光伏并网发电系统的稳定性研究综述

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(1.国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113006；2.国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁 阜新 113006；3.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110000)

光伏并网发电系统的稳定性研究综述

叶德武1,孟德全2,朱锐超3,宋扬1,方勃1，张福峰1,徐恩泽1

(1.国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113006；2.国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁 阜新 113006；3.国网辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110000)

大规模光伏发电的快速发展是缓解能源危机和降耗去霾的有效手段。而随着光伏并网规模的不断扩大，接入电网条件也愈发苛刻。鉴于逆变器在不同电网条件下，其各部分均受到一定程度的影响，进而会引起系统稳定性问题。本文从从逆变器本身和接入电网两方面来阐述输出滤波器、锁相环、数字延时和弱电网对光伏并网发电系统稳定性的影响。

并网稳定性;锁相环;数字延时;弱电网

1 引言

近年来，化石燃料的过度消耗不仅引发能源危机，而且造成了环境污染和气候变化等问题。光伏发电拥有无噪音、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点[1]，使其成为新能源开发、利用领域研究的重点。数据显示，2014年中国非化石能源占一次能源消费比重达到11.2%，光伏装机达到2805万千瓦；2015年全球光伏发电累计安装量为223.2GW。并且“十三五”规划已经确定2020年光伏发电规模目标，从之前的1亿千瓦上调50%到1.5亿千瓦。在促进节能减排的道路上，光伏发电将继续发挥重要作用。

随着光伏并网发电系统规模的不断扩大，大量电力电了装置的使用给电网带来谐波污染问题加剧，使得接入电网含有大量的背景谐波。并且，大规模光伏电站通常位于西北地区，所发出的电能需通过长输电线路、多级升压接入地区电网。随着光伏所发电能的渗透率不断提高，光伏并网发电系统的等值阻抗不断减小至与电网阻抗相当时，接入电网将呈现弱电网特征。电网阻抗的存在会导致并网电流谐波含量增大，电流波形畸变严重。同时谐波电流会致使并网点电压质量恶化，严重时可能造成并网逆变器的脱网，制约着光伏发电系统的并网规模。综合考虑，在接入电网具有背景谐波、三相电压不平衡、弱电网等条件下，研究逆变器在不同电网条件下运行稳定性尤为重要。本文主要从逆变器本身和接入电网两方面来阐述输出滤波器、锁相环(Phase-locked Loop,PLL)、数字延时和弱电网对光伏并网发电系统稳定性的影响。

图1 单级式三相联网光伏逆变系统结构图

2 滤波器对光伏并网发电系统稳定性的影响

为了抑制光伏发电系统输出电流中的大量谐波，优化并网电能质量，通常需要添加额外的滤波装置来降低谐波含量，以满足光伏发电并网标准(IEEE519 Std)中对电能质量的约束要求。最常用的逆变器输出滤波器就是单电感L滤波器，但是在大容量光伏发电系统中载波周期不宜过高，在满足给定的滤波要求时，所需要的电感L将会非常大，这将增大并网逆变装置的体积和成本。相比之下，LCL型滤波器在大功率场合应用中具有明显的优势，首先LCL对高频抑制效果比较；其次，在满足相同的滤波要求时，LCL型滤波器较可以有效减小所需滤波的总电感值，减小其体积和重量。但是LCL是一个三阶不稳定系统，很容易诱发谐振[2]。

研究表明：光伏发电系统经滤波器柔性接入弱电网时，LCL滤波器对电网阻抗特别敏感，电网等值输入阻抗将会影响滤波器滤波特性和联网系统运行稳定性[3-5]。文献[3]从提高光伏逆变器对接入条件的适应性角度，分析了光伏并网逆变器LCL滤波器的设计需要折中考虑滤波性能好坏和谐振稳定性。文献[4]提出了LCL无源网络模型，并用以描述分布式发电系统中多逆变器谐振问题。文献[5]推导了光伏并网发电系统的特征方程，并利用RouthHurwitz判据分析了LCL滤波器对系统稳定性影响。根据上述描述和分析知，滤波器对系统稳定性会产生一定的影响。

3 锁相环(PLL)对光伏并网发电系统稳定性的影响

在并网逆变系统中，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，来控制逆变器和电网保持同步。目前，实现锁相的方法有很多，如过零点比较法、基于低通滤波器锁相法和d-q变换同步锁相环法等。其中，d-q变换同步锁相环法具有简单、能够抑制电网谐波干扰等优点，在分布式发电系统中得到广泛的应用。然而，当接入电网含有丰富的背景谐波和三相电压不平衡时，会导致锁相精度变差，进而引起光伏并网发电系统稳定性问题。文献[6]分析了三相电压不平衡对锁相算法的影响，通过时域响应分析方法，研究锁相环性能变差对光伏并网发电系统的影响。文献[7]提出了一种可变采样周期的锁相环，该方法的实现要求采样频率可变，对固定采样频率的系统不适用。在此基础上，文献[8]指出，在电网不平衡时，锁相环必须能够快速准确的检测电网电压中正序分量的频率/相位信息从而提高系统的稳定性。所以，在不同电网条件下，分析锁相环性能及其对系统稳定性影响对光伏并网规模的扩大至关重要。

