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【摘 要】 针对并网逆变器的输出阻抗重塑控制，及其在抑制分布式光伏发电系统谐波谐振中的应用进行研究。
【关键词】 分布式光伏；并网逆变器；串并联谐波谐振；谐振阻尼
引言
近年来，全球能源危机和环境问题日益加剧，光伏等可再生能源得到了越来越多的关注，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加广泛的应用。
一、光伏并网系统的串并联谐波谐振
1、典型光伏并网发电系统
以图1所示的光伏并网发电系统为例，第i台分布式光伏并网单元或称分布式发电机通过线路i连接到公共耦合点。同时，PCC处接有负荷1和2，且连接到内阻抗为Zg的配电网。
2、单台并网逆变器的谐波谐振分析
在图1所示光伏发电系统中，假设每台并网逆变器的详细控制框图均如图2所示。其中，DC/DC的Boost电路在完成升压功能的同时，通过最大功率跟踪控制实现光伏出力输出。DC/AC控制直流母线电压恒定的同时，将光伏电池的輸出能量馈送到电网。其中：Upv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和电流；Udcref和Udc分别为逆变器直流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为PCC处的电网电压；锁相环被用来提取电网电压相位θ；i1abc和i2abc分别为逆变器侧和网侧电流，且采用变流器侧电流i1abc反馈控制；L1和L2分别为LCL滤波器的逆变器侧和网侧滤波电感（L2也可能包括逆变器所附带的隔离变压器的漏感以及线路的电感）；C为滤波电容。大量的研究文献从LCL滤波并网逆变器的传递函数得知：LCL滤波器网络中存在3个储能元件，其动态模型中存在一个高频谐振峰，使得系统模型难于控制，并可能导致并网电流谐振。
3、多台并网逆变器谐波谐振的定量分析
由图3所示电路，可得滤波电感电流i1和并网电流i2与逆变器输出平均电压uo和并网点电压u之间的传递函数分别为
其中，Δ=Z1Z2+Z1Zc+Z2Zc。
不计并网电流的跟踪控制策略，可以得到并网逆变器的开环等效电路，。进而，可以得到光伏并网发电系统的开环等效电路模型。因此，若所有并网逆变器的参数都一致，在m（m>1）台并网逆变器的光伏发电系统中，由电路理论中的叠加原理，任意1台并网逆变器的网侧输出电流i2与其桥臂电压uo之间满足式中Na（s）为网络内的等效导纳。
二、并网逆变器的输出阻抗重塑
根据上述分析结果已经表明：在滤波电感L1和电容C支路串联或并联相应的电阻可以有效地重塑并网逆变器的输出阻抗，从而抑制网络内可能出现的谐波谐振，如图5所示。但是，若直接在这些支路引入无源电阻，会增加系统的损耗，降低系统的效率。此外，在L1串联电阻或在C支路并联电阻都会改变并网逆变器的基波电流跟踪性能。在电力电子器件高速开关过程的保障下，并网逆变器相对于传统同步发电机拥有更多的控制自由度和更加灵活的控制策略。如图6所示的控制策略，在并网逆变器的受控电源支路引入额外的虚拟串联电阻R1和并联电阻Rpc，在不增加附加功率损耗的情况下，不但可以重塑并网逆变器的输出阻抗，而且还能改变分布式光伏发电系统的网络阻抗。由于传统并网逆变器输出阻抗已经表现为足够的电感和电容性质。为了改变并网逆变器的输出阻抗特性，本文中的主要考虑引入虚拟电阻重塑网络阻抗。
三、仿真结果与分析
