光伏并网逆变器的阻抗重塑与谐波谐振抑制

抑制

摘要：研究了并网逆变器的输出阻抗整形控制及其在抑制分布式光伏发电系统谐波谐振中的应用。首先，以一个典型的分布式光伏并网发电系统为例，定量分析了单个并网逆变器和多个并网逆变器两种情况下系统中串并联谐波谐振的机理和影响因素。其次，提出了一种能够重塑光伏并网逆变器高频输出阻抗的控制策略。并网电压/电流的基波分量经过基于二阶广义积分器的陷波滤波器滤波，再经过输出阻抗控制后反馈到其指令电流(或调制信号)，从而重塑并网逆变器的输出阻抗。当重构阻抗表现出足够的电阻时，可以有效抑制网络中的高频谐波谐振。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真结果和微网实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

关键词:分布式光伏；并网逆变器；虚拟阻力；网络阻抗重塑；串联谐波共振；共振阻尼

近年来，全球能源危机和环境问题日益严重，光伏等可再生能源越来越受到重视[1]。随着光伏电池成本的不断降低，并网光伏发电系统有望在未来电力系统中得到更广泛的应用[2]。然而，随着光伏普及率的不断提高，光伏并网逆变器给配电网的安全稳定和电能质量带来了巨大的挑战[3]。特别是在分布式光伏并网系统中，不断发现多个并网逆变器之间的相互作用会在配电网中引起串并联谐波谐振，在并网逆变器自身保护或配电网保护的参与下，甚至可能造成并网逆变器无故障跳闸，降低其并网发电能力和向用户供电的可靠性[4]。然而，作为一种典型的电力电子装置，光伏并网逆变器具有比传统同步发电机更快的瞬态响应速度和控制自由度。在先进控制策略的作用下，可以为配电网提供更加丰富的辅助服务，提高配电网的运行能力。

1光伏并网系统的串并联谐波谐振

1.1典型光伏并网发电系统

并网光伏系统的谐波谐振由谐振网络和激励源共同决定。一方面，分布式光伏并网逆变器连接在配电网相对较弱的一端，其网络阻抗复杂，可能隐含各种串并联谐振电路。另一方面，并网逆变器是典型的电力电子开关设备，其开关过程会带来丰富的谐波成分，可能会激发这些隐藏的串并联谐波谐振电路，导致配电网的谐振。

第I个分布式光伏并网机组或分布式发电机(DG)通过线路I连接到公共耦合点(PCC)，同时PCC与负载1、2相连，并通过Zg内阻抗连接到配电网。

1.2单个并网逆变器的谐波谐振分析

其中，DC/DC的升压电路在完成升压功能的同时，通过最大功率点跟踪(MPPT)实现光伏功率的输出。DC/AC控制DC总线电压恒定，并将光伏电池的输出能量馈入电网。其中:Upv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和电流；Udcref和Udc分别为逆变器dc电压的指令值和实际值；Uoabc为逆变器桥臂的平均输出电压；Uabc是PCC处的电网电压；锁相环用于提取电网电压的相位θ；1abc和i2abc分别为逆变器侧电流和电网侧电流，变流器侧电流i1abc用于反馈控制；L1和L2分别是LCL滤波器的逆变器侧和电网侧的滤波电感(L2也可能包括附在逆变器上的隔离变压器的漏电感和线路的电感)；c是滤波电容。大量研究文献从LCL滤波并网逆变器的传递函数得知，LCL滤波网络中有三个储能元件，其动态模型中存在一个高频共振峰，使得系统模型难以控制，可能导致并网电流谐振。

2并网逆变器输出阻抗的重塑

将滤波电感L1和电容C支路与相应的电阻串联或并联，可以有效地重塑并网逆变器的输出阻抗，从而抑制网络中可能出现的谐波谐振。但是，如果在这些支路中直接引入无源电阻，则会增加系统的损耗，降低系统的效率。此外，L1中的串联电阻或C支路中的并联电阻会改变并网逆变器的基波电流跟踪性能。在保证电力电子器件高速开关过程的前提下，并网逆变器比传统同步发电机具有更大的控制自由度和更灵活的控制策略。在并网逆变器的受控电源支路中引入额外的虚拟串联电阻R1和并联电阻Rpc，不仅可以重塑并网逆变器的输出阻抗，还可以

在不增加额外功率损耗的情况下改变分布式光伏发电系统的网络阻抗。因为传统并网逆变器的输出阻抗已经表现出足够的电感和电容。为了改变并网逆变器的输出阻抗特性，本文主要考虑引入虚拟电阻来重塑网络阻抗。

