新能源并網諧振過電壓分析

鄒福強,吳 沖,鐘 帆,李衛蘭,劉 毅,張勝飛

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,四川 成都 610056;2.西南交通大學電氣工程學院,四川 成都 611756)

0 引 言

隨著國內大力發展新能源技術,風力、光伏等新能源發電比例逐年增長,目前已成為中國新能源利用的重要組成部分。光伏、風電等新能源通常通過逆變裝置接入電網,由于采用脈沖寬度調制的逆變裝置會產生諧波注入電網,特別是當新能源大規模并入電網時諧波可能會導致系統過電壓威脅電網運行的安全[1-3]。

目前針對新能源并網諧波問題已有大量研究。部分文獻著重探討了模型的精確建立并且大都是針對實例進行分析。文獻[4-5]均對逆變器并網系統進行了阻抗分析,用硬件設施進行了驗證,得出了逆變器的準確模型并進行了穩定性分析;文獻[6]針對大型光伏電站建立了阻抗模型并用工程測試進行了驗證;文獻[7-8]根據風電并網的控制策略建立了阻抗模型。但上述研究均針對新能源并網系統中的電力電子裝置進行建模,并沒有考慮包括變壓器、電網、輸電線的綜合模型。也有文獻在建立逆變器模型的同時考慮了輸電線的模型,例如文獻[9]主要針對新能源并網系統建立了輸電電纜的諧波模型。

在諧振分析方法上,新能源并網逆變器系統諧振分析傳統方法主要是頻譜分析法和頻域分析法。頻譜分析法向測試節點注入幅值和頻率均特定的電流,用于求解該節點對應頻率輸入阻抗,通過改變節點注入電流的頻率可求解得到節點阻抗關于頻率的變化曲線,進一步可用來判斷諧振是否存在以及諧振的頻率。基于并網逆變器輸出阻抗等效建模的頻域分析法的思想是:根據建模結果推導并網逆變器輸出電流表達式,確定并網電流發生諧振的因素,每一影響因素對應一個傳遞函數的伯德圖,可進一步求解諧振頻率[10-11]。由于頻域分析法需要建立高階傳遞函數,計算量大,文獻[12]首次提出了模態分析法,能夠獲得更多的諧振信息;文獻[13-16]將模態分析法運用于新能源并網系統中并在建立諧波模型時考慮了控制的延時等非線性因素。但以上研究大多針對單個新能源連接到系統時的諧振問題,對于新能源接入規模對諧振的影響并沒有涉及,并且上述研究雖然探究了新能源并網系統的諧振分布,但是缺少逆變器參數和電網參數對諧振的影響。

為分析多個新能源接入系統時諧振對系統電壓的影響,首先,根據逆變裝置控制策略建立新能源接入系統的諧波模型;然后,對單個新能源接入系統進行諧波分析,探究各種參數對系統電壓的影響;最后,對多個新能源接入系統進行諧波分析,探究不同規模新能源接入及采用不同參數逆變器的新能源并網系統的諧振變化規律以及對系統電壓造成的影響。

1 新能源并網系統建模

1.1 新能源并網系統結構

典型的多個新能源并網系統結構如圖1所示,這里僅選取光伏進行分析。n個光伏陣列產生的能量通過變換器到達各逆變裝置,各個逆變裝置通過LCL濾波器并入電網。圖1中:L1n、L2n、Cn、Cdcn分別為逆變器側電感、網側電感、濾波電容、直流側電容;Zg和Ug分別為電網等效阻抗和等效電壓。

圖1 新能源并網系統結構

光伏并網系統一般由光伏陣列通過機側變換器再通過逆變裝置與電網連接。其中,機側變換器為DC/DC變換器,可將光伏電池輸出較寬范圍的低壓直流電變成電壓較高的穩定直流電,同時可實現輸入端與輸出端的電氣隔離,穩定的直流電再通過逆變裝置串聯LCL濾波器并入電網。

當新能源并網數量較大時,通過逆變裝置進入電網的電流含有豐富的諧波成分。為掌握系統諧振特性,并防止注入諧波與系統諧振點重合出現過電壓的情況,需要建立新能源并網系統的諧波阻抗模型對系統諧振情況進行分析。

