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透视组串逆变器大面积组网方案容易谐振脱网现象

放大字体  缩小字体 发布时间:2015-06-15  来源:中国电力网
文 • 水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院 院副总工程师 杨戈秀

编者按:

      前不久笔者在西北走访时,据业主反映我国西北某个百MW级大型地面光伏电站,使用了组串式逆变器解决方案,电站出现了大面积脱网现象,给业主造成了近千万的经济损失。此事件再次点燃了大家对组串逆变器大面积组网带来谐振脱网风险的担忧。组串式逆变器并联谐振问题被业内称为光伏电站的“影子杀手”。

      随着电站规模不断增大,每个电站中所使用的逆变器数量也随着增加,尤其是如果在大电站选用组串式方案,逆变器数量成十几倍增加,且部分并网点远离发电厂及负荷区,导致谐振的风险增加。”电站一旦脱网,给我们造成的经济损失非常大,直接影响了我们的投资收益,我担心会再次发生脱网”,电站运维工程师如是说。

      1 担心的事情还是发生了

      光伏发电规模日益增大,大型地面光伏电站单体容量也越来越大。在设计大型地面光伏系统时,目前业内较为成熟的方法是采用单机容量为500KW及以上的集中式逆变器解决方案,该方案技术成熟,运行稳定。近两年来,部分厂家推荐业主在大型地面光伏电站中使用组串式逆变器,导致并网点下逆变器的数量成十几倍的增加。以一个100MW大型地面光伏电站为例,使用业内成熟的集中式方案,逆变器数量为200台,若使用30KW的组串式方案,逆变器数量则高达3400多台!随着逆变器台数不断增多,且部分并网点远离发电厂及负荷区,导致谐振的风险增加。

      我国西北某个百 MW级大型地面光伏电站,使用了组串式逆变器解决方案,现场出现了由于并联谐振导致的电站大面积脱网现象,给业主造成了近千万的经济损失。此事件再次引发业内广泛关注,对组串逆变器大面积组网产生的并联谐振风险表示担忧。

      那么什么是谐振,谐振又是如何导致系统脱网的呢?接下来,笔者将带领大家,从技术的角度,对组串逆变器在大型光伏电站出现的并联谐振现象进行分析,探寻电站里的“影子杀手”。通过这番探寻,让你深刻体会到“影子杀手”的威力,也让你知道如何规避这一 “影子杀手”的危害。

      2 并联谐振是什么及其危害

      大家应该都听说过这样一个故事: 18世纪中叶,法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过,当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,造成226名官兵和行人丧生,类似的事件还发生在俄国和美国等地。
图

图 1 大队人马过桥产生共振致使桥塌

  
      究其原因,是士兵过桥时,引起了桥的共振。任何物体都有一个固有频率,其固有频率是由物体的密度、外形等物理因素决定的,而施加外力使物体振动的频率叫策动频率,当策动频率等于物体的固有频率时,物体便产生共振,此时振幅达到最大。图2为大桥的频率响应曲线,横坐标代表激励源频率的变化,纵坐标代表在此频率下,外界激励造成的大桥产生的振幅。图中可见,大桥的频率响应曲线存在一个最高点,当外界激励源(士兵通过大桥产生的振动)的振动频率恰好落在大桥的固有频率f0点时,大桥的振幅达到最大。同时由于步伐一致,多个士兵产生的同方向的振动力直接累加,当士兵的数量达到一定程度时,累加的振动力超过了的大桥的承受能力,导致大桥断裂。
图2

图2 大桥的频率响应曲线


      可见,大桥共振倒塌主要由外部和内部两个关键因素决定,外部因素包括士兵的数量,和士兵过桥时步伐的方式。如果士兵的数量少,无论以什么方式通过大桥,也不会导致大桥倒塌,当士兵多到一定数量的时候,通过的方式就起到了决定性的作用。内部因素主要是桥的结构及桥的质量,即桥能承受的最大振幅,坚固的桥可以承受的振幅大,不容易出现倒塌,脆弱的桥则可能很少的士兵就可以使其倒塌。

      对于一个桥而言,内部因素改变相对较难,外部因素则相对容易改变。例如通过改变一次通过大桥士兵的数量(分批过桥)或将整齐的步伐改成走便步,即改变并分散士兵过桥产生的振动频率,使其偏离大桥的固有频率,比如改变振动的频率到图2中的f1处,则同样的外界振动力,引起大桥产生的振幅将大幅减小,有效避免了大桥坍塌的风险。目前各国对大队士兵过桥改成走便步的规定正式基于这个考虑。