4 数字延时对光伏并网发电系统稳定性的影响

模拟控制存在控制环节复杂、器件参数易受外界条件影响等缺点，所以很多电源开始采用数字控制技术，然而数字控制带来一个新的问题:模/数采样环节和控制环节存在延时。逆变系统延时会导致当前周期输入的PWM控制信号只能在连续的下个周期起作用式(1)给出了延时环节的传递函数。

Gdel(s)=e-τs

(1)

式中：τ为延时时间，即一个开关周期。取开关频率为18kHz，代入式(1)得:

Gdel(s)=e-5.56×10-5s

(2)

图2给出式(2)对应的Bode图。

图2 Gdel(s)的伯德图

从图2中可以看出，Gdel(s)在较低的频率范围内增益为0dB，所以当系统增加延时环节后，在较低的频率范围内延时环节的增益基本不发生变化。然而从图2可知Gdel(s)的相位角度逐渐减小，从而使得系统相位裕度减小。假设原系统穿越频率为ω，则增加延时环节后光伏并网发电系统相位裕度减少量为:

(3)

所以，当逆变器采用数字控制时，延时环节会减少系统的相位裕度，从而降低系统的稳定性。文献[9]认为逆变侧电感电流控制下，要保证系统稳定运行需要尽可能地提高开关频率，并提出通过改变开关频率保证系统定。本文以逆变侧电感单电流环控制为例，分别在模拟域和数字域下分析了系统稳定性。文献[6]在模拟域和数字域下分析结果的对比表明延时对系统稳定性影响大，在此基础上，分析了保持系统稳定的延时时间范围。

5 弱电网接入条件对光伏并网发电系统稳定性的影响

通常，基于理想电网条件设计的联网光伏逆变系统对这些谐波具有良好的抑制作用。然而，对于大规模光伏电站接入弱电网的现实场景，电网阻抗的存在会降低光伏并网发电系统的谐波抑制性能，导致并网电流谐波含量增大，同时电网阻抗与并网系统容易形成谐振，从而形成一定频率的高次谐波，最终可能导致并网电流总谐波畸变率不满足并网要求。同时谐波电流在电网阻抗上形成谐波电压致使并网点电压质量恶化，进而影响并网逆变器的控制精度，严重时可能造成并网逆变器的脱网，制约着光伏发电系统的并网规模。文献[10]指出电网阻抗主要来源于3个方面:电网内部阻抗、传输线路阻抗和变压器阻抗。电网阻抗与逆变器输出阻抗的相互作用和其对输出滤波器的影响将可能导致系统稳定性问题。文献[11]针对单相联网光伏逆变器在弱电网条件下，由于电网阻抗的存在造成公共接入点电压波形畸变，使得电压过零点检测不准确，从而导致锁相环节出现差错。文献[12]在考虑电网阻抗情况下对联网光伏逆变系统进行了小信号建模，利用特征值分析了系统遭遇小干扰后的稳定性，采用参与因子分析了系统状态变量的灵敏度，通过分析特征值轨迹设计了其控制器参数。综上所述，如何分析电网接入阻抗值对并网光伏发电系统运行稳定性的影响，以及如何松弛联网光伏逆变器控制策略来提高联网逆变系统的稳定裕度，是一个值得研究的问题。

6 结论

本文研究光伏并网发电系统的稳定性问题及其解决办法的技术现状，结论如下:

从逆变器自身来看，逆变器的输出滤波器、锁相环和数字延时对系统的运行稳定性影响显著。从改善系统稳定性的角度，研究滤波器参数优化设计，提高锁相环锁相精度和优化数字控制延时调整才能有效解决光伏并网面临的稳定性问题；从接入电网条件来看，考虑电网阻抗对逆变器各环节的影响，有针对性的提出解决方案至关重要。

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ResearchontheStabilityofMultiPVInvertersConnectedtoWeakGridBasedonImpedanceAnalysis

YEDe-wu1,MENGDe-quan2,ZHURui-chao3,SONGYang1,FANGBo,ZHANGFu-feng1,XUEn-ze1

(1.Fushun Power Supply Company,Liaoning Electric Power Company Limited,State Grid,Fushun 113006,China;2.Fuxin Power Supply Company,Liaoning Eleltric Power Company Limited,State Grid,Fuxin 113006,China;3.Liaoning Branch Office of Electric Power Co.,Shenyang 110000,China)

The rapid development of large-scale photovoltaic power generation is an effective means to alleviate the energy crisis and saving haze.With the continuous expansion of photovoltaic grid-scale,grid access conditions are increasingly demanding.Given the inverter under different grid conditions,its parts are subject to a certain extent,and thus can cause stability problems,this paper to illustrate both from itself and connected to the grid inverter output filter,PLL impact of digital delay and weak grid PV power grid system stability.

network stability;phase locked loop;digital delay;weak grids

1004-289X(2017)02-0004-03

TM71

B

2016-01-07

叶德武(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光伏并网技术及应用；孟德全(1988-)，男，助理工程师，主要研究方向为新能源并网技术；朱锐超(1988-)，男，助理工程师，主要研究方向为新能源并网技术。