考虑两台并网逆变器(m=2)并联，L1串联电阻R1和C支路并联电阻Rpc重塑输出阻抗后，整个光伏发电系统的根轨迹发生变化。太小的R1和太大的Rpc将导致系统不稳定。结果表明，当R1 < 1.2Ω时，一对共轭复特征根进入右半平面，系统不稳定。当R1 > 1.2Ω时，特征根均位于左半平面，但过大的R1会衰减低频段的幅频特性。同样，当Rpc > 60Ω时，系统不稳定；当RPC小于60Ω时，可以获得良好的谐波谐振抑制能力。但电容并联电阻Rpc越小，低频带的衰减越剧烈，也会使工频基波电流的跟踪性能变差。虽然虚拟电阻可以避免额外的功率损耗，但虚拟电阻的直接引入不仅会抑制高次谐波谐振，还会引起工频基波电流分量的变化，从而影响并网功率的跟踪精度。因此，参考电路中的叠加原理，阻抗网络可以用频率来区分，引入的虚电阻只需要对网络中除工频以外的其他频率分量进行整形。基于叠加原理，分别考虑光伏并网逆变器的基波阻抗和高次谐波阻抗。对于基频，没有引入虚拟电阻，所以不影响并网功率跟踪。对于谐波频段，虚拟电阻R1和Rpc的引入可以有效抑制网络的谐波谐振。

并网逆变器与电网之间的谐振是由阻抗问题引起的，但系统的阻抗很难测量和预测，给理论分析和系统设计带来很大误差。因此，分析电网阻抗变化对并网逆变器输出阻抗控制性能的影响具有重要价值。考虑具有两台并网逆变器的微电网，以α11(s)的伯德图为例，微电网阻抗的变化对并联电阻R1的谐波谐振抑制能力影响不大，在Lg的大范围内所有谐波都能得到很好的抑制。

另一方面，虚拟电阻Rpc的性能对电网阻抗的变化很敏感。为了达到满意的谐振抑制效果，需要配合虚拟并联电阻R1。

基于上述虚拟电阻控制策略，并网逆变器的输出阻抗可以被整形。如果网络中每个光伏并网逆变器采用虚拟阻抗控制策略，可以有效改变配电网的网络阻抗，特别是可以增强网络的串并联电阻分量，抑制网络中高次谐波的串并联谐振。

3实验结果

为了验证上述模型和分析方法的正确性，在某高校微电网实验室的一条馈线支路上进行了实验研究。微网实验平台的详细接线图见文献[5]，其中馈线DB C6的接线包括两台额定功率为10kW的DG，电网线电压有效值和额定频率分别为190V和50Hz，电网电感Lg=3mH，DG的滤波电感和电容分别为L=0.5mH和C=20μF。

DG1和DG2并网有功和无功功率的指令分别为6kW/0var和4kW/0var，本地负荷为4kW左右的电阻性负荷。当DG投入改造控制时，通过在网络中引入足够的阻性阻尼元件，谐波谐振得到明显抑制，其中Rpc = 20Ω，R1 = 100Ω。

分析结果表明，在阻抗重构控制投入运行前，由于电网中存在谐波谐振，PCC处电压和iPCC网侧电流的THD分别为3.89%和13.65%，并且在26次谐波频率附近出现谐波谐振。阻抗重构控制投入运行后，PCC处电网电压和网侧电流的总谐波失真分别降低到1.86%和4.70%。虚拟输出阻抗可以有效增加谐波电路的阻尼，抑制谐波谐振的发生。

4结论

本文对分布式光伏并网系统中的谐波谐振进行了研究，提出了一种重塑光伏并网逆变器输出阻抗的网络阻抗控制策略。通过控制光伏并网逆变器的输出阻抗，定向改变并网系统的网络阻抗，从而有效抑制网络中可能出现的谐波谐振。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性，并得出以下结论:

1)提出的光伏并网逆变器输出阻抗重塑和网络阻抗控制可以有效改变网络的阻抗特性，并网逆变器可以向接入的分布式发电系统注入必要的虚拟电阻，可以有效抑制网络中可能出现的谐波谐振。

2)提出的阻抗整形控制策略是光伏并网逆变器附加的辅助控制功能，在不增加硬件投入的情况下，可以有效解决分布式发电系统和微电网中的谐波谐振问题。

3)除光伏并网逆变器外，所提出的控制策略还适用于其他带有并网逆变器单元的可再生能源或储能系统，可有效改善集中式或分布式光伏发电系统、有源配电网和微电网中的谐波谐振问题，有望在未来电力系统中得到广泛应用。

参考文献

[1] 杨新法，苏剑，吕志鹏，等．微电网技术综述[J]．中国电机工程学报，2014，34(1)：57-70．

[2] 刘吉臻．大规模新能源电力安全高效利用基础问题[J]．中国电机工程学报，2013，33(16)：1-8．

[3] 曾正，赵荣祥，汤胜清，等．可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(24)：1-12．

[4]汪海宁，苏建徽，张国荣，等．光伏并网发电及无功补偿的统一控制[J]．电工技术学报，2005，20(9)：114-118．

[5] 张国荣，张铁良，丁明，等．具有光伏并网发电功能的统一电能质量调节器仿真[J]．中国电机工程学报，2007，27(14)：82-86．