基于阻抗分析法的多光伏逆变器接入弱电网稳定性研究

仲相成，曲中华，李岩，方达叶德武，马晓威

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132000；2.国网辽宁省电力有限公司本溪供电公司，辽宁 本溪 117000；3.国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113000；4.国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000；5.吉林省电力有限公司检修公司，吉林 长春 130000)

基于阻抗分析法的多光伏逆变器接入弱电网稳定性研究

仲相成1，曲中华2，李岩3，方达4叶德武3，马晓威5

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132000；2.国网辽宁省电力有限公司本溪供电公司，辽宁 本溪 117000；3.国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113000；4.国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000；5.吉林省电力有限公司检修公司，吉林 长春 130000)

在光伏联网逆变器并联系统中，理想并网条件下设计的逆变控制系统接入弱电网时，会出现遇到控制性能变差、甚至会出现运行不稳定等问题。本文提出了一种基于阻抗的分析方法，通过逆变器的小信号模型推导出逆变器等效阻抗，分析逆变器并联系统的稳定性，并提出了调整逆变器锁相环的设计以使系统稳定的解决方案。仿真结果验证了理论分析及提出方法的有效性和可行性。

光伏逆变器;等效阻抗;锁相环设计;电力系统稳定性

1 引言

随着石油、煤炭等不可再生能源储量的不断减少，新能源还在探索阶段，再加上石油煤炭等资源的开采利用不当，势必引起能源危机。太阳能作为一种可持续的能源替代方式，于近年得到迅速发展[1-3]。近年来，光伏发电系统容量越来越大，而光伏逆变器单体容量有限，因此大型光伏电站通常采用多个光伏发电单元并联运行的典型结构[4]。实际生产建设中，受土地资源和光照资源约束，且随着光伏电站容量的增大，光伏发电系统的等值阻抗减小，当其等值阻抗降至与电网阻抗相比不可忽视时，接入电网将呈现弱电网特征[5]。输电线路越长，且光伏电站容量越大，光伏电站出力波动和电压扰动带来的并网点电压波动越强烈，这将对多个并联的光伏并网逆变器的联网稳定运行造成巨大影响。

逆变器与电网之间的相互作用会使系统不稳定。例如，电网阻抗过高会使电流控制回路失稳并且导致谐波共振或者不稳定[6-7]。光伏逆变系统控制器参数设计不当也会造成逆变器输出功率失稳[8-9]。针对多光伏逆变器接入弱电网引起的系统不稳定问题，本文提出了一种基于阻抗的分析方法，通过dq坐标下逆变器的小信号模型推导出逆变器等效阻抗，根据自动控制理论中的系统稳定判据，进行逆变器并联系统的稳定性分析。最后提出了调整逆变器锁相环的设计以使系统稳定的解决方案。

2 多光伏逆变器并联运行时的稳定性问题

2.1 多逆变器并联系统整体结构

本节主要对多光伏逆变器并联系统进行建模。多光伏逆变器并联系统结构如图1所示。各光伏逆变器通过滤波器并联后接入电网，图中L1_n，R1_n为逆变器侧滤波电感和滤波电阻，Lg为电网阻抗。

图1 多光伏逆变器并联系统结构示意图

2.2 单逆变器联网系统结构

为了分析多逆变器并联发电系统稳定性，本节首先依据单台逆变器双闭环控制结构建立小信号等效电路模型。

图2所示为单台三相并网逆变器结构。图中上半部是功率电路配置，下半部是逆变器控制结构。Ipv为光伏阵列输出的电流，Udc为直流侧电容电压，Idc为注入逆变器的电流，uabc为逆变器中间点电压，L和RL为滤波电感和电阻，ug和igabc为并网点电压和电流，Rg和Lg为网侧电阻和电感，us为网侧电压。控制系统结构包括最大功率点跟踪(MPPT)控制环节和功率控制环节。

图2 光伏逆变系统及控制结构图

2.3 锁相环控制原理

在逆变器并网系统中，锁相环通过检测并网点电压的相位信息，并将其传递给控制环节，从而控制逆变器和电网保持同步[10]。

如图3所示，以等效为直流量的ugq的相位信息为鉴相器，通过PI环节完成对角度的无差调节以及滤波，输出的角频率通过积分实现对整个相角的跟踪，输出信号返回形成一个负反馈的闭环系统。若锁相环设计参数有误差，则易造成电网与逆变器频率不同步而失稳。