      光伏电站的组串式逆变器产生谐振的现象与大桥共振的现象十分相似。如果把逆变器比作士兵,大桥比作电网,当并联的逆变器多到一定数量的时候,在某个频率点产生共振,即会导致“大桥倒塌“,即脱网。而且谐振的风险与电网的强弱也有直接关系,对于一些线路较长,处于远端位置的电网环境,则更容易产生谐振脱网现象。然而,士兵过桥可以通过简单的改变过桥的人数或步伐有效的解决,逆变器的并联谐振由于影响因素多,且具有一定的不确定性,却远不是那么容易解决的问题。

      3 引起并联谐振内在原因是什么

      引起逆变器并联谐振的原因有很多,如逆变器控制技术、逆变器的电路结构及参数选择等,学术界也有很多类似的研究。但最根本的原因是随着并联数量的不断增加,逆变器阻抗不断降低并与电网阻抗不匹配造成的。

      组串式逆变器组网的典型光伏系统结构如图3(a)所示,由电路的基本原理可将系统等效为图3(b)所示的电路,并最终可建立图3(c)所示的阻抗模型。图中ZL为每台逆变器阻抗,ZT为每个单元升压变阻抗, Z0为所有并网逆变器输出阻抗ZL和ZT的合成值,由于变压器阻抗ZT基本稳定,因此Z0主要受逆变器阻抗ZL影响。K1--KN为每个方阵单元输出开关、K为并网点开关,Zg为从PCC点往电网侧看的电网等效阻抗。
图3

图3 光伏系统原理图及等效阻抗模型


      由电路理论和控制系统基本原理可知,对上图所示的系统,其稳定性取决于Z0与Zg的比值。理想情况下,逆变器侧阻抗Z0很大,电网阻抗Zg很小,二者比值大,系统工作稳定。反之,当Z0/Zg变小时,系统稳定性变差,即出现谐振现象,即某个频次下的谐波幅值被放大很多倍,导致单元并网点开关(K1…kN)或总并网开关(K)继电保护动作,即跳闸脱网。图4是某现场实际测试到的波形,
图4多台逆变器并联运行的谐振波形

图4多台逆变器并联运行的谐振波形


      那么影响Z0和Zg的因素有哪些呢?

      (1)Z0 影响因素分析

      Z0的大小主要取决于逆变器阻抗,除了受逆变器本身滤波电路、开关频率等因素影响外,一个十分重要的影响因素是逆变器并联台数。如图5所示,当并联逆变器的台数逐渐增加时, Z0不断减小,进而Z0/Zg比值越来越小。系统越来越不稳定,最终导致谐振。正如“士兵”通过“大桥”一样,当士兵的数量不断增加时,导致大桥的振幅不断增加,如果“士兵过桥的方式”控制不好,则将导致“大桥”坍塌。
图5

图5 逆变器并联等效阻抗演变图


      (2)Zg影响因素分析

      电网阻抗Zg与系统安装的位置,电网本身的特性、光伏系统接入电网额容量及系统运行方式等因素相关,不同系统其差异性很大。如对于一个处于电网末端的弱电网, Zg将变大, Z0/Zg比值降低,则相对更容易出现谐振。这就好比一个强度很差的“大桥”,即使同样数量的士兵,通过一个水泥桥可能安然无恙,但通过一个强度很差的木桥,则会导致“大桥”倒塌的道理一样。
电网阻抗Zg由于所处电网的容量不同,地域性不同导致其本身差异性很大,各个系统并网逆变器运行的台数也与不尽相同。因此,导致并联谐振现象具有一定的随机性,同样的并网逆变器及系统配置,在不同的并网点及并网时间所表现出来的现象各异,因此会存在某些电站出现谐振,在其他区域电站并网时没有发现谐振,某个时间段内能正常工作,某个时间点出现谐振的随机特性。

      针对一个已经发生的并联谐振现场,现场逆变器加入了一些诸如APF,有源阻尼等智能算法暂时抑制了谐振问题,但由于电网阻抗的多变性,理论上还存在再谐振风险。同时因为额外增加了抑制谐振的补救措施,可能会导致系统效率大幅降低,损失发电量。

      4 如何消灭“影子杀手”

      从上述分析可知,光伏系统产生谐振的根本原因是逆变器并联数量过多,其输出阻抗不断降低后与电网阻抗不匹配,使得某个频次下的谐波幅值被放大很多倍,进而导致单元并网点开关或总并网开关继电保护动作,即跳闸脱网。 因此,预防光伏电站产生谐振最有效的措施,是尽可能的降低逆变器的并联数量,对于大型荒漠电站,建议选用集中式逆变器,对一些装机容量在5MW以上、存在严重朝向不一致和遮挡现象的复杂应用场合,建议选用单机功率更大的组串式逆变器,以进一步减少逆变器的数量,降低谐振脱网的风险。
 
关键词: 逆变器,阳光电源
 
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