CN104078974B - 一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，构建光伏电站输电系统电气模型；利用所述光伏电站输电系统电气模型，计算光伏电站h次谐波传输系数并分析是否发生谐振；基于传统注入式混合有源电力滤波器IHAPF，提出一种谐振抑制方法，实现谐振的抑制。本发明可以为百兆瓦级光伏电站及输电系统规划设计、评估电网接纳光伏电站的能力、大型光伏电站电能质量综合治理等课题提供理论依据。

Description

一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电及输电技术领域,特别是一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法。

背景技术

《全球新能源发展报告2014年》指出：2013年全球总发电22513.8TWh，同比增长4.3％。尽管化石燃料发电量占全球总发电量比重的70％，但新能源发电依然延续了高速增长的趋势，年发电量同比增速达到13％，占全球发电量总额的5.2％。2013年全球光伏市场的新增装机容量达到38.7GW，累计装机容量达到140.6GW，其中中国新增装机容量为12GW，同比增长了232％，接近欧洲2013年新增装机容量总和。近期发布的《2013中国光伏产业发展报告》显示，中国2012年的光伏电站投资总额在450亿元左右，到2015年预计达到1000亿元，这无疑是一个巨大的市场。据此分析，全球光伏市场从以欧洲为核心区域逐步向亚洲转移，中国超越德国，首次成为全球第一大光伏市场。

以上数据表明，光伏产业不论是在中国还是全球范围内正在经历爆发式增长的黄金期。光伏并网发电系统可以按照电网接入点分为配电侧(低压400V/230V)系统及输电侧(10kV/35kV/110kV)系统。前者一般安装在声调中，也称为分布式发电系统，特点为：1)电流双向流动，可自发自用，也可并网发电；2)大部分为自发自用；3)大部分安装于建筑物上，安装功率受建筑类型限制。后者一般安装于不能用于农田或建筑的开阔地、戈壁或荒漠中，特点为：1)并入高压电网；2)不能自发自用，电站自用电从电网取；3)功率较大，从1MW至数百MW不等；4)一般无人值守，易于维护，带有气象及运行数据自动监控系统及远程数据传输系统。

后者相比小型并网光伏系统或离网光伏系统具有效率高、易于维护等优点，是规模化集中利用光伏资源的最有效方式。典型的集中式地面光伏系统拓扑结构参见图1。电站主要由多台发电单元、升压变压器、自用负荷、无功补偿装置等部分构成，每台发电单元由两台500kW光伏逆变器及一台双分裂变压器构成，额定功率为1MW。多台发电单元在35kV母线汇流后经过升压变升到110kV或更高电压等级，通过长距离输电线路送至大电网。

由于输电线路呈感性，当光伏输出大量有功电流时，会造成光伏电站并网点电压降低，因此大型光伏电站一般配置有SVC/SVG等无功补偿装置，一方面补偿升压变及站内输电线路无功消耗，另一方面稳定并网点电压。无功补偿容量一般按照光伏总装机容量的20％配置。

相比于小容量系统中的逆变器，大型光伏电站用逆变器特点如下：

1)为提高效率，一般取消直流侧升压电路，通过光伏电池的串联来提高光伏阵列的开路电压，使满足最大功率点跟踪工作电压范围；

2)逆变器容量较大(250kW-700kW)，开关频率较低(低于3kHz)。

3)只输出有功功率，实现单位功率因数并网。

大型光伏电站的这些特点使其谐波输出特性异于传统谐波源。具有如下特殊性:

1)高次、宽频域性。谐波频率范围即包括3、5、7、9等低次，也包括调制过程产生的高次谐波(20-50次)，频带范围较宽。

2)随机波动性。谐波幅值波动范围较大，由光伏板温度及辐照度等外部因素决定。

3)高压渗透性。大型光伏电站是为数不多的高压用户，其谐波将高压系统向其它电压等级渗透，影响接入系统的其它用户。

光伏电站输电网络中包括容性无功补偿装置SVC/SVG,包括远距离输电线路。容性无功补偿装置及线路分布电容等都易于对光伏电站谐波产生谐振放大。

对光伏电站的分析中，以基波有功出力为主，谐波分析非常少；现有的光伏电站输配电系统的建模中，输电线路的分布电容参数往往被忽略。线路分布电容易于对宽频域谐波产生谐振，现在抑制方法为补偿线路分布电容，一般采用并联无源滤波器来实现，无源滤波器虽然成本低，但本身也会引起谐振，可能会放大低次谐波，引入新的谐振点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，定量分析光伏电站输电网络对谐波的谐振特性，并抑制这类谐振。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，包括以下步骤：