为了验证所提控制策略在光伏并网逆变器的输出阻抗重塑、配电网网络阻抗控制以及谐波谐振抑制中的应用，包含两台DG，LCL滤波器的设计可参考相关的研究。线路1、2的长度分别为0.1km和0.2km，对于低压线路，单位长度的感抗和电阻参数可选为X0=0.083Ω/km、R0=0.642Ω/km。仿真设置如下：0s仿真开始时，两DG和负荷1均断开，由电网向电阻为25Ω的负荷2供电；0.05s时，两DG并网运行且不进行输出阻抗重塑控制，DG1和DG2的并网有功和无功功率指令分别为6kW/0var、7kW/0var；0.1s时，投入阻值为40Ω的阻性负荷1，0.15s时切除负荷1，验证负荷对谐波谐振的抑制能力；DG1在0.2s时打开并联输出阻抗控制，引入虚拟电阻Rpc=20Ω；0.25s时，DG1再打开串联输出阻抗控制，引入串联虚拟电阻R1=80Ω；0.3s时，DG2打开虚拟阻抗控制R1=100Ω。
四、实验结果
为了验证前述模型和分析方法的正确性，笔者在微电网实验室的一条馈线支路上进行了实验研究，在微电网实验平台上，其中馈线DBC6的接线如图7所示。该馈线包含了两台额定功率为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，滤波电容支路的无源阻尼电阻取为Rc=4Ω。
DG1和DG2的并网有功和无功功率的指令分别为6kW/0var、4kW/0var，本地负荷约为4kW的电阻负荷。当DG不投入阻抗重塑控制时，PCC处的电压电流波形如图8所示。当DG投入重塑控制后，由于在网络内引入了足够的电阻性质的阻尼分量，使得谐波谐振得到了明显的抑制，其中Rpc=20Ω、R1=100Ω。
分析结果表明：投入阻抗重塑控制前，由于网络谐波谐振的存在，PCC处电压和网侧电流iPCC的THD分别为3.89%和13.65%，其中出现了26次谐波频率附近的谐波谐振。当投入阻抗重塑控制后，PCC处电网电压和网侧电流的THD分别降低为1.86%和4.70%。虚拟的输出阻抗能有效地增加谐波回路的阻尼，抑制了谐波谐振的出现。
结束语
综上所述，本文针对分布式光伏并网系统中的谐波谐振进行了研究，提出了一种光伏并网逆变器输出阻抗重塑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，定向改变其所接入的系统的网络阻抗，从而有效抑制网络内可能存在的谐波谐振。
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.
【关键词】 分布式光伏；并网逆变器；串并联谐波谐振；谐振阻尼
引言
近年来，全球能源危机和环境问题日益加剧，光伏等可再生能源得到了越来越多的关注，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加广泛的应用。
一、光伏并网系统的串并联谐波谐振
1、典型光伏并网发电系统
以图1所示的光伏并网发电系统为例，第i台分布式光伏并网单元或称分布式发电机通过线路i连接到公共耦合点。同时，PCC处接有负荷1和2，且连接到内阻抗为Zg的配电网。
2、单台并网逆变器的谐波谐振分析
在图1所示光伏发电系统中，假设每台并网逆变器的详细控制框图均如图2所示。其中，DC/DC的Boost电路在完成升压功能的同时，通过最大功率跟踪控制实现光伏出力输出。DC/AC控制直流母线电压恒定的同时，将光伏电池的輸出能量馈送到电网。其中：Upv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和电流；Udcref和Udc分别为逆变器直流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为PCC处的电网电压；锁相环被用来提取电网电压相位θ；i1abc和i2abc分别为逆变器侧和网侧电流，且采用变流器侧电流i1abc反馈控制；L1和L2分别为LCL滤波器的逆变器侧和网侧滤波电感（L2也可能包括逆变器所附带的隔离变压器的漏感以及线路的电感）；C为滤波电容。大量的研究文献从LCL滤波并网逆变器的传递函数得知：LCL滤波器网络中存在3个储能元件，其动态模型中存在一个高频谐振峰，使得系统模型难于控制，并可能导致并网电流谐振。
3、多台并网逆变器谐波谐振的定量分析
由图3所示电路，可得滤波电感电流i1和并网电流i2与逆变器输出平均电压uo和并网点电压u之间的传递函数分别为
