- 頭條湖南大學研究團隊提出治理光伏電站諧波諧振問題的新方法2023-03-01 作者：李勇、劉珮瑤 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南大學電氣與信息工程學院的李勇、劉珮瑤、胡斯佳、林錦杰、羅隆福，在2022年第15期《電工技術學報》上撰文，進一步拓展感應濾波技術的應用領域，提出了一種光伏電站聯網運行的方案，是感應濾波技術在大容量光伏發電系統的首次重要嘗試。理論分析和實測數據均表明，感應濾波技術可以用于光伏電站，對弱網條件下該系統的諧波諧振具有明顯的抑制作用，工程應用價值顯著。研究成果可為“弱網”連接的大型光伏電站的諧波、諧振控制提供一種新的解決方案。
隨著新能源領域相關技術的進步，光伏電站逐漸朝著大型化方向發展，光伏能源的滲透率將進一步提高。然而在具有較長電纜且短路容量較低的光伏電站，當大量光伏逆變器同時運行時，整個系統易激發諧波諧振；若這樣的諧振發生在夏季午后發電高峰期，光伏逆變器極易因諧波電壓超標而退出運行，這直接影響光伏電站的發電連續性、經濟效益和安全運行。
與此同時，這樣的諧振并不會因為少量光伏逆變器的停運而消除，這說明諧振的成因除逆變器間的作用外，還與整個電站并網系統的網絡條件有關（如光伏逆變器自身的頻譜、上級電網的背景諧波、站內網絡的頻率特性等）。
對于成因復雜的光伏電站諧振問題，國內外學者開展了許多卓有成效的研究。有關文獻從不同角度對光伏電站的諧振機理進行了分析，但受限于實驗室條件，鮮有文獻對真實大型光伏電站運行過程中產生的諧波諧振及其表現規律進行過系統性研究。
對光伏電站的諧波諧振可采用主動與被動抑制方法。前者主要是從造成諧振的“主體”并網逆變器的軟、硬件著手實現光伏電站的諧振抑制，后者則主要從光伏電站并網逆變器以外的單元著手抑制其諧振的發生。對于施加對象是逆變器的硬件還是軟件，主動抑制法還可進一步劃分為無源阻尼技術與有源阻尼技術。
目前對光伏電站諧振問題的研究大都以同參數、同類型逆變器構成的多逆變器并網系統為研究對象，在此基礎上搭建小功率試驗平臺對所提方法進行研究。然而對實際光伏電站而言，其光伏逆變器的軟、硬件參數均由生產廠商預設，當諧振發生時，幾乎不可能從改進逆變器的角度實現諧振的主動抑制。與之相比，被動諧振抑制方案在真實光伏電站中更具實用價值。
無源濾波技術是目前較為常用的技術手段，但傳統無源濾波器（Passive Power Filter, PPF）的濾波效果與并網系統自身的阻抗特性關聯緊密，當諧振點落在諧波源的頻譜區段時極易觸發諧振。隨著電力電子技術的發展，有源濾波技術（Active Power Filter, APF）因其能夠動態發出與電網中諧波電流相反的電流或者控制線路的諧波特征阻抗以消除諧波反射，成為諧振抑制的有效途徑之一。
并聯型APF受器件容量與成本限制，在中、高壓場合的應用較少。為解決這一矛盾，有學者提出一種采用粒子群優化的改進限流方案實現了APF安裝容量的最大化利用。而將小容量逆變器與PPF相結合組成的混合型APF（Hybrid APF, HAPF）在中、高壓場合具有明顯優勢，如有學者提出了一種采用H橋級聯的HAPF，能夠滿足高壓大功率場合的諧波抑制要求。
盡管如此，APF在新能源并網系統中的應用仍然受到價格、軟硬件的復雜度等因素的制約。相比于功能較為單一的APF，統一電能質量調節器也可成為一個備選方案，但目前在國內外大型工程中的應用還相對較少，其技術成熟度還有待在今后的市場競爭中進一步淬煉。
感應濾波技術（Inductive Filtering Method, IFM）作為一種新的諧波抑制方案，在部分大功率應用場合，相比傳統有、無源濾波技術，可在投資成本與濾波（運行）性能之間實現更好的平衡，目前已在電氣化鐵道、直流輸電系統和工業整流系統中得到了應用。
湖南大學電氣與信息工程學院的李勇、劉珮瑤、胡斯佳、林錦杰、羅隆福，在2022年第15期《電工技術學報》上撰文，進一步拓展感應濾波技術的應用領域，提出了一種光伏電站聯網運行的方案，是感應濾波技術在大容量光伏發電系統的首次重要嘗試。理論分析和實測數據均表明，感應濾波技術可以用于光伏電站，對弱網條件下該系統的諧波諧振具有明顯的抑制作用，工程應用價值顯著。研究成果可為“弱網”連接的大型光伏電站的諧波、諧振控制提供一種新的解決方案。
圖1 基于IFM的實際光伏電站接線圖
研究人員圍繞一個真實光伏電站，考慮上級電網阻抗的變化，建立了傳統光伏電站的諧波域等效模型，對其諧振問題進行了分析，揭示網絡阻抗變化對于諧波放大系數的影響機制。在此基礎上，針對在光伏電站真實出現的諧波諧振，提出采用感應濾波升壓變壓器進行聯網的光伏電站諧波諧振抑制方法，詳細分析了其諧波域模型和諧振抑制機理。
他們指出，該方法中感應濾波變壓器的濾波繞組采用特殊的零阻抗設計，外接全調諧無源濾波器能獲得比較優良的諧波濾除能力，與此同時，因為它還改變了光伏電站整體網絡的阻抗頻率特性，故能有效消除真實光伏電站聯網運行時的諧波諧振。相比于傳統濾波技術，該方法對系統短路阻抗的變化敏感度低，有利于提高系統抗擾動能力，降低系統諧振風險。
表1 主變壓器效率測算
研究人員基于真實光伏電站發生諧波諧振時的實測數據特性，分析得到“弱網”條件下光伏逆變器輸出的高次諧波是造成諧振的誘因。將所提方法應用于該光伏電站，達到了良好的諧振抑制效果，通過大型工程應用的實測數據驗證了感應濾波技術用于光伏電站諧波諧振控制的優良特性。實測數據顯示，采用感應濾波技術的光伏電站的功率因數、電壓波動等指標表現良好，因抑制了諧振，主變壓器效率略高于未采用感應濾波技術的情形。
本文編自2022年第15期《電工技術學報》，論文標題為“基于感應濾波的光伏電站諧波諧振抑制方法”。本課題得到國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點項目、國家自然科學基金項目、湖湘高層次人才聚集工程項目、長沙市杰出創新青年計劃和中央高校基本科研業務費資助的支持。