1.2 新能源并網系統諧波模型

在對新能源并網系統建立諧波模型時,將電網等效阻抗左側的系統進行戴維南等效。由于逆變裝置主要實現對逆變側電流的控制,并且新能源并網系統諧振主要受輸出電流影響,因此僅需針對逆變裝置的電流控制策略,將逆變裝置交流端口左端系統等效為電壓源串聯阻抗的形式。以圖2所示單個LCL型逆變裝置作為基本單元進行建模,逆變裝置的交流回路通過LCL濾波器接入電網。

圖2 三相LCL型并網逆變裝置結構

為保證系統穩定運行且能夠以較高的功率因數向電網輸送電能,并網LCL型逆變裝置采用逆變裝置側電流I1閉環和電容電流IC前饋的控制策略[14],其控制框圖如圖3所示。電流內環的指令信號由電壓外環計算給出,并且由于新能源并網諧振主要體現在輸出電流上,因此只需對電流控制策略進行分析[10]。圖3中Gi(s)為電流控制器傳遞函數,電流控制器采用PI控制,如式(1)所示,其中Kp、Ki分別為比例、積分控制系數。

圖3 逆變裝置控制

(1)

利用圖3的控制結構框圖來對圖2 AB端進行戴維南等效,可得開路電壓Uoc、短路電流Isc和等效阻抗Zeq的表達式,如式(2)所示。由此可得基本單元的諧波模型如圖4所示,其中Zf和Zg分別為線路阻抗和電網阻抗。

圖4 新能源并網模型

(2)

2 單個新能源并網諧振分析

2.1 模態分析法

模態分析法是將逆變器并網系統等效為一個多節點網絡系統。根據圖4可以建立單逆變器系統的2階節點導納矩陣Y2,如式(3)所示。

(3)

系統發生諧波諧振時,網絡節點導納矩陣Y2往往出現極小值,Y2-1中則出現極大值,系統相應節點會產生非常高的電壓,此時為并聯諧振最為嚴重的情形[12]。

若該新能源并網系統在頻率f處發生并聯諧振,則節點電壓矩陣Uf、節點導納矩陣Y2、節點注入電流矩陣If有

(4)

對網絡節點導納矩陣Y2進行特征值分解,則左特征向量矩陣L、特征值矩陣Λ-1、右特征向量矩陣T有

Uf=LΛ-1TIf

(5)

將特征值矩陣Λ-1的對角矩陣元素λ-1定義為“系統模態阻抗Z”。當λ=0或者接近于0時,意味著并聯諧振的發生,此時很小的注入電流If都將導致很大的電壓,這就是諧振過電壓現象。

傳統諧振分析方法僅能獲得諧振頻率,且當新能源并網系統中逆變器數量增多、逆變器參數不同時,分析過程難度將增大。相比之下,在模態域中更易識別出諧振的位置,且模態分析法僅需圍繞新能源系統網絡對節點導納矩陣進行分析,過程較為簡便。

2.2 單逆變器諧振模態分析

在建立系統節點導納矩陣的基礎上,依據圖5所示的模態分析流程,忽略逆變器側、電網側電感寄生電阻,采用表1中Ⅰ類濾波電路、線路、電網參數[13-15],利用Matlab編程計算得到圖6所示的2節點模態阻抗曲線。

表1 系統參數

圖5 模態分析流程

圖6 2節點模態阻抗曲線

采用標幺值來對諧振頻率進行描述,50 Hz為1 pu,將圖4中單個新能源并網模型劃分為新能源和電網兩個節點,即存在兩種模態阻抗,分別定義這兩種模態阻抗隨頻率變化的過程為模式1、模式2。由圖6可知,在注入幅值為1 A、頻率為2～200 pu諧波電流后,可以看出頻率為9.6 pu和151.5 pu的電壓幅值有明顯升高,說明系統存在兩個諧振點,如果新能源并網逆變器產生這兩個頻率的電流,將可能導致諧振過電壓。

為防止步長Δf對分析結果準確性產生影響,對不同步長下系統諧振點的變化進行了分析,結果如圖7所示。可見在1～10 Hz之間,步長對諧振頻率的分析結果影響不大,均能滿足對分析精度的要求,因此后續分析中均設置步長為5 Hz。

