基于阻抗重塑的集中式光伏電站諧波抑制策略研究

鄭 鑫，王若瀚

(1. 重慶高速工程顧問有限公司，重慶 401147；2. 國網重慶市電力公司，重慶 404100)

0 引 言

受中國能源分布的影響，集中式光伏電站主要分布在西北地區，如新疆、西藏、甘肅等地[1]。偏遠的地理環境會使得集中式光伏電站需要通過較長距離的輸電線路才能上網，源側與網側之間又會有各級變壓器進行升壓。目前的集中式光伏電站依靠由大量非線性的電力電子器件組成的光伏逆變器匯流輸出，而光伏逆變器往往是在理想條件下設計的，其原有設計忽略了網側、源側間的結構，此時的并網系統阻抗結構是穩定的，輸出諧波也在規定的范圍內。但是，輸電線路的阻抗以及各級變壓器的存在將會改變原有并網系統的阻抗結構，這很可能會導致系統的穩態性能劣化，電站輸出出現嚴重的諧波問題。

從實現途徑看,對抑制策略的研究可分為系統控制策略改進與外接設備兩類，但實質都是實現系統阻抗的匹配從而增強并網系統的穩定性。

在控制層面上：1)在系統阻抗網路中引入補償環節，如文獻[2]在電流環前向通道引入補償環節，補償開環傳遞函數的相位裕度，亦可在并網點電壓前向通道處添加補償環節，等效為重塑逆變器輸出阻抗[3-6]；2)改進系統原有控制策略，即在設計逆變器時就將各類阻抗考慮在內，通過修改控制器參數或者采用極點配置等方法，實現零極點對消來增強逆變器穩定性[7-9]。上述研究均是針對單臺或少量逆變器并網系統，并未充分考慮光伏電站的電氣結構所帶來的影響。

在外界設備層面上：文獻[10-13]設計了一種混合有源電力濾波器接在電站母線處，可有效改善分布式電站輸出電流的諧波問題，但是對于大型集中式光伏電站，電力濾波器的容量設計和成本又是不可忽視的問題。

根據上述研究現狀，下面將充分考慮集中式光伏電站統一控制、集中管理的特點，提出一種基于阻抗重塑的諧波抑制策略，通過引入網側電壓前饋與輸出電流反饋補償環節以改善并網系統的阻抗特性，抑制諧波電流傳輸過程中的放大問題。

1 并網系統的諧波放大問題分析

研究對象為50 MVA容量的集中式電站，單臺發電單元由光伏電池陣列、500 kW單極式三相LCL型并網逆變器以及0.27 kV/35 kV箱式變壓器(以下簡稱箱變)組成，站內35 kV母線匯流發電單元輸出，經站內主升壓變壓器(以下簡稱主升壓變)送至110 kV電壓等級電網。電氣結構如圖1所示。

圖1 集中式光伏電站電氣結構

對于諧波問題的研究，首先應進行并網系統的阻抗建模。圖2是從圖1中抽象等值后的具體阻抗模型，將源側等效為諾頓等效電流源，網側等效為戴維南等效電壓源，變壓器進行τ型等值，輸電線路進行π型等值。

圖2可經過電路變換進行簡化，得到如圖3所示的典型的諾頓等效電源與戴維南等效電源的互聯阻抗模型。

圖2 光伏發電系統具體阻抗模型

圖3 光伏發電系統簡化阻抗模型

圖2與圖3中各符號及含義如表1所示。

表1 電路各參數含義

注：下標1，…，n表示第i臺發電單元，i=1，…，n。

表1中逆變器的輸出阻抗Zs和諾頓等效電流源系數Gs與控制環節有關，圖4為所研究的集中式光伏電站中光伏逆變器的電流環控制框圖。

圖4 逆變器電流環

Zs為該并網點電壓upcc與輸出電流i2的傳遞函數，等效電流源系數即為輸出電流i2與iref的傳遞函數。

下面以電壓Uo為節點列寫節點電壓方程，此時考慮n臺發電單元運行。節點電壓方程如式(1)所示。

(1)

