基于阻抗重塑的集中式光伏电站谐波抑制策略研究

郑 鑫，王若瀚

(1. 重庆高速工程顾问有限公司，重庆 401147；2. 国网重庆市电力公司，重庆 404100)

0 引 言

受中国能源分布的影响，集中式光伏电站主要分布在西北地区，如新疆、西藏、甘肃等地[1]。偏远的地理环境会使得集中式光伏电站需要通过较长距离的输电线路才能上网，源侧与网侧之间又会有各级变压器进行升压。目前的集中式光伏电站依靠由大量非线性的电力电子器件组成的光伏逆变器汇流输出，而光伏逆变器往往是在理想条件下设计的，其原有设计忽略了网侧、源侧间的结构，此时的并网系统阻抗结构是稳定的，输出谐波也在规定的范围内。但是，输电线路的阻抗以及各级变压器的存在将会改变原有并网系统的阻抗结构，这很可能会导致系统的稳态性能劣化，电站输出出现严重的谐波问题。

从实现途径看,对抑制策略的研究可分为系统控制策略改进与外接设备两类，但实质都是实现系统阻抗的匹配从而增强并网系统的稳定性。

在控制层面上：1)在系统阻抗网路中引入补偿环节，如文献[2]在电流环前向通道引入补偿环节，补偿开环传递函数的相位裕度，亦可在并网点电压前向通道处添加补偿环节，等效为重塑逆变器输出阻抗[3-6]；2)改进系统原有控制策略，即在设计逆变器时就将各类阻抗考虑在内，通过修改控制器参数或者采用极点配置等方法，实现零极点对消来增强逆变器稳定性[7-9]。上述研究均是针对单台或少量逆变器并网系统，并未充分考虑光伏电站的电气结构所带来的影响。

在外界设备层面上：文献[10-13]设计了一种混合有源电力滤波器接在电站母线处，可有效改善分布式电站输出电流的谐波问题，但是对于大型集中式光伏电站，电力滤波器的容量设计和成本又是不可忽视的问题。

根据上述研究现状，下面将充分考虑集中式光伏电站统一控制、集中管理的特点，提出一种基于阻抗重塑的谐波抑制策略，通过引入网侧电压前馈与输出电流反馈补偿环节以改善并网系统的阻抗特性，抑制谐波电流传输过程中的放大问题。

1 并网系统的谐波放大问题分析

研究对象为50 MVA容量的集中式电站，单台发电单元由光伏电池阵列、500 kW单极式三相LCL型并网逆变器以及0.27 kV/35 kV箱式变压器(以下简称箱变)组成，站内35 kV母线汇流发电单元输出，经站内主升压变压器(以下简称主升压变)送至110 kV电压等级电网。电气结构如图1所示。

图1 集中式光伏电站电气结构

对于谐波问题的研究，首先应进行并网系统的阻抗建模。图2是从图1中抽象等值后的具体阻抗模型，将源侧等效为诺顿等效电流源，网侧等效为戴维南等效电压源，变压器进行τ型等值，输电线路进行π型等值。

图2可经过电路变换进行简化，得到如图3所示的典型的诺顿等效电源与戴维南等效电源的互联阻抗模型。

图2 光伏发电系统具体阻抗模型

图3 光伏发电系统简化阻抗模型

图2与图3中各符号及含义如表1所示。

表1 电路各参数含义

注：下标1，…，n表示第i台发电单元，i=1，…，n。

表1中逆变器的输出阻抗Zs和诺顿等效电流源系数Gs与控制环节有关，图4为所研究的集中式光伏电站中光伏逆变器的电流环控制框图。

图4 逆变器电流环

Zs为该并网点电压upcc与输出电流i2的传递函数，等效电流源系数即为输出电流i2与iref的传递函数。

下面以电压Uo为节点列写节点电压方程，此时考虑n台发电单元运行。节点电压方程如式(1)所示。

(1)

