網電流i2表達式為:

式中，Q(s)和P(s)分別為PCC電壓高頻前饋時構成并網電流的逆變器和電網電壓分量導納，其中Zeqv可以表示為等效虛擬電阻Reqv和電抗Xeqv并聯，其表達式為:

式中，Xeqv0為不存在數字控制延遲時PCC電壓前饋控制形成的等效虛擬電抗[17]，其表達式為:

同理可得，電容電流高頻反饋與輸出濾波電容并聯形成的等效虛擬阻抗為Zeqi。存在數字控制延遲時，PCC電壓前饋電容電流反饋控制環形成的并聯等效虛擬阻抗為Zeq，其表達式為:

由文獻[18]可知，弱電網中的正阻性分量能夠增加系統的阻尼，提高系統穩定性。等效虛擬電阻的頻率特性如圖9所示。

圖9 等效虛擬電阻的頻率特性

由圖9可知，在PCC電壓高頻前饋的作用下，分界頻率向高頻偏移，等效虛擬電阻Reqv的正阻性范圍變大，增加了系統阻尼，有效抑制了并網系統諧振。

結合上述分析可得光伏并網系統頻率特性曲線如圖10所示。

圖10 并網系統頻率特性伯德圖

由圖10可知，未加有源阻尼高頻諧振抑制前，光伏并網系統諧振峰值為67·7 dB，加入有源阻尼高頻諧振抑制后，系統諧振峰值下降到－39·3 dB。由此可知，本文提出的有源阻尼高頻諧振抑制策略能有效抑制系統諧振。

3 仿真驗證

為驗證組串型光伏并網集群系統高頻諧振抑制方法的正確性及有效性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建三臺組串型光伏逆變器系統模型，仿真參數見表1。

表1 組串型光伏并網集群系統仿真參數

3.1 單臺逆變器諧振抑制仿真分析

單臺組串型光伏逆變器并網，不施加/施加有源阻尼高頻諧振抑制方法的系統并網電流波形及頻譜分析如圖11、12所示，其諧波畸變率分別為11·87%、1·99%。

圖11 單臺逆變器并網電流波形和頻譜

圖12 高頻諧振抑制后單臺逆變器并網電流波形和頻譜

由上可知，施加有源阻尼高頻諧振抑制方法后系統并網電流畸變率下降了83·2%，其中86次諧波為逆變器自身諧振，且諧波含量在0·5%以下，說明逆變器自身諧振得到有效抑制，并網電流波形得到顯著改善。

3.2 兩臺逆變器諧振抑制仿真分析

兩臺組串型光伏逆變器并網，不施加/施加有源阻尼高頻諧振抑制方法的系統并網電流波形及頻譜分析如圖13、14所示，其諧波畸變率分別為12·04%、2·56%。

圖13 兩臺逆變器并網電流波形和頻譜

圖14 高頻諧振抑制后兩臺逆變器并網電流波形和頻譜

根據式(5)可知，兩臺逆變器并聯諧振出現在50次諧波左右，由上可知，施加有源阻尼高頻諧振抑制方法后系統并網電流畸變率下降了78·7%，其中86次諧波為逆變器自身諧振，50次諧波為兩臺逆變器并聯諧振，諧波含量均在0·5%以下，說明逆變器自身諧振和并聯諧振得到有效抑制，并網電流波形得到極大改善。

3.3 三臺逆變器諧振抑制仿真分析

三臺組串型光伏逆變器并網，不施加/施加有源阻尼高頻諧振抑制方法的系統并網電流波形及頻譜分析如圖15、16所示，其諧波畸變率分別為13·98、3·01%。

圖15 三臺逆變器并網電流波形和頻譜

圖16 高頻諧振抑制后三臺逆變器并網電流波形和頻譜

根據式(5)可知，三臺逆變器并聯諧振出現在48次諧波左右，由上可知，施加有源阻尼高頻諧振抑制方法后系統并網電流畸變率下降78·5%，其中86次諧波為逆變器自身諧振，48次諧波為三臺逆變器并聯諧振，且諧波含量均在0·5%以下，說明逆變器自身諧振和并聯諧振得到有效抑制，并網電流波形得到極大改善。

通過仿真分析可知，本文提出的有源阻尼高頻諧振抑制方法對組串型光伏并網集群系統產生的高頻次諧振有明顯的抑制效果。

4 結論

本文針對組串型光伏并網集群系統高頻諧振問題，分析并網逆變器諧振產生機理，提出一種電容電流高頻反饋和PCC電壓高頻前饋相結合的有源阻尼高頻諧振抑制方法，并進行仿真驗證。該有源阻尼高頻諧振抑制方法能夠有效抑制組串型光伏并網逆變器自身諧振和并聯諧振，實現多逆變器并網系統多點高頻諧振抑制，可替代無源阻尼控制，有效降低硬件成本和功耗，提高并網系統的穩定性。