摘 要

近年来，我国的光伏发电工程已经达到了世界领先水平，在大力发展光伏发电工程、增建光伏电站的同时，光伏电站对电网电能质量的影响不容忽视，因为光伏电站有可能产生大量的谐波，而大量的谐波如果进入电网，将会给电网造成难以预计的灾难。多台逆变器并联的阻抗网络十分复杂，不同型号的逆变器控制参数与滤波参数大不相同，导致了谐波频谱丰富，谐振特性复杂等现象，存在着诸多隐患。但是，谐波谐振现象在光伏电站中并不是常见现象，其得益于的谐波谐振阻尼技术，近年来，有源阻尼技术由于其良好的阻尼特性与几乎无损耗的优势成为研究的热点。

由于光伏电站由众多台光伏并网逆变器系统组成，本文以光伏并网逆变器为研究基础，首先建立光伏并网逆变器的阻抗数学模型，进而利用Matlab/Simulink仿真软件对光伏并网逆变器建立时域模型。利用基于阻抗的稳定性分析ISBA，可以通过负载导纳Y_L与源导纳Y_S之间的关系判定系统是否稳定。利用上述工具开展对光伏电站中多逆变器并联谐振特性进行研究，并探究了光伏电站实际现场发生的低频谐振与高频谐振的谐振产因。最后对阻尼技术的作用机理进行了介绍，将无源阻尼与有源阻尼之间的关系进行阐明，通过有源阻尼技术仿真研究其对光伏电站实际现场发生的低频谐振与高频谐振进行阻尼效果。

关键词：光伏电站；谐振特性；有源阻尼技术；ISBA稳定性分析

Abstract

In recent years, China's photovoltaic power generation project has reached the world's leading level. While vigorously developing photovoltaic power generation projects and building photovoltaic power plants, the impact of photovoltaic power plants on power quality of power grids cannot be ignored, because photovoltaic power plants may generate a large number of harmonics. And a large number of harmonics flowing into the grid will cause unpredictable disasters to the grid. The impedance network of multiple inverters in parallel is very complicated, and the control parameters and filter parameters of different inverters are very different, resulting in rich harmonic spectrum and complex resonance characteristics. Therefore, there are many hidden dangers. However, harmonic resonance phenomenon is not common in photovoltaic power plants. It benefits from the harmonic resonance damping technology. In recent years, active damping technology has become a research hotspot due to its good damping characteristics and almost no loss.

Since the photovoltaic power station is composed of many photovoltaic grid-connected inverter systems, this paper takes the photovoltaic grid-connected inverter as the research foundation. Firstly, the impedance mathematical model of the photovoltaic grid-connected inverter is established, and then the Matlab/Simulink simulation software is used. Establish a time domain model of the PV grid-connected inverter. Using impedance-based stability analysis of ISBA, the stability of the system can be determined by the ratio between the load admittance Y_L and the source admittance Y_S. The above-mentioned stability analysis is used to study the parallel resonance characteristics of multi-inverters in photovoltaic power plants, and the resonant causes of low-frequency resonance and high-frequency resonance occurring in the actual field of photovoltaic power plants are explored. Finally, the mechanism of damping technology is introduced. The relationship between passive damping and active damping is clarified. The damping effect of low frequency resonance and high frequency resonance on the actual field of photovoltaic power station is studied by active damping technology simulation.