式中，Yg-eq为等效戴维南电路导纳。又因为并联系统中任一台电单元(以第j台表示)诺顿等效电源满足式(2)。

Io，j=Geq，j-Yeq，jUo

(2)

通过消去节点电压Uo，可以得到第j台发电单元输出电流Io,j的表达式为

(3)

所研究集中式光伏电站入网电流的谐波问题，对发电单元间的电流没进行深入研究，因此对式(3)的Io,j进行求和，求得入网电流Ig为

(4)

假设各发电单元完全一致，则式(4)可简化为式(5)。

(5)

式(5)与式(2)均可看作典型诺顿等效电源关系式Ig=GUref- YUg的形式，这里将系数G称为集中式电站等效电源系数；系数Y称为电站与电网等效耦合导纳。可以看出，在电站容量确定时，系数G和Y只与系统阻抗有关。

利用Matlab对前面已建立的集中式光伏电站并网发电系统的等效阻抗模型进行频域分析。图5为系数G和Y随输电线路长度变化的幅频响应图。

图5 系数G和Y随输电线路长度变化的幅频响应

从图5中可以看出，由于各级变压器阻抗及线路阻抗的存在，系统阻抗模型中出现了谐振尖峰，并且尖峰会随线路长度增加而逐渐向低频端移动，图4也说明，谐波电流的各谐波频次会受到不同程度的放大影响。

2 谐波抑制策略对阻抗模型的影响

前面已经分析得知，抽象等效得出的如图3所示的系统阻抗模型存在着谐振尖峰，该尖峰会使得谐波电流传输过程中受到影响。因此，下面考虑在阻抗模型中引入新的阻抗来实现对系统的阻抗重塑。

在逆变器等效电流源输出端串联阻抗，该串联阻抗具备基波阻抗低、谐波阻抗高的特性，其作用是调节网侧谐波阻抗。同时在等效电流源输出端并联阻抗，该并联阻抗具备基波阻抗高、谐波阻抗低的特性，其作用是不影响入网基波电流，为谐波电流提供通路。图6为添加串并联阻抗后的并网发电系统阻抗模型。

图6 串并联阻抗后的并网系统阻抗模型及简化

图6中Zp_v为并联阻抗，Zs_v为串联阻抗，此时引入串并联阻抗后的源侧等效导纳Ys_eq与等效电流源系数Gs_eq，如式(6)、式(7)所示。

(6)

(7)

由于Zp_v与Zs_v具备相反的阻抗特性，利用二阶陷波器来构造串并联阻抗。该陷波器的传递函数GNf(s)如式(8)所示。

(8)

式中：s为复频域变量；fo为陷波器谐振点。

将fo设置到50Hz，设计串联阻抗Zs_v=rsGNf，设计并联阻抗Zp_v= rp/GNf，其中rs、rp为相应的串联、并联比例系数。图7为Zs_v与Zp_v的幅频响应伯德图。

从图7所示的幅频特性可以看出，引入的串并联阻抗能满足前面阻抗重塑所需的阻抗需求。按照式(6)、式(7)建立的数学模型，将原系统式(5)中的电流源系数Geq与输出导纳Yeq替换为式(6)、式(7)引入串并联阻抗后的等效电流源系数Gs_eq与等效输出导纳Ys_eq。对此时系统电站等效电源系数G、电站与电网耦合导纳Y进行幅频响应分析。如图8、图9所示。

图7 串并联阻抗的伯德图

图8 引入串并联阻抗后的等效电源系数G幅频响应

图9 引入串并联阻抗后的耦合导纳Y幅频响应

对比图5与图8、图9可以看出，引入了串并联的阻抗后，经校正的系统其入网电流的等效系数G与耦合导纳Y的幅值尖峰得到了有效抑制，G呈现一种接近理想电流源的特性，电站与电网耦合导纳Y的幅值也很低。这说明该策略可实现对系统的阻抗重塑，起到抑制谐波电流传输过程中受到放大影响的作用。

