光伏逆变器接入弱电网运行的稳定性问题分析

吴 薇，赵书健，段双明，贾 祺，曲 翀

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网辽宁省抚顺供电公司，抚顺 辽宁 113000)

太阳能作为一种清洁可再生能源，以其环保、分散等优点成为了新能源中的重要角色，而对太阳能的利用又以光伏发电的形式最为广泛.受资源禀赋的约束，我国大规模光伏电站多数位于负荷较低、电网结构薄弱的中西部地区.在并网光伏发电系统中，逆变器是尤为关键的一环.随着远距离电网末端光伏逆变器并网数目的增多、单机容量的加大，其控制随之变得复杂，稳定运行会受到威胁，若不有效解决逆变器运行失稳问题，将会对电网电能质量产生有害影响.

传统逆变器在设计时将电网视为理想电压源，但在弱电网中传统电网模型将不再适用.这时通常将网侧经戴维南等效为理想电压源串联等值阻抗[1].由于阻抗的存在，交直流系统中功率传输环节的电路参数发生改变，从而使运行电压波动；此外系统控制部分的结构和参数在反馈作用下也会发生改变，造成控制系统不稳定；而高电网阻抗则容易导致谐波共振和电网电压波形畸变.这些问题都会对逆变器的稳定运行产生不利影响.同时，通过弱交流电网的主要电气特性还有低短路比[2]，即电网的短路承载力低，负荷变化容易引起电网电压波动，进而影响系统稳态和暂态性能.

逆变器接入弱电网时，其高电网阻抗和逆变器的输出阻抗容易产生电压谐振现象，使电网电压波形畸变，导致锁相环精度降低，同时会影响到逆变器直流母线电压控制和并网点电压质量.为此，本文在现有研究基础上，首先分析锁相环的工作原理，介绍抑制锁相环失稳的相关控制策略，给出了同时满足跟踪精度和响应速度的软件锁相方案；然后对直流侧母线电压失稳、公共耦合点电压升高、逆变器并网点谐振等不稳定现象的发生机理进行了有益探讨，说明了研究抑制逆变器控制器失稳控制策略的重要性.

1 锁相环失稳机理和锁相方案研究

并网逆变器运行过程中，为了控制逆变器有功功率和无功功率，实现并网逆变器与电网同步运行，须使逆变器能够跟踪电网电压的相位信息，通常采用锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)技术实现这一点.为了使逆变器稳定运行，必须提高锁相环的稳态精度和动态响应速度，以减小电网阻抗和电压谐波对逆变器控制性能的影响[3～4].

图1 硬件锁相环原理图

图2 基波电压信号与含有谐波的 电压信号过零点示意图

图3 SRF-SPLL矢量图 V—实际电压矢量；Vpll—锁相环输出电压矢量； θ—实际电压矢量角；θpll—锁相环输出电压矢量角

1.1 基于电压过零点检测的硬件锁相环

在锁相环发展历程中，早期三相逆变器和单相逆变器通常应用硬件锁相环跟踪电网电压频率及相位.理想电网情况下，锁相环可以用硬件电路检测电压过零点的方法实现，其原理如图1所示.电压互感器输出的交流电压信号经带通滤波器滤除高低频干扰信号后，输入电压比较器，与中点电压比较后，输出方波信号.方波信号的上升沿与交流电压信号的正过零点相位相同，CPU利用查询或者中断方式检测方波信号上升沿，记录方波信号上升沿时刻，得到正弦信号的周期，计算出信号的相位等各类信息，从而实现对交流电压锁相的目的.

但当电网电压谐波含量较多时，电压信号过零点的相位与基波分量的相位不完全一致，硬件锁相环会使过零点检测到的相位信息存在误差.如图2所示，W1为基波电压信号，W3为含有谐波分量的电压信号，由图2中箭头指示可以看出，二者基波分量虽然相同，但过零点位置不同.此外，滤波电路对不同频率的信号会产生不同的相移，当电网频率改变时，锁相环电路输出的方波信号与输入交流信号会有相位差，故硬件锁相环在弱电网条件下不能准确反映原始交流信号的相位信息.

1.2 同步坐标系软件锁相环

同步坐标系软件锁相环(Synchronous Reference Frame Phase Soft Locked Loop，SRF-SPLL)是三相电网电压锁相的常用方法，采用同步坐标系锁相控制结构，用于电网电压的相位、频率及幅值检测[5～7].