圖7 不同步長模態分析結果

2.2.1 LCL參數的影響

在逆變裝置側電流I1閉環和電容電流IC前饋的控制策略下,分別改變參數逆變器電感L1、濾波電容C、網側電感L2,模態分析結果如圖8—圖10所示。

圖8 L1參數變化模態分析結果

由圖8(a)可知,隨著逆變器側電感L1從1 mH變化到4 mH,模式1諧振點的諧振頻率逐漸從16.7 pu減小到9.6 pu,諧波電壓幅值呈現逐漸上升的趨勢,而圖8(b)中模式2諧振點的諧振頻率和引起的諧波電壓幅值都無明顯變化。

由圖9(a)可知,當濾波電容C從10 μF變化到40 μF時,模式1諧振點的諧振頻率逐漸從19.1 pu減小到9.6 pu,諧波電壓幅值大幅降低;由圖9(b)可知,電容值發生變化,模式2諧振點的諧振頻率從152.1 pu減小到151.5 pu,引起的諧波電壓僅有略微影響。

圖9 C參數變化模態結果分析

由圖10(a)可知,網側電感L2從0.2 mH增大到0.5 mH時,模式1諧振點的諧振頻率幾乎沒有變化但引起的諧波電壓幅值逐漸降低;而從圖10(b)中可以看出模式2諧振點的諧振頻率從156.9 pu減小到151.5 pu,引起的諧波電壓幅值逐漸增大。

圖10 L2參數變化模態分析結果

以上分析可以得出,通過對逆變器側電感L1和濾波電容C的適當設計,可以使模式1諧振點的諧振頻率發生改變避免低次諧振;通過對網側電感L2的適當設計,可以使模式2諧振點的諧振頻率發生偏移避免高次諧振。

2.2.2 控制參數的影響

圖11為逆變器控制參數變化時的模態分析結果。由圖11(a)可知當控制器參數Kp從1.0變化到2.5時,模式1諧振點的諧振頻率幾乎沒有變化,而諧振導致的諧波電壓幅值大幅減小;由圖11(b)可知,Kp對模式2諧振點幾乎沒有影響;由圖11(c)、(d)可以看出,控制器參數Ki僅僅對模式1諧振點引起的諧波電壓有較小影響。由以上分析可知,在滿足控制效果的條件下,適當增大控制器參數Kp可使模式1諧振點引起的諧波電壓幅值大大降低從而降低低頻諧振風險。

圖11 控制參數變化模態分析結果

2.2.3 線路阻抗參數的影響

忽略線路電阻和電容的變化,圖12給出線路電抗Lf變化時的模態分析結果。由圖12(a)可知:當線路電抗從0.5 mH/km變化到2.0 mH/km時,模式1諧振點的諧振頻率從10.9 pu降低到9.0 pu,引起的諧波電壓幅值從868.3 V減少到588.1 V;圖12(b)中顯示的模式2的諧振頻率從194.7 pu降低到125.5 pu,引起的諧波電壓幅值從6 018.9 V減少到2 358.8 V,諧振點變化情況和模式1類似,但是變化幅度遠大于模式1,說明模式2諧振點受線路電抗的影響更大。

圖12 Lf變化模態分析結果

2.2.4 電網阻抗參數的影響

電網電阻本身的變化并不會影響并網系統的諧振頻率,因此分析諧振特性時,同樣忽略電網電阻的影響。電網電抗Lg變化時模態分析結果如圖13所示。當Lg從0.5 mH變化到2.0 mH時,模式1諧振點的諧振頻率從9.7 pu降低到9.4 pu,引起的諧波電壓幅值從457.2 V增加到600.5 V;模式2的諧振頻率從160.1 pu降低到138.6 pu,引起的諧波電壓幅值從1 561.3 V增加到9 662.8 V。因此電網電抗對系統高次諧振點影響較大,新能源在接入時,對其選擇也尤其重要。