3 补偿环节设计

从控制层面来实现串并联阻抗的引入，通过在逆变器控制策略中添加补偿环节来等效实现在源侧输出端串并联虚拟的阻抗。

等效电流源输出端串并联阻抗后，可再次进行诺顿等效得到此时的发电单元阻抗模型，如图10所示。

图10 引入串并联阻抗后的源侧电路等效

(9)

对于补偿支路的选择，由于逆变器的输出阻抗由并联点电压upcc与输出电流i2的传递函数定义，因此与逆变器输出阻抗并联的虚拟阻抗可以通过引入电压upcc前馈支路来实现，同时在输出电流反馈支路上增加补偿环节以实现串联虚拟阻抗。

原有电流环采用网侧电流反馈与电容电流阻尼控制，在引入并联点电压upcc前馈支路与输出电流反馈补偿支路后，新的电流环控制框图如图11所示。

图11中，H1与H2均为需要设计的补偿环节。从图11中可化简出输出电流i2与参考电流iref的传递函数Gsv(s)，如式(10)所示。同时利用梅森公式化简出输出电流i2与并网点电压upcc的比值Ysv(s)，即为逆变器输出导纳，如式(11)所示。

图11 引入电压前馈与输出电流反馈补偿环节的电流环

(10)

(11)

(12)

式中的各多项式系数在式(13)中给出。

(13)

理论上，引入式(12)所示的补偿环节后，可等效为在原逆变侧系统阻抗模型中引入串并联虚拟阻抗。下面在图12所示的仿真模型中引入电压前馈补偿环节与输出电流反馈补偿环节，以进行谐波抑制效果验证。仿真参数如表2所示。

图12 集中式光伏并网发电系统仿真模型结构

表2 仿真参数设置

以图5中尖峰幅值较大的60km与80km为例，如图13为架空线路长度为60km时，引入虚拟阻抗前后入网电流波形对比。

图13 引入虚拟阻抗前后入网电流波形对比(架空线路长度60 km)

对图13进行快速傅里叶变换(fastFouriertransform，FFT)分析，结果见图14。

图14 引入虚拟阻抗前后入网电流频谱对比(架空线路长度60 km)

图15为架空线路长度为80km时，引入串并联阻抗前后入网电流波形对比。

图15 引入虚拟阻抗前后入网电流波形对比(架空线路长度80 km)

对图15进行FFT分析，结果见图16。

图16 引入虚拟阻抗前后入网电流频谱对比(架空线路长度80 km)

从上面结果对比中可以看出，引入串并联虚拟阻抗后，60km架空线路长度情况下入网电流总谐波畸变率由4.95%降至1.84%；80km架空线路条件下，入网电流总谐波畸变率含量从7.74%降至4.42%。入网电流波形畸变均有所改善，基波幅值均有所回升。结果说明，所设计的电压前馈与输出电流反馈补偿环节相当于在阻抗模型中引入串并联虚拟阻抗，可实现对系统阻抗的阻抗重塑，能有效地改善入网电流的谐波问题。

4 结 论

以50MVA的集中式光伏电站为研究对象，针对谐波电流在系统阻抗模型传输过程中会受到放大影响的问题，对谐波抑制策略进行研究，提出基于阻抗重塑的谐波抑制策略。该策略在逆变器原有控制策略中引入电压前馈与输出电流反馈补偿环节，相当于在系统原有阻抗模型基础上引入串并联虚拟阻抗，结果表明该策略可实现对系统的阻抗重塑，可有效抑制等效电源系数G和等效耦合导纳Y的幅值尖峰，起到改善谐波电流在传输过程中放大问题的作用。

值得注意的是，基于阻抗重塑的谐波抑制策略是建立在集中式光伏电站统一控制的特性上，倘若考虑站内线路距离、逆变器间差异，或者是分布式电站，该策略是否有效需进一步研究。同时所建立的集中式光伏并网发电系统模型，只考虑了网源侧以及之间的无源器件，系统谐波仅源自电站内部各发电单元，因此对于考虑系统其他负载谐波源以及电网背景谐波的情况，所提出的抑制策略的有效性还需进一步研究。