其中，Δ=Z1Z2+Z1Zc+Z2Zc。
不计并网电流的跟踪控制策略，可以得到并网逆变器的开环等效电路，。进而，可以得到光伏并网发电系统的开环等效电路模型。因此，若所有并网逆变器的参数都一致，在m（m>1）台并网逆变器的光伏发电系统中，由电路理论中的叠加原理，任意1台并网逆变器的网侧输出电流i2与其桥臂电压uo之间满足式中Na（s）为网络内的等效导纳。
二、并网逆变器的输出阻抗重塑
根据上述分析结果已经表明：在滤波电感L1和电容C支路串联或并联相应的电阻可以有效地重塑并网逆变器的输出阻抗，从而抑制网络内可能出现的谐波谐振，如图5所示。但是，若直接在这些支路引入无源电阻，会增加系统的损耗，降低系统的效率。此外，在L1串联电阻或在C支路并联电阻都会改变并网逆变器的基波电流跟踪性能。在电力电子器件高速开关过程的保障下，并网逆变器相对于传统同步发电机拥有更多的控制自由度和更加灵活的控制策略。如图6所示的控制策略，在并网逆变器的受控电源支路引入额外的虚拟串联电阻R1和并联电阻Rpc，在不增加附加功率损耗的情况下，不但可以重塑并网逆变器的输出阻抗，而且还能改变分布式光伏发电系统的网络阻抗。由于传统并网逆变器输出阻抗已经表现为足够的电感和电容性质。为了改变并网逆变器的输出阻抗特性，本文中的主要考虑引入虚拟电阻重塑网络阻抗。
三、仿真结果与分析
为了验证所提控制策略在光伏并网逆变器的输出阻抗重塑、配电网网络阻抗控制以及谐波谐振抑制中的应用，包含两台DG，LCL滤波器的设计可参考相关的研究。线路1、2的长度分别为0.1km和0.2km，对于低压线路，单位长度的感抗和电阻参数可选为X0=0.083Ω/km、R0=0.642Ω/km。仿真设置如下：0s仿真开始时，两DG和负荷1均断开，由电网向电阻为25Ω的负荷2供电；0.05s时，两DG并网运行且不进行输出阻抗重塑控制，DG1和DG2的并网有功和无功功率指令分别为6kW/0var、7kW/0var；0.1s时，投入阻值为40Ω的阻性负荷1，0.15s时切除负荷1，验证负荷对谐波谐振的抑制能力；DG1在0.2s时打开并联输出阻抗控制，引入虚拟电阻Rpc=20Ω；0.25s时，DG1再打开串联输出阻抗控制，引入串联虚拟电阻R1=80Ω；0.3s时，DG2打开虚拟阻抗控制R1=100Ω。
四、实验结果
为了验证前述模型和分析方法的正确性，笔者在微电网实验室的一条馈线支路上进行了实验研究，在微电网实验平台上，其中馈线DBC6的接线如图7所示。该馈线包含了两台额定功率为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，滤波电容支路的无源阻尼电阻取为Rc=4Ω。
DG1和DG2的并网有功和无功功率的指令分别为6kW/0var、4kW/0var，本地负荷约为4kW的电阻负荷。当DG不投入阻抗重塑控制时，PCC处的电压电流波形如图8所示。当DG投入重塑控制后，由于在网络内引入了足够的电阻性质的阻尼分量，使得谐波谐振得到了明显的抑制，其中Rpc=20Ω、R1=100Ω。
分析结果表明：投入阻抗重塑控制前，由于网络谐波谐振的存在，PCC处电压和网侧电流iPCC的THD分别为3.89%和13.65%，其中出现了26次谐波频率附近的谐波谐振。当投入阻抗重塑控制后，PCC处电网电压和网侧电流的THD分别降低为1.86%和4.70%。虚拟的输出阻抗能有效地增加谐波回路的阻尼，抑制了谐波谐振的出现。
结束语
综上所述，本文针对分布式光伏并网系统中的谐波谐振进行了研究，提出了一种光伏并网逆变器输出阻抗重塑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，定向改变其所接入的系统的网络阻抗，从而有效抑制网络内可能存在的谐波谐振。
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.