1)构建光伏电站输电系统电气模型；

2)利用所述光伏电站输电系统电气模型，计算光伏电站h次谐波传输系数

其中，为光伏电站输出的谐波电流；为注入电网的谐波电流；为光伏电站升压变压器短路阻抗的h次谐波阻抗；为光伏电站内负荷的h次谐波阻抗；为光伏电站无功补偿装置的h次谐波阻抗；为光伏电站线路分布电容的h次谐波阻抗；为输电线路阻抗的h次谐波阻抗；为线路送端负荷的h次谐波阻抗；为电网短路阻抗的h次谐波阻抗；

3)利用h次谐波传输系数判断光伏电站与电网是否发生谐振：借助Matlab绘制h次谐波传输系数与谐波频率及输电线路距离的三维波形，若则表明h次谐波在输电系统阻抗网络传输时，会有谐振放大现象产生，进入步骤4)；而则表明传输过种中h次谐波有衰减，结束；

4)检测光伏电站负载侧谐波电流，即光伏电站输出谐波电流I_pv，I_pv乘以负载谐波电流等效控制系数k₁，得到谐波电流补偿指令；k₁的取值通过仿真得出；

5)在光伏电站与电网之间并联注入式混合型有源电力滤波器，并计算注入式混合型有源电力滤波器的指令电流参考值I_ref：I_ref＝k₁I_pv+k₂U_T；其中U_T为光伏电站并网点谐波电压；k₂为谐振抑制等效控制系数，取值通过仿真得出；

6)通过PI控制器G₀(s)及注入式混合型有源电力滤波器的调制环节G_PWM(s)控制注入式混合型有源电力滤波器输出与指令电流参考值相符的谐波补偿电流，即将指令电流参考值与G₀(s)、G_PWM(s)相乘；

7)上述谐波补偿电流的一部分与光伏电站输出的谐波电流相互抵消，实现谐振抑制，所述谐波补偿电流的另一部分注入电网时，注入式混合型有源电力滤波器等效为并联在光伏电站电网侧的虚拟谐波阻抗Z_V(s)，利用Z_V(s)改变光伏电站输电阻抗网络的阻抗特性，实现谐振抑制。

2、根据权利要求1所述的大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，其特征在于，所述步骤7)中，Z_V(s)的表达式为：

$Z_V\left(s\right)=\frac{Z_f+Z_a}{k_2\·\frac{G_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}{1+{\mathrm{kG}}_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}\·Z_a};$

其中，Z_f为注入式混合型有源电力滤波器无偏谐无源支路阻抗，Z_a为分压电抗；k_p、k_i为PI控制器的比例系数及积分系数，系数值通过仿真确定；k为注入式混合型有源电力滤波器输出电流反馈增益系数，一般取值1；为注入式混合型有源电力滤波器的调制环节，即表示为惯性环节，其中T为时间常数，因为IHAPF有源部分载波频率为10kHz，T取值为0.0001。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明考虑了分布电容参数对电站谐波的影响，而且通过定义谐波传输系数，直观的展现了谐振放大情况与输电线路距离及谐波频率的关系；本发明在传统IHAPF基础上，提出了谐振抑制算法，通过加入并网点谐波电压检测环节，将电网阻抗信息引入控制系统，IHAPF运行时，可等效为并联于电站的电网侧的虚拟谐波阻抗，改变了输电系统的阻抗特性，实现谐振抑制，不会增加新的谐振点，实现谐波治理及谐振抑制双重功能。本发明可以为百兆瓦级光伏电站及输电系统规划设计、评估电网接纳光伏电站的能力、大型光伏电站电能质量综合治理等课题提供理论依据。