图3 锁相环控制原理图

2.4 不同锁相环参数下的失稳现象

图4是两个逆变器并联系统的仿真结果，可以看出，图(a)中在8s时刻将一个逆变器锁相环PI环节的ki参数从0.28变化为2.8，锁相环频率出现振荡，随后另一个逆变器锁相环频率也发生振荡。图(b)中锁相环参数变化后系统并网点电压失稳。

3 光伏逆变系统建模分析

3.1 光伏逆变系统阻抗稳定判据

如图5所示的逆变器等效电路，逆变器可以视为电流源Is并联输出阻抗Zinv，电网可以视为理想电压源Ug串联电网阻抗Zgrd。

基于图5所示的逆变器等效电路，可推导并网电流表达式(3)。假设空载时电网电压稳定，当电网为理想电网时逆变器的输出稳定。那么根据线性控制理论，这时输出电流的稳定性取决于Zgrd(s)/Zinv(s)。如果电网阻抗与逆变器输出阻抗的比值满足奈奎斯特稳定判据，则说明并网逆变器在该电网条件下可以够稳定运行，并网系统的稳定裕度可由Zgrd(s)/Zinv(s)的奈奎斯特曲线表示出来[11]。

图4 锁相环输出频率和公共并网点电压

图5 基于阻抗分析的逆变器系统等效电路

(1)

3.2 光伏逆变系统阻抗稳定判据

(2)

(3)

由上式可得，联网光伏逆变系统在dq坐标系下的小信号电路如图6所示。

令扰动源Δudc，Δmd，Δmq为零，由图6并网点左侧的二端口网络，可得复频域下逆变器输出阻抗为：

(4)

图6 dq坐标系下联网光伏逆变系统小信号电路

同理，由并网点右侧的二端口网络可得，电网侧的输入阻抗为:

(5)

基于PLL控制下的逆变器输出阻抗模型，可得逆变器在锁相环控制作用下的小信号传递模型如图7所示：

图7 锁相环控制作用下的逆变器小信号传递模型

由图7可得，在锁相环和电流内环控制作用下，联网逆变器的输出阻抗模型为：

(6)

3.3 光伏逆变系统稳定性分析

根据上一节中得出的逆变器输出阻抗以及电网阻抗，可以得到两组不同控制器参数下的阻抗曲线以及阻抗比的奈奎斯特曲线。

图8 不同锁相环参数下的阻抗曲线

图9 电网阻抗与逆变器阻抗比的奈奎斯特图

由图8可以看出，逆变器锁相环参数由design1变为design2时Zqq的相角差超过了180°，此时会导致系统失稳。由图9也可以看出，锁相环参数变化之后(图9(b))，奈奎斯特曲线包含了(-1,j0)点，由奈奎斯特稳定判据，系统会失稳。根据之前的分析，单个逆变器失稳会影响并网点电压、电流的稳定性，进而导致其他并联逆变器及系统的失稳[12]。

3.4 多光伏逆变器并联系统稳定性分析

由于本文采用的阻抗分析法将逆变器等效电路视为一个无源网络，那么可将逆变器的等效阻抗视为其固有属性，即单个逆变器的等效阻抗不会因逆变器并联个数的增减而变化。因此多光伏逆变器并联后，阻抗分析法依然适用。

逆变器锁相环的设计一般是基于理想电网条件。若锁相环的设计是稳定的，则逆变器应该与理想电网同步稳定运行。逆变器并联后在公共耦合点(PCC)获得相同的电压进行同步。然而在弱电网条件下，电网阻抗不可忽视。PCC电压不仅决定于电网电压，也受电网阻抗Zg以及各逆变器注入电流的影响。在这种情况下，各逆变器的因为锁相环共用PCC电压而相互耦合。由此可见，这些锁相环的不稳定会使整个系统失去同步甚至崩溃。而根据上文的分析，只要改变逆变器的PLL参数设计就可以使系统稳定。

4 结论

本文提出了一种基于阻抗分析法来分析多逆变器并联接入弱电网的稳定问题。首先通过dq坐标下逆变器的小信号模型推导出逆变器等效阻抗，然后根据自动控制理论中的稳定判据，分析逆变器并联系统的稳定性。最后提出了调整逆变器锁相环的设计以使系统稳定的解决方案。仿真结果验证了理论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

作者简介：仲相成(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光伏并网技术及应用。

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

吕明珠(1980-),女,辽宁沈阳人，研究生学历,硕士学位，讲师，主要从事电气工程和自动控制领域的教学和研究； 刘世勋(1980-),男,辽宁沈阳人，研究生学历,硕士学位，工程师，主要从事机电产品的可靠性检测和研究。

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

国家自然基金项目(51277024)。

TM464

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