图3为SRF-SPLL矢量示意图.若矢量Vpll和V完全重合，这时锁相环输出的电压矢量角θpll等于实际电压矢量角θ，锁相环处于准确锁相状态.当电网受到扰动使电压相位突变时，矢量Vpll将偏离矢量V，导致锁相不准确.因此，必须采取适当的闭环控制以保证锁相环输出角度θpll等于θ[8].

图4 SRF-SPLL控制原理图 ωff—电网电压的额定角速度；ω0—Vpll的旋转角速度

SRF-SPLL的基本控制原理如图4所示.在同步旋转坐标系中，根据锁相环的功能要求，必须使矢量Vpll和V完全重合，以实现准确锁相.首先将电压信号由三相静止abc坐标系变换成两相同步旋转dq坐标系，然后控制矢量Vpll在q轴的投影等于0，即可实现准确锁相.因此，将Vpll在q轴的分量Vq进行PI调节，即可使Vq趋于零，实现锁相.图中ω0经积分后，输出Vpll的相位信息θpll.

理想电网情况下，SRF-SPLL可以准确快速地实现锁相，输出电网电压的频率和相位信息.当电网电压中含有谐波时，可以通过降低SRF-SPLL的带宽来减小谐波对锁相精度的影响[11～12]，但动态响应速度会受到影响，也不能够实现电网阻抗高时的锁相.

1.3 不同锁相环方案的比较

上述两种锁相方案在理想情况下，会具有良好的相位跟踪特性.但当逆变器接入弱电网时，会导致锁相环精度降低甚至锁相失效，进一步恶化电能质量[9]，因此需研究更有效的方式提高锁相性能.

(1)解耦双同步参考坐标系软件锁相环

为了在锁相效果和动态响应速度方面进行折中，文献[10]提出基于正序dq轴分解的解耦双同步参考坐标系软件锁相环(Decoupled Double Synchronous Reference Frame Soft Phase-Locked loop，DDSRF-SPLL)方法，DDSRF-SPLL能同时测量正序负序分量，还能有效解决电网不平衡时同步信号检测不精准的问题.

(2)双二阶广义积分器软件锁相环

文献[11]利用双二阶广义积分器软件锁相环避免了双同步坐标系的复杂性.采用双二阶广义积分器得到和电网电压正交的90°移相信号，先进行正负序分解避免二倍工频分量的产生，然后进行dq变换以消除负序分量的影响[12～13].但是由于测量误差、数据转换等使电网参量估计不准确而造成电压偏移后，这种方法也依然有疏漏.

(3)多同步参考坐标系软件锁相环

文献[14]借鉴永磁同步电机驱动中应用的多同步参考坐标系分解方法，提出一种解耦多同步参考坐标系软件锁相环(Decoupled Multi-Synchronous Reference Frame Soft Phase-Locked Loop，DMRSF-PLL)方法，在消除电网电压负序分量和主要低次谐波分量对同步性能影响的同时，不牺牲动态响应速度，实现准确快速提取同步信号[15～17].

综合上述，采用多同步参考坐标系锁相方案能够实现逆变器并入弱电网后对电网电压相位信息的跟踪.

2 并网逆变器运行稳定性分析

2.1 逆变器直流母线电压控制失稳机理研究

图5所示联网逆变器中，通过控制逆变器输出功率，使电容C的流出功率Pout等于流入功率Pin，达到控制直流母线电压恒定的目的.当逆变器接入弱电网时，公共耦合点的电压对直流母线输出的有功功率很敏感，直流母线输出功率的快速变化会导致公共耦合点处电压波动[18～22].反之，公共耦合点电压波动使逆变器输出有功功率偏离期望值，流入和流出电容的功率不再平衡，进一步影响直流母线电压控制效果，使直流母线电压瞬间升高或者降低，严重时，会击穿直流母线电容[23～27].

图5 逆变器直流母线功率控制示意图

光伏逆变器接入弱电网时，同样存在上述直流母线电压突变和公共耦合点电压波动问题，研究人员已经对该问题进行了一些研究.文献[28]基于一个工频周期内能量守恒原则，提出一种直流母线电压改正法，但是该方法需要用一个工频周期才可以纠正母线电压，时间周长较长.文献[29]提出一种基于类似能量守恒的直流母线电压控制方法，所提出的控制方法在每半个工频周期内，根据逆变器交流输出能量等于光伏电池输出能量与直流侧电容存储能量之和，得到一个更加快速高效的直流母线电压控制器.综合上述，半工频周期的直流母线电压控制器可以满足弱电网条件下的直流母线电压控制.

