光伏并网发电系统的稳定性研究综述

刘晓军

摘要：大规模光伏发电的快速发展是缓解能源危机和降耗去霾的有效手段。而随着光伏并网规模的不断扩大，接入电网条件也愈发苛刻。鉴于逆变器在不同电网条件下，其各部分均受到一定程度的影响，进而会引起系统稳定性问题。无论对独立光伏发电系统还是光伏并网系统，较高的安全性都是其可靠运行的基本保障。

关键词：光伏并网；发电系统；稳定性

1光伏系统工作原理

常见的光伏并网系统一般主要由无变压器结构的DC-DC变换器和并网逆变器两级组成的电能转换系统共同作用来实现与电网的并网。

光伏系统又分为可调度式系统和不可调度式系统，对于那些对电能要求比较高的负载，需要选择可调度式系统，其内部含有储能装置，可以持续地提供给负载所需的电能。作为一个不间断的供电电源，在选择上只要能提供足够容量的储能装置，那么这套可调度式PV发电系统就能够依据电网的实际运行状况来调节自身的输出功率，从而起到对电网调峰的作用。

在光伏并网系统中逆变器承担重要的角色，只有通过不断的优化，去选择适当的控制方法、高效率的转换方式和高质量的电能输出方式，才能使得光伏并网系统的整体性能有一定程度的提高。

并网逆变器一般可分为电压源电压控制、电流源电压控制、电压源电流控制和电流源电流控制等四种控制方式。如果并网逆变器的输入侧选择电流源，则需要在输入侧接一个参数很大的电感，以确保电流的稳定，但这样会降低整个系统的动态响应，所以其输入侧一般会选用电压源。

逆变器对输出控制方式有两种:电流控制原理和电压控制原理[[30]。若输出端利用电压控制原理来实现并网，由于电网系统的容量可看做无穷大，那么光伏并网可等效为将光伏系统和电网看作两个电压源去实现并联，这样逆变器必须在工作过程中保证其输出的电压达到一定的标准(与电网电压同频、等幅、同相位)以确保电网的稳定性。因此需要对逆变器进行严格的控制，否则可能在并网过程中会出现环流等问题，从而影响整个逆变系统的稳定性，最终使并网失败。

而输出端利用电流控制原理来实现并网相对简单，因为只需要考虑相位、频率的一致性。所以并网逆变器输出端一般采用电流控制来实现。

2.滤波器对光伏并网发电系统稳定性的影响

为了抑制光伏发电系统输出电流中的大量谐波，优化并网电能质量，通常需要添加额外的滤波装置来降低谐波含量，以满足光伏发电并网标准(IEEE519Std)中对电能质量的约束要求。最常用的逆变器输出滤波器就是单电感L滤波器，但是在大容量光伏发电系统中载波周期不宜过高，在满足给定的滤波要求时，所需要的电感L将会非常大，这将增大并网逆变装置的体积和成本。相比之下，LCL型滤波器在大功率场合应用中具有明显的优势，首先LCL对高频抑制效果比较;其次，在满足相同的滤波要求时，LCL型滤波器较可以有效减小所需滤波的总电感值，减小其体积和重量。但是LCL是一个三阶不稳定系统，很容易诱发谐振。研究表明:光伏发电系统经滤波器柔性接入弱电网时，LCL滤波器对电网阻抗特别敏感，电网等值输入阻抗将会影响滤波器滤波特性和联网系统运行稳定性。从提高光伏逆变器对接入条件的适应性角度，分析了光伏并网逆变器LCL滤波器的设计需要折中考虑滤波性能好坏和谐振稳定性。提出了LCL无源网络模型，并用以描述分布式发电系统中多逆变器谐振问题。推导了光伏并网发电系统的特征方程，并利用ＲouthHurwitz判据分析了LCL滤波器对系统稳定性影响。根据上述描述和分析知，滤波器对系统稳定性会产生一定的影响。