式中，Yg-eq為等效戴維南電路導納。又因為并聯系統中任一臺電單元(以第j臺表示)諾頓等效電源滿足式(2)。

Io，j=Geq，j-Yeq，jUo

(2)

通過消去節點電壓Uo，可以得到第j臺發電單元輸出電流Io,j的表達式為

(3)

所研究集中式光伏電站入網電流的諧波問題，對發電單元間的電流沒進行深入研究，因此對式(3)的Io,j進行求和，求得入網電流Ig為

(4)

假設各發電單元完全一致，則式(4)可簡化為式(5)。

(5)

式(5)與式(2)均可看作典型諾頓等效電源關系式Ig=GUref- YUg的形式，這里將系數G稱為集中式電站等效電源系數；系數Y稱為電站與電網等效耦合導納。可以看出，在電站容量確定時，系數G和Y只與系統阻抗有關。

利用Matlab對前面已建立的集中式光伏電站并網發電系統的等效阻抗模型進行頻域分析。圖5為系數G和Y隨輸電線路長度變化的幅頻響應圖。

圖5 系數G和Y隨輸電線路長度變化的幅頻響應

從圖5中可以看出，由于各級變壓器阻抗及線路阻抗的存在，系統阻抗模型中出現了諧振尖峰，并且尖峰會隨線路長度增加而逐漸向低頻端移動，圖4也說明，諧波電流的各諧波頻次會受到不同程度的放大影響。

2 諧波抑制策略對阻抗模型的影響

前面已經分析得知，抽象等效得出的如圖3所示的系統阻抗模型存在著諧振尖峰，該尖峰會使得諧波電流傳輸過程中受到影響。因此，下面考慮在阻抗模型中引入新的阻抗來實現對系統的阻抗重塑。

在逆變器等效電流源輸出端串聯阻抗，該串聯阻抗具備基波阻抗低、諧波阻抗高的特性，其作用是調節網側諧波阻抗。同時在等效電流源輸出端并聯阻抗，該并聯阻抗具備基波阻抗高、諧波阻抗低的特性，其作用是不影響入網基波電流，為諧波電流提供通路。圖6為添加串并聯阻抗后的并網發電系統阻抗模型。

圖6 串并聯阻抗后的并網系統阻抗模型及簡化

圖6中Zp_v為并聯阻抗，Zs_v為串聯阻抗，此時引入串并聯阻抗后的源側等效導納Ys_eq與等效電流源系數Gs_eq，如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

由于Zp_v與Zs_v具備相反的阻抗特性，利用二階陷波器來構造串并聯阻抗。該陷波器的傳遞函數GNf(s)如式(8)所示。

(8)

式中：s為復頻域變量；fo為陷波器諧振點。

將fo設置到50Hz，設計串聯阻抗Zs_v=rsGNf，設計并聯阻抗Zp_v= rp/GNf，其中rs、rp為相應的串聯、并聯比例系數。圖7為Zs_v與Zp_v的幅頻響應伯德圖。

從圖7所示的幅頻特性可以看出，引入的串并聯阻抗能滿足前面阻抗重塑所需的阻抗需求。按照式(6)、式(7)建立的數學模型，將原系統式(5)中的電流源系數Geq與輸出導納Yeq替換為式(6)、式(7)引入串并聯阻抗后的等效電流源系數Gs_eq與等效輸出導納Ys_eq。對此時系統電站等效電源系數G、電站與電網耦合導納Y進行幅頻響應分析。如圖8、圖9所示。

圖7 串并聯阻抗的伯德圖

圖8 引入串并聯阻抗后的等效電源系數G幅頻響應

圖9 引入串并聯阻抗后的耦合導納Y幅頻響應

對比圖5與圖8、圖9可以看出，引入了串并聯的阻抗后，經校正的系統其入網電流的等效系數G與耦合導納Y的幅值尖峰得到了有效抑制，G呈現一種接近理想電流源的特性，電站與電網耦合導納Y的幅值也很低。這說明該策略可實現對系統的阻抗重塑，起到抑制諧波電流傳輸過程中受到放大影響的作用。