Key Words：Photovoltaic power station; resonance characteristics; active damping technology; ISBA stability analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景、目的及意义 1

1.2光伏发电国内外研究发展概述 1

1.1.1国外发展概况 1

1.1.2国内发展概况 1

1.3研究的基本内容 2

1.3.1光伏电站的拓扑选择与模型建立 2

1.3.2光伏并网逆变器的控制技术 3

1.3.3光伏电站谐波谐振的问题研究 4

1.3.4无源阻尼技术方案 4

1.3.5有源阻尼技术方案 5

1.4主要研究内容 5

第2章 光伏电站系统模型建立 6

2.1 引言 6

2.2 光伏电站数学模型建立 6

2.2.1单逆变器系统传递函数模型 6

2.2.2 多逆变器系统传递函数模型 7

2.3 光伏电站时域仿真模型建立 9

第3章 光伏电站谐振特性与稳定性分析 20

3.1 单逆变器谐振现象与稳定性分析 20

3.1.1 单逆变器LCL谐振特性 20

3.1.2 基于阻抗的无源稳定性分析 20

3.2 多逆变器谐振现象与稳定性分析 25

3.2.1 多逆变器LCL谐振特性 25

3.2.2 基于多逆变器阻抗的无源稳定性分析 27

3.3光伏电站现场谐振记录与原因分析 31

3.3.1 光伏电站现场谐振记录 31

3.3.2低频谐振原因探究 34

3.3.3 高频谐振原因探究 37

第4章 谐波谐振有源阻尼技术 40

4.1 引言 40

4.2有源阻尼技术 40

4.2.1 虚拟电阻法 40

4.2.2 陷波滤波器法 42

4.3 有源阻尼技术对光伏电站的谐波谐振抑制效果 42

4.3.1 低频谐振抑制效果 42

4.3.2 高频谐振抑制效果 45

第5章 结论与展望 49

5.1 结论 49

5.2 展望 49

参考文献 51

致 谢 53

第1章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

在社会高速发展的影响下，传统能源储备不断减少，同时人们也越来越重视排放问题。由于新能源具有清洁、高效、可再生等特点，越来越成为近年来的研究热点。各国学者都对新能源技术展开研究，其中风能与太阳能具有很大的发展空间[1]。

太阳能分布式发电系统与传统的火电不同，电力电子装置广泛应用于分布式发电系统中。电力电子装置的效率直接决定了能量的利用率，由于半导体技术的发展，工程师得以设计性能优异的逆变器，同时采用先进的脉宽调制技术（PWM）和基于数字信号处理（DSP）的数字控制系统，能够使得装置可以输出质量较高的基频正弦电流，通过调节电流与电压的相位差，还可调节并网的功率因数。但是电力电子装置的缺点也十分明显，电力电子装置本身使用的是高频开关，而开关本身是一种非连续的工作状态，这将会产生大量的谐波，而大量的谐波如果进入电网，那么将会给电网造成难以预计的灾难[2]。特别是对于一些比较偏远的地区，电网阻抗变化较大，而且往往光伏电站也主要建立在这些地区。比如西北地区，光伏电站的容量越来越大，单座光伏电站的容量可能达到几百兆瓦。对于单台逆变器而言，如果负载率低于10%，输出的电流THD值将会高于8%，若是整座光伏电站同时工作在低负载率的情况下，电网的能量质量会因此受到严重影响；而多台逆变器并联的阻抗网络也十分复杂，不同型号的逆变器控制参数与滤波参数大不相同，导致了谐波频谱丰富，谐振特性复杂等现象，存在着诸多隐患[3]。

1.2光伏发电国内外研究发展概述

1.1.1国外发展概况

美国能源信息部对美国能源发展进行预测，光伏发电将在近两年内飞速发展。在2019 年，太阳能发电量将增长10%，在2020年，太阳能发电量将增长17%；

美国能源信息部预计2019 年美国新增太阳能装机超过4 GW，2020年将近6 GW。预计2020年太阳能发电量将占公用事业规模总发电量的2%以上。除了电力部门的公用事业规模的太阳能，一些住宅和企业已经安装了小型太阳能光伏系统，美国能源信息部预测未来两年小型太阳能发电装机将达9 GW，增长幅度为44%[4]。