3光伏并网发电系统的稳定性研究

3.1电能质量

在并网过程中光伏系统与电网之间必然会相互影响。在逆变器运行过程中，它的微小波动也会对电网造成一定的冲击，同样电网的不稳定因素也会降低光伏系统的安全性。由于光伏并网系统接入电网的数量越来越多，电网必然会受到一定的外部冲击从而使得自身的电能质量有所下降，因此为了确保输出电能的质量以及光伏系统的稳定运行，我国分别从电压波动、频率和谐波畸变限制等几方面对并网逆变器作出了具体的技术要求。目前由于设备在制造工艺方面还有待改进，光伏板在使用过程中的效率相对较低，一般只有10%-18%，即使在实验过程中所测试的值也最高大约20%。因此有必要考虑如何提高光伏系统的电能转换效率。

传统的电力电子转换装置一般在其最佳的工作状态下考虑其变换效率，而光伏系统由于受光照强度的影响较大且并网逆变器负载端的随机性和不可控性，使得在考虑变换效率方面应多方面综合衡量。

3.2弱电网接入条件对光伏并网发电系统稳定性的影响

通常，基于理想电网条件设计的联网光伏逆变系统对这些谐波具有良好的抑制作用。然而，对于大规模光伏电站接入弱电网的现实场景，电网阻抗的存在会降低光伏并网发电系统的谐波抑制性能，导致并网电流谐波含量增大，同时电网阻抗与并网系统容易形成谐振，从而形成一定频率的高次谐波，最终可能导致并网电流总谐波畸变率不满足并网要求。同时谐波电流在电网阻抗上形成谐波电压致使并网点电压质量恶化，进而影响并网逆变器的控制精度，严重时可能造成并网逆变器的脱网，制约着光伏发电系统的并网规模。指出电网阻抗主要来源于3个方面:电网内部阻抗、传输线路阻抗和变压器阻抗。电网阻抗与逆变器输出阻抗的相互作用和其对输出滤波器的影响将可能导致系统稳定性问题。针对单相联网光伏逆变器在弱电网条件下，由于电网阻抗的存在造成公共接入点电压波形畸变，使得电压过零点检测不准确，从而导致锁相环节出现差错。在考虑电网阻抗情况下对联网光伏逆变系统进行了小信号建模，利用特征值分析了系统遭遇小干扰后的稳定性，采用参与因子分析了系统状态变量的灵敏度，通过分析特征值轨迹设计了其控制器参数。综上所述，如何分析电网接入阻抗值对并网光伏发电系统运行稳定性的影响，以及如何松弛联网光伏逆变器控制策略来提高联网逆变系统的稳定裕度，是一个值得研究的问题。

3.3安全与保护

针对光伏逆变器的过/欠压保护设计应从输入端和输出端两个方面考虑:一方面对于输入端而言，如果光伏阵列向并网逆变器输入的电压超过或低于预先设定的阀值电压，并网逆变器应该采取相应的保护措施确保自身功率器件的正常工作，同时满足对输送给电网定能质量的要求;另一方面对于输出端而言，当输出的电压超出规定的范围时，并网逆变器应该立即通过控制使开关管关断，停止并网系统向电网输送电能。

3.4短路保护

当逆变器输出端出现短路故障时，流经逆变器的电流有可能超过逆变电路所能承受的最大电流从而将逆变器烧坏。因此有必要对逆变器设置相应的过流保护电路，目前针对短路保护主要都是在逆变器内部做成的集成电路，考虑到对并网系统可靠性的要求，逆变器在设计方面应该保证当工作电流在额定电流120%以下时，最少能继续维持一分钟的工作，当工作电流在120%-150%额定电流之间时，最少能持续大约十秒的工作，但是一旦超过额定电流的150%时，在0.1秒内应迅速切断与电网的连接。

结束语

综上所述，从逆变器自身来看，逆变器的输出滤波器、锁相环和数字延时对系统的运行稳定性影响显著。从改善系统稳定性的角度，研究滤波器参数优化设计，提高锁相环锁相精度和优化数字控制延时调整才能有效解决光伏并网面临的稳定性问题;从接入电网条件来看，考虑电网阻抗对逆变器各环节的影响，有针对性的提出解决方案至关重要。

参考文献

[1]吴雅静.光伏发电系统多功能逆变器控制策略研究[D].河北工程大学,2017.

[2]王川川.两级三相式光伏并网发电系统控制策略的研究[D].安徽理工大学,2017.