附图说明

图1为典型光伏电站简化电气结构；

图2为光伏电站输电系统基波域模型；

图3为光伏电站输电系统谐波域模型；

图4为光伏电站输出功率与并网点电压标幺值关系；

图5电站输出功率标幺值与无功补偿容量关系；

图6示例光伏电站谐波传输系数；

图7传统IHAPF拓扑结构；

图8为传统IHAPFs域单相等效电路(不考虑无源滤波器组)；

图9谐振抑制控制策略框图；

图10采用谐振抑制算法时IHAPF的s域等效；

图11采用谐振抑制算法时谐波传输系数。

具体实施方式

本发明具体实现过程如下。

1)输电网络的建模

在一定条件下，输电线路部分可用π型等效电路来代替。光伏电站部分可等效成电流源。则基波域下，电站及输电系统的单相等值电路，参见图2所示。其中，为系统电压，为系统等效阻抗；及分别为系统侧负载及站内负载；及Y_l为输电线路等效阻抗及导纳；及分别为线路受端及送端电压；为站内无功补偿装置等效阻抗；为升压变等效阻抗，为电站输出电流。

基于图2，构建谐波域模型参见图3所示。其中，表示电站输出的谐波电流，表示注入系统的谐波电流，及分别表示线路受端及送端谐波电流，下标h表示谐波次数。其余参数为图2中相应参数的等效谐波阻抗。图3即为光伏电站谐波传输阻抗网络。

2)站内容性无功补偿装置的等效

$U_{\mathrm{RE}}=U_{\mathrm{SE}}+\mathrm{\ΔU}=U_{\mathrm{SE}}+\frac{P_{2}R+Q_{2}X}{U_{\mathrm{SE}}}$

P₁＝U_REI₁

其中式U_RE为由于输电线路及变压器阻抗影响，光伏电站并网点电压值，其中ΔU为电压变化情况，可能上升，也可能下降。P₂Q₂为线路送端有功、无功功率；R为输电线路及变压器等效电阻；X为输电线路、变压器及系统短路阻抗。为维持电站并网点电压恒定，站内无功补偿装置理想情况下需要提供的感性及容性无功为：Q_L及Q_C。借助Matlab，可以得到电站并网点电压波动情况如图4所示，需要补偿的无功量如图5所示，其中负值为感性无功，正值为容性无功。

3)谐波传输系数的定义以及绘图

定义h次谐波传输系数

谐波传输系数表征GCPV谐波电流在由负荷、无功补偿装置、输电线路等构成的电气网络传播的过程中的演化。若则表明h次谐波在该网络传输时，会有谐振放大现象产生；而则表明传输过种中h次谐波有衰减。

谐波电流传输系数与输电线路参数、距离、系统负荷容量以及站内容性无功补偿装置补偿容量相关。假定系统、负荷容量、线路参数及站内电站无功补偿容量固定，可定性分析与谐波频率及输电线路距离的关系。

示例光伏电站额定容量50MW；电网基准短路容量为1000MVA；站内无功补偿容量为容性4Mvar；站内负荷约为2MVA、功率因数为0.88；输电线路为LGJ185架空线，电压等级为110kV，导线计算外径为19mm，三相导线水平排列，相间距为4m。

电阻：

$r_0=\frac{\mathrm{\ρ}}{S}=\frac{31.5}{185}=0.17\mathrm{\Ω}/\mathrm{km}$

几何均距：

$D_{\mathrm{jj}}=\sqrt[3]{\mathrm{DD}2D}=1.26D=5040\mathrm{mm}$

电抗值：

$x_0=0.1445\lg \frac{D_{\mathrm{jj}}}{r}+0.0157=0.41\mathrm{\Ω}/\mathrm{km}$

电纳值：

$b_0=\frac{7.58}{\lg \frac{D_{\mathrm{jj}}}{r}}\×{10}^{-6}=2.78\×{10}^{-6}S/\mathrm{km}$