1.1.2国内发展概况

中国是最大的光伏太阳能和太阳热能市场，自2013年以来，在中国，太阳能光伏发电板的销售量在世界上名列前茅。2015年，中国的光伏发电总量超过德国的光伏发电总量，成为世界上光伏发电总量最多的国家。2016年，光伏发电总量达到了77.4 GW。 2017年中国成为世界上首个光伏发电装机总容量超过100 GW的国家。截至2017年底，中国的太阳能装机容量为130 GW。截至2018年5月，中国在腾格里的1547 MW项目中保持了最大运营太阳能项目的记录。由于太阳能发电厂的平均容量系数相对较低，平均为17％，因此对总电能产量的贡献仍然不大。在2017年中国生产的6412 TWh电力中，118.2 TWh由太阳能发电，相当于总发电量的1.84％。2050年的目标是达到1300 GW的太阳能容量。如果实现了这一目标，这将成为中国最大的装机容量[4]。

1.3研究的基本内容

1.3.1光伏电站的拓扑选择与模型建立

研究光伏电站谐波谐振问题的基本前提是建立合适的光伏电站模型，一个典型的光伏电站由多干台并网逆变器组成。而单台光伏并网逆变器由光伏发电板阵列、逆变器与其控制器、滤波器以及电网组成[5]。

光伏系统分为隔离式系统与非隔离式系统，相较隔离式系统，非隔离式系统具有更有运用前景。因为它具有低的重量、更小的体积、更低的价格、更高的效率等优点。非隔离型系统可以分为单级型与多级型。

图1.1 单级光伏并网逆变器系统图

单级光伏并网逆变器系统图如图1.1所示。单级光伏并网逆变器系统电路简单，所以所采用的元件数量少、同时导致其可靠且具有更低的损耗。但是也有不足之处，只有增加光伏阵列串联数量才能提高直流电压，不仅如此，对于逆变器的控制器的要求也比较苛刻，在具有逆变控制能力的同时，控制器还应该具有最大功率点跟踪功能。

图1.2 双级光伏并网逆变器系统图

双级光伏并网逆变器系统如图1.2所示。双级式拓扑结构是目前运用最为广泛的一种多级型结构[6]。双级光伏并网逆变器利用DC-DC电路实现MPPT功能，而利用逆变器完成并网电流控制，这样的控制方式降低了对逆变器控制器的要求，从而降低设计难度。同时通过DC-DC电路升压也就解决了必须串联光伏阵列提高直流电压的问题。因此本文采用双极光伏并网逆变器拓扑结构建立Simulink时域模型。

1.3.2光伏并网逆变器的控制技术

最大功率点跟踪技术

最大功率点跟踪（MPPT）的目的就是希望光伏电池的输出功率最大，根据电路理论，当光伏电池的输出阻抗与负载阻抗相等时，此时输出功率最大[7]。DC-DC升压电路的MPPT控制策略是通过改变占空比而使得两者阻抗进行匹配，本文采用的MPPT方法为电导增量方法。

DC-AC变换器控制技术

图1.3 逆变器交流侧矢量关系

通过分析逆变器系统的有关矢量，可以得到矢量关系：

(1.1)

逆变器的机侧输出电压矢量用U_i来表示，入网电流矢量用I来表示。电网电压矢量用E来表示。电感上的电压矢量用U_L来表示。

通过控制电压电流的相位可以使得逆变器运行在不同状态，图中画出了四种不同的基本运行状态，可以起到调节有功功率与无功功率的作用。

直接能对并网电流进行控制的方法又称作直接电流控制方法，而直接电流控制方法种类多样，其中应用广泛的有PI控制，本文也采用PI控制方法，除此之外，还有重复控制、PR（比例-谐振）控制、无差拍控制方法[8]。

1.3.3光伏电站谐波谐振的问题研究

图1.4 LCL滤波器与L滤波器Bode图

如图1.4所示，LCL型滤波器是一个三阶网络，当开关频率相同，电感量相同时，LCL的高频衰减特性更好。这就使得LCL滤波器具有更小的体积与更好的滤波特性。但是由于LCL型滤波器具有谐振特性，使得设计时不得不考虑其造成的影响，因为高频的谐波谐振现象会导致逆变器的不稳定运行。所以相应的阻尼措施需要加以应用。