圖13 Lg參數變化模態分析結果

3 不同規模新能源并網諧振分析

3.1 相同參數新能源并網諧振分析

當有多個新能源并入系統時,可得諧波模型如圖14所示。第n+1個節點為n個新能源站并入系統的公共連接點,每個新能源等效模型通過線路等效阻抗Zfi(i=1,2,…,n)并入公共連接點。根據式(5)可知,n+1個節點擁有n+1個模態阻抗,系統存在n+1個諧振模式。

圖14 多新能源并網模型

由圖14可列出n臺逆變器并網的節點導納矩陣的通用表達式Yn+1為

(6)

其中,

根據式(6)可求解第2、3、4臺逆變器并網時新能源系統的節點導納矩陣。按照圖5流程以及表1中的 Ⅰ 類逆變器參數,可求得不同規模新能源并網諧振特性,如圖15所示。圖中n=2時模式3與模式4完全垂合;n=3時模式3、模式4、模式5也完全重合。由圖15可見:隨著新能源數量的增加,系統節點增加,諧振模式隨之增加;隨著新能源數量的增加,低頻諧振點的諧振頻率集中于9.0 pu左右,引起的諧波電壓幅值逐漸增大;出現了兩個高頻諧振點,其中170.4 pu的諧振點在不同新能源并網數量下頻率沒有發生改變,但是模式1諧振點的諧振頻率隨著新能源并網數量的增加而逐漸降低。

圖15 不同數量新能源并網模態分析結果

3.2 不同參數新能源并網諧振分析

根據表1中Ⅰ、Ⅱ類數值,得到如表2所示的組合設置,并網模態分析結果如圖16所示。相較于第3.1節分析的僅含Ⅰ類逆變器的系統,當系統中同時含Ⅰ、Ⅱ類逆變器時,系統模態增加,諧振點增加,低頻諧振點引起的諧波電壓最大幅值降低,高頻諧振點引起的諧波電壓最大幅值降低。該結果表明,新能源并網系統中諧振情況不僅與新能源并網規模有關,逆變器類型以及參數也會給系統諧振帶來較大影響。

表2 Ⅰ、Ⅱ類逆變器組合設置

圖16 組合1～6新能源并網模態分析結果

4 仿真驗證

為驗證理論分析的正確性,以第3.2節中4個逆變器并網組合4為例,分別對5個節點進行頻率掃描,將頻率掃描的仿真結果與理論結果進行對比。

由所建立的模型可知,逆變器1為節點1,以此類推,逆變器4為節點4,逆變器與電網連接的公共連接點為節點5,向5個節點分別施加頻率為2～200 pu幅值為1 A的諧波電流。為了獲得各個頻率下的諧振情況,將時域的電壓信號進行分解,得到對應的諧波電壓幅值如圖17所示,5個節點觀察到的所有諧振點與圖16(d)一致。這驗證了所提理論分析的正確性,其中節點1～3觀察到的諧振情況完全一致,公共連接點僅能觀察到頻率為124 pu的諧振點。由頻率掃描仿真結果可知,需要對多節點進行掃描才可以獲得系統所有的諧振點,而所提方法更加簡單,可以直接準確得到所有諧振點。

圖17 組合4頻率掃描仿真結果

5 結 論

新能源并網系統,尤其是多個新能源并網系統,是復雜的高階系統,準確有效地確定諧振頻率以及諧振峰值進而解決諧振問題防止系統過電壓是非常關鍵的一步。通過對系統的分析,得出如下結論:

1) 諧振點系統模態阻抗很大,即使電流很小也會導致很大的系統電壓;建立新能源并網系統節點導納矩陣、采用模態分析法可以快速、準確分析出并網系統存在的諧振點。

2)單個新能源并網系統中,逆變器側電感、網側電感增大將導致系統諧振頻率減小、諧波電壓增大;濾波電容增大將導致諧振頻率減小、諧波電壓降低;適當增大控制參數可降低諧波電壓;線路阻抗不宜過小,電網阻抗不宜過大。

3)相同參數時,隨著新能源并網數量的增加,系統節點增加,諧振模式隨之增加;不同參數時,還會引起高、低頻諧振電壓都減小。

4) 通過對逆變器參數合理設計、對逆變器類型的合理組合,同時充分考慮接入電網的阻抗參數均可以避免諧振導致的過電壓。