基于Matlab，可以得出谐波电流传输系数线距及谐波频率的关系，参见图6所示。可以看出，x-y平面有两条曲线，分别定义为谐振曲线1及谐振曲线2，表征谐振点的分布规律。

谐振曲线1特征：较远距离的输电线路(40km以上)易于影响低次谐波电流(小于10次)，谐振点处可能有超过20倍的放大；近距离输电线路(小于40km)易于放大10-30次谐波电流，谐振点处谐波传输系数小于25。

谐振曲线2特征：相比于谐振曲线1，谐振频率更高，谐波传输系数相对较小。50km范围内易于放大频率高于25次的谐波电流，谐波传输系数除个别频率大于20外，一般处于10左右。

综合上述，发现短距离输电对光伏电站谐波电流的影响较大，极易引起谐波并联谐振。

4)基于传统IHAPF的谐振抑制策略

传统注入式大功率混合有源电力滤波器拓扑结构参见图7所示。包括有源部分，注入支路及无源滤波器组等，其中注入支路包括无偏谐无源支路、隔离变压器、分压电感等组成。分压电感位于有源滤波器的交流侧，参数设计时，使其分压较小(100V左右)，可以显著降低有源部分的容量，因此这种注入式有源电力滤波器可应用于高压(35kV)大功率场合。百兆瓦级大型光伏电站站内交流母线多为35kV，因此，上述IHAPF可应用于大型光伏电站进行谐波治理及无功补偿。

三相对称时，忽略无源滤波器组(对于谐振抑制无作用)，有源部分及注入支路s域单相等效电路参见图8所示。其中Z_f有为无偏谐无源支路，Z_a为为分压电抗器，Z_N为阻抗网络的等效，I_pv为光伏电站输出的谐波电流，I_APF有源部分的等效，U_T为并网点谐波电压。当其进行谐波治理时，往往需要检测负载侧谐波电流(即光伏电站输出的谐波电流I_pv)，然后通过有源部分发出相位相同的谐波电流与其相抵消。或检测电网侧谐波电流即I_S，然后控制有源部分发出相位相反的谐波电流进行补偿。(以上相位基准以图8中的电流箭头为准；符号加粗表示s域变量)。

假设电网无背景谐波电压(实际情况下为较少)，并网点的谐波电压即为光伏电站谐波电流作用在阻抗网络上形成的分压，该谐波电压值包含了阻抗网络的信息。基于此，本发明提出一种谐振抑制策略，采用检测负载侧即电站侧谐波电流的控制环节对电站谐波电流进行动态治理，并引入了检测电网谐波电压的环节将阻抗网络的信息，进而抑制谐振。控制框图参见图9所示。其中：

$G_1\left(s\right)=\frac{Z_a+Z_f}{Z_a+Z_f+Z_N}$

$G_2\left(s\right)=\frac{Z_a}{Z_a+Z_f+Z_N}$

为调制环节，G₀(s)为电流控制器的传递函数，若采用PI控制器，则：

k_pk_i为PI控制器的控制系数。

k为有源部分输出电流反馈增益系数。第一路控制信息检测电站输出的谐波电流，其中k₁为负载侧谐波电流的等效控制系数。如果逆变器输出该谐波电流，分流到电网时，可实现与电站输出的谐波电流大小相等，方向相反，则可以实现谐波电流的完全抑制。第二路控制检测并网点谐波电压U_T，其中k₂为谐振抑制等效控制系数。即

I_ref＝k₁I_pv+k₂U_T，I_ref为有源部分的参考电流。

只考虑第二环节时，由图8有：

U_T＝I_SZ_N

$I_S==I_{\mathrm{pv}}\·\frac{Z_f+Z_a}{Z_N+Z_f+Z_a}+\frac{k_2\·G_3\left(s\right)\·I_S\·Z_N\·Z_a}{Z_N+Z_f+Z_a}$

其中G₃(s)为IHAPF有源部分控制及调制系统的闭环传递函数：

$G_3\left(s\right)=\frac{G_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}{1+{\mathrm{kG}}_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}$