3 補償環節設計

從控制層面來實現串并聯阻抗的引入，通過在逆變器控制策略中添加補償環節來等效實現在源側輸出端串并聯虛擬的阻抗。

等效電流源輸出端串并聯阻抗后，可再次進行諾頓等效得到此時的發電單元阻抗模型，如圖10所示。

圖10 引入串并聯阻抗后的源側電路等效

(9)

對于補償支路的選擇，由于逆變器的輸出阻抗由并聯點電壓upcc與輸出電流i2的傳遞函數定義，因此與逆變器輸出阻抗并聯的虛擬阻抗可以通過引入電壓upcc前饋支路來實現，同時在輸出電流反饋支路上增加補償環節以實現串聯虛擬阻抗。

原有電流環采用網側電流反饋與電容電流阻尼控制，在引入并聯點電壓upcc前饋支路與輸出電流反饋補償支路后，新的電流環控制框圖如圖11所示。

圖11中，H1與H2均為需要設計的補償環節。從圖11中可化簡出輸出電流i2與參考電流iref的傳遞函數Gsv(s)，如式(10)所示。同時利用梅森公式化簡出輸出電流i2與并網點電壓upcc的比值Ysv(s)，即為逆變器輸出導納，如式(11)所示。

圖11 引入電壓前饋與輸出電流反饋補償環節的電流環

(10)

(11)

(12)

式中的各多項式系數在式(13)中給出。

(13)

理論上，引入式(12)所示的補償環節后，可等效為在原逆變側系統阻抗模型中引入串并聯虛擬阻抗。下面在圖12所示的仿真模型中引入電壓前饋補償環節與輸出電流反饋補償環節，以進行諧波抑制效果驗證。仿真參數如表2所示。

圖12 集中式光伏并網發電系統仿真模型結構

表2 仿真參數設置

以圖5中尖峰幅值較大的60km與80km為例，如圖13為架空線路長度為60km時，引入虛擬阻抗前后入網電流波形對比。

圖13 引入虛擬阻抗前后入網電流波形對比(架空線路長度60 km)

對圖13進行快速傅里葉變換(fastFouriertransform，FFT)分析，結果見圖14。

圖14 引入虛擬阻抗前后入網電流頻譜對比(架空線路長度60 km)

圖15為架空線路長度為80km時，引入串并聯阻抗前后入網電流波形對比。

圖15 引入虛擬阻抗前后入網電流波形對比(架空線路長度80 km)

對圖15進行FFT分析，結果見圖16。

圖16 引入虛擬阻抗前后入網電流頻譜對比(架空線路長度80 km)

從上面結果對比中可以看出，引入串并聯虛擬阻抗后，60km架空線路長度情況下入網電流總諧波畸變率由4.95%降至1.84%；80km架空線路條件下，入網電流總諧波畸變率含量從7.74%降至4.42%。入網電流波形畸變均有所改善，基波幅值均有所回升。結果說明，所設計的電壓前饋與輸出電流反饋補償環節相當于在阻抗模型中引入串并聯虛擬阻抗，可實現對系統阻抗的阻抗重塑，能有效地改善入網電流的諧波問題。

4 結 論

以50MVA的集中式光伏電站為研究對象，針對諧波電流在系統阻抗模型傳輸過程中會受到放大影響的問題，對諧波抑制策略進行研究，提出基于阻抗重塑的諧波抑制策略。該策略在逆變器原有控制策略中引入電壓前饋與輸出電流反饋補償環節，相當于在系統原有阻抗模型基礎上引入串并聯虛擬阻抗，結果表明該策略可實現對系統的阻抗重塑，可有效抑制等效電源系數G和等效耦合導納Y的幅值尖峰，起到改善諧波電流在傳輸過程中放大問題的作用。

值得注意的是，基于阻抗重塑的諧波抑制策略是建立在集中式光伏電站統一控制的特性上，倘若考慮站內線路距離、逆變器間差異，或者是分布式電站，該策略是否有效需進一步研究。同時所建立的集中式光伏并網發電系統模型，只考慮了網源側以及之間的無源器件，系統諧波僅源自電站內部各發電單元，因此對于考慮系統其他負載諧波源以及電網背景諧波的情況，所提出的抑制策略的有效性還需進一步研究。