光伏电站中往往有着几十上百台的逆变器，逆变器数量的增长会导致电网等效阻抗的增大，多逆变器并联这种复杂的高阶网络会造成多台逆变器之间的谐振、或者单台逆变器与电网之间的谐振。多逆变器并联还会因为滤波参数不同或控制参数不同而导致网络拥有多个谐振峰，使得谐振特性复杂，难以预测。

1.3.4无源阻尼技术方案

无源阻尼的基本思路是在LCL滤波器上添加阻尼电阻，通过阻尼电阻以实现对其谐振的抑制[9]。这种方法简单有效，但是由于使用了实际的电阻，这导致系统整体的功耗上升，不仅如此，如图1.4所示，无源阻尼方法使得LCL滤波器的高频衰减特性受到影响，这是无源阻尼的两大最大缺点。

1.3.5有源阻尼技术方案

与无源阻尼方法相比，有源阻尼从控制角度出发实现对LCL滤波器谐振的抑制的同时，还由于其不具有实际电阻而不会产生额外的功耗。另一个优点是通过控制方法可以使得LCL滤波器的高频特性不受影响。但是良好的阻尼效果方法需要付出相应的代价，有源阻尼方法增加控制系统的复杂度，而且传感器或状态观测器的增加不可避免。基于状态反馈的有源阻尼方法是无源阻尼方法等效形式，所以也被成为“虚拟阻抗”。实际上，对于LCL滤波器来说，三个滤波元件的电压电流这六种变量，只需要反馈一个变量就可以对系统起到良好的阻尼作用 [10]，而对反馈变量可以进行比例控制、微分控制或者积分控制，所以，从方案的角度来说，理论上存在有多种方式[11]。

1.4主要研究内容

本文以双级光伏并网逆变器模型作为研究基础，了解光伏电站的系统结构，熟悉光伏并网变换器的工作原理及其控制方案；利用MATLAB/Simulink软件进行光伏电站谐波谐振问题；从实际工程应用的具体需求出发对仿真结果进行分析；最后将有源阻尼技对谐波谐振进行阻尼。本文研究内容安排如下：

第一章为绪论，主要讲述了课题研究背景与国内外发展现状，对光伏电站的组成进行了简要阐述。通过介绍引出目前光伏电站中谐波谐振现象与有源阻尼技术研究的热点。第二章为光伏电站系统模型建立，此章分为两个部分，第一部分从数学的角度对单台与多台逆变器的阻抗模型进行了建立，第二部分通过Matlab/Simulink仿真软件建立逆变器时域模型，通过两个模型相互验证，可以增加后续章节分析的可信度。第三章为光伏电站谐振特性与稳定性分析，通过对第二章的数学模型进行分析，可以得到单台与多台逆变器的谐振特性，同时利用ISBA稳定性分析方法，可以深入探究谐振原因，通过文献调研得到了三种实际光伏电站的谐振现象，利用ISBA稳定性分析方法探究了其中两种谐振现象的原因并且用时域仿真模型加以验证。第四章为谐波谐振有源阻尼技术，此章通过采用两种有源阻尼技术对实际光伏电站的谐振现象进行阻尼，探究有源阻尼的阻尼效果。第五章为结论与展望，对前四章内容进行总结，为后续深入研究提供方向。

第2章 光伏电站系统模型建立

2.1 引言

本章通过推导光伏逆变器的传递函数，建立光伏电站的阻抗数学模型，作为下一章节的稳定性分析以及光伏电站的谐波谐振特性的研究基础。并且利用Matlab/Simulink仿真软件搭建两级光伏逆变器时域模型，利用时域仿真模型可对光伏电站稳定性分析与谐波谐振特性作对比验证。

2.2 光伏电站数学模型建立

2.2.1单逆变器系统传递函数模型

图2.1 并网逆变器拓扑

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