则有

$\frac{I_S}{I_{\mathrm{pv}}}=\frac{Z_f+Z_a}{Z_N+Z_f+Z_a+k_2\·G_3\left(s\right)\·Z_N\·Z_a}$

由式可以得出，IHAPF可以等效为并联在光伏电站电网侧的谐波阻抗Z_V(s)，参见图10所示。

$Z_V\left(s\right)=\frac{Z_f+Z_a}{k_2\·G_3\left(s\right)\·Z_a}=\frac{Z_f+Z_a}{k_2\·\frac{G_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}{1+{\mathrm{kG}}_0\left(s\right)G_{\mathrm{PWM}}\left(s\right)}\·Z_a}$

该谐波阻抗与谐振抑制等效控制系数k₂及注入支路参数相关，谐波阻抗的引入使得阻抗网络的阻抗特性发生变化，实现谐振抑制效果。

无偏谐无源支路为：电抗157.32mh，电容1.32uf；分压电抗为12.01mh；k₂＝0.5时重新绘制谐波传输系数，参见图11。

由图11可以看出低频次谐波已经完全无放大，20-50次谐波中，部分有轻微谐振，整体谐波传输系数小于1.4，与图6相比谐波谐振得到了抑制。

Claims (3)

1.一种大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建光伏电站输电系统电气模型；

2)利用所述光伏电站输电系统电气模型，计算光伏电站h次谐波传输系数

其中，为光伏电站输出的谐波电流；为注入电网的谐波电流；为光伏电站升压变压器短路阻抗的h次谐波阻抗；为光伏电站内负荷的h次谐波阻抗；为光伏电站无功补偿装置的h次谐波阻抗；为光伏电站线路分布电容的h次谐波阻抗；为输电线路阻抗的h次谐波阻抗；为线路送端负荷的h次谐波阻抗；为电网短路阻抗的h次谐波阻抗；

3)利用h次谐波传输系数判断光伏电站与电网是否发生谐振：借助Matlab绘制h次谐波传输系数与谐波频率及输电线路距离的三维波形，若则表明h次谐波在输电系统阻抗网络传输时，会有谐振放大现象产生，进入步骤4)；若则表明传输过种中h次谐波有衰减，结束；

4)检测光伏电站负载侧谐波电流，即光伏电站输出谐波电流乘以负载谐波电流等效控制系数k₁，得到谐波电流补偿指令；

5)在光伏电站与电网之间并联注入式混合型有源电力滤波器，并计算注入式混合型有源电力滤波器的指令电流参考值I_ref：I_ref＝k₁I_pv+k₂U_T；其中U_T为光伏电站并网点谐波电压；k₂为谐振抑制等效控制系数；

6)通过PI控制器及注入式混合型有源电力滤波器的调制环节控制注入式混合型有源电力滤波器输出与指令电流参考值相符的谐波补偿电流；

7)上述谐波补偿电流的一部分与光伏电站输出的谐波电流相互抵消，实现谐振抑制，所述谐波补偿电流的另一部分注入电网时，注入式混合型有源电力滤波器等效为并联在光伏电站电网侧的虚拟谐波阻抗Z_V(s)，利用Z_V(s)改变光伏电站输电阻抗网络的阻抗特性，实现谐振抑制；

所述步骤7)中，Z_V(_s)的表达式为：

$Z_V\left(s\right)=\frac{Z_f+Z_a}{k_2\·\frac{G_0\left(s\right)G_{PWM}\left(s\right)}{1+{\mathrm{kG}}_0\left(s\right)G_{PWM}\left(s\right)}\·Z_a};$

其中，Z_f为注入式混合型有源电力滤波器无偏谐无源支路阻抗，Z_a为分压电抗；k_p、k_i分别为PI控制器的比例系数及积分系数；k为注入式混合型有源电力滤波器输出电流反馈增益系数，取值1；为注入式混合型有源电力滤波器的调制环节，其中Ts为时间常数。

2.根据权利要求1所述的大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，其特征在于，k＝1。

3.根据权利要求1所述的大型光伏电站谐波谐振特性分析与抑制方法，其特征在于，Ts取值为0.0001。