2.2 逆变器并网点电压升高机理分析

传统电力系统输配电网设计为发电单元到负荷的单向输配电系统，大规模光伏逆变器接入电网运行时，可能会改变功率流动方向，导致光伏发电系统公共耦合点电压升高[30～35].公共耦合点电压升高时，逆变器为了跟随电网电压，须增加调制比或者提升直流母线电压[27].当调制比大于1时，输出波形会失真，而提升直流母线电压会使直流元器件耐受较高电压，降低工作寿命，严重时会击穿直流元器件.

图6 逆变器离网和并网运行时的公共耦合点电压

图7 风机变流器接入动模实验室并网点电压波形

如图6所示，基于PSCAD仿真平台对T型三电平逆变器分别进行离网和并网的仿真，仿真结果表示了逆变器接入电网后的并网点电压幅值由离网时的308V升高到了并网时315V.电压升高影响了公共耦合点的电能质量，不利于负载的安全稳定运行.为了降低电网电压上升对电能质量的影响，有必要控制公共耦合点的电压.只依靠传统电力系统的电压调节方式，不能完全有效、经济地解决公共耦合点电压升高的问题，必须结合光伏逆变器自身的控制功能解决这一问题.

文献[36]通过电力系统功率传输理论，分析了光伏发电系统并网引起的公共耦合点电压升高的原因，并分析了相应的电压调整原理和策略，针对光伏发电系统基于有功功率和无功功率的电压升高调整策略做了研究，提出基于瞬时电压-电流的电压调整策略，并进行了实验验证.实验测得实验室光伏逆变器离网时，公共耦合点电压为389.5 V，当逆变器并网运行，输出7 kW有功功率时，公共耦合点电压为391 V，逆变器并网运行前后，电网电压差为1.5 V，验证了该电压调整策略的有效性.

2.3 逆变器并网点谐振机理分析

为了实现逆变器容量的优化配置和提高最大功率点跟踪效率，以及故障冗余运行，越来越多的光伏电站采用多逆变器并联接入电网的运行方式.由于并网光伏电站容量的增加，并网逆变器数量和容量也随之增加，使得电网等效感抗增加，加大了逆变器并入弱电网运行的难度[37～39].同时，由于到达电网末端的输电线路长，变压器容量不一致，负载多样化等原因，使得电网等效电抗随之变化.并网逆变器通常采用LCL滤波器，当电网等效电抗增大时，谐振频率下降，谐振现象明显，谐振引起的并网点电压波形畸变进一步恶化逆变器的控制[40～44].

图7为30 kW风机变流器接入弱电网时，并网点电压波形.图7(a)为变流器离网时交流侧电压波形，图7(b)为变流器并网时交流侧电压波形，可以看出，变流器并网时交流侧电能质量下降，有谐波产生，图7(c)的FFT分析结果显示低次谐波含量最多.

针对这一问题，研究人员进行了研究.文献[45]以弱电网为研究背景，分析了输电线路感性电网阻抗对多个并联光伏逆变器LCL谐振特性的影响，给出多个并联逆变器的控制模型，分析了电网阻抗和并联逆变器数目变化对并联逆变器动态响应和运行稳定性的影响.文献[46]利用谐振时并网点电压畸变的特点，提出一种基于并网点电压反馈控制的谐振抑制方法，将并网点电压引入到闭环控制中，在抑制入网电流谐振的同时也稳定了并网点电压，并且具有降低逆变器入网电流低频谐波含量的作用.此方法所依赖的电压是逆变器本身需要检测的并网点电压，不需要额外增加成本，也没有引入电压微分项带来的高频干扰，是抑制谐振可以采取的较好控制方法.

3 结 语

本文对逆变器接入弱电网后的稳定运行问题进行了探讨.首先对锁相环失稳机理进行研究，对锁相方案进行了分析和比较，给出既不牺牲跟踪精度又有较快响应速度的基于同步坐标系的锁相方案.针对逆变器控制失稳问题，对直流母线的失稳机理、交直流系统公共耦合点电压升高机理、逆变器产生低频谐振机理进行了研究，分别给出有效的解决方案.基于本文研究工作，下一步研究应更深入细化地探讨弱电网的高阻抗特性对逆变器产生的影响，设计出经济性强、可行性高的逆变器控制策略，改进系统稳定性，提高光伏发电渗透率.

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