光伏扶貧遇上農(nóng)村弱電網(wǎng)如何解決?

一、前言

中國光伏扶貧項目的實施，一般以縣級、村級為單位，每戶安裝3kW-5kW為主要的應用形式。

系統(tǒng)集成商朋友們，除了要應對農(nóng)村屋頂多變的安裝條件以外，還面臨很多復雜的技術(shù)問題，比如說：農(nóng)村弱電網(wǎng)電壓、頻率不穩(wěn)定、多個分布式光伏系統(tǒng)同時并入電網(wǎng)，導致多機并聯(lián)進而引起的諧振、電壓抬升，以及更加復雜的負載情況。

這就是今天要跟大家一起關(guān)注和解釋的問題，當然，這里會有一些相對專業(yè)的概念介紹，希望大家仔細閱讀，歡迎您參與留言討論及批評指正。

二、弱電網(wǎng)、諧振的概念

1）電網(wǎng)電壓過高

光伏系統(tǒng)并入電網(wǎng)，根據(jù)安全規(guī)范要求，光伏系統(tǒng)必須在允許的范圍內(nèi)工作。如測量得出電網(wǎng)電壓高于此范圍，則意味著電網(wǎng)電壓過高。

對應解決方案，稍后我會給出。

2）弱電網(wǎng)（一般出現(xiàn)在電網(wǎng)末端，如偏遠地區(qū)、農(nóng)村）

一般大電網(wǎng)可以視為理想電壓源，輸出阻抗可以視為零，弱電網(wǎng)則不可以，電網(wǎng)阻抗不可忽略，等效模型如下：

其中Ug’為理想電網(wǎng)電壓；Ug為弱電網(wǎng)電壓；Ig為并網(wǎng)電流。

3）諧振

在電力系統(tǒng)中，諧振的含義就是兩個或者兩個以上的電信號在周期性變化上的吻合，這里的電信號是指電壓和電流的周期性變化。當發(fā)生串聯(lián)諧振時，如果外加給諧振支路一個任意小的電壓，理論上支路上都將有無窮大的電流；并聯(lián)諧振時，從外電路流入并聯(lián)諧振回路一個任意小的電流，理論上都將引起回路兩端無窮大的電壓。這兩種情況，在電力系統(tǒng)中往往是要努力避免的。

三、弱網(wǎng)高阻抗諧振的危害

1）抬高逆變器并網(wǎng)端電壓，導致逆變器報電網(wǎng)電壓過高而脫網(wǎng)。

當電網(wǎng)阻抗Rg與Lg很大時，逆變器輸出電流Iac會在Rg與Lg上產(chǎn)生很大的壓降，會造成逆變器并網(wǎng)端電壓快速上升，最終導致光伏逆變器報電網(wǎng)電壓過高而脫網(wǎng)。

2）諧振會導致逆變器過流脫網(wǎng)

弱網(wǎng)條件下的單機高阻抗諧振或者多機并聯(lián)諧振會引起逆變器輸出電流震蕩，電感異常聲響；輸出特性變差，嚴重的會導致逆變器過流脫網(wǎng)。

下圖是現(xiàn)場測試波形：

四、多機并聯(lián)諧振產(chǎn)生的原因

1.多機并聯(lián)諧振波形

當并網(wǎng)臺數(shù)較少時，圖4中的A、B、C3個點觀察到標準正弦電壓電流波形。當并聯(lián)臺數(shù)超過一定闕值時，逆變器會發(fā)生諧振，A點的波形發(fā)生嚴重畸變，實測諧振電壓和電流波形如圖5所示。

2.多機并聯(lián)諧振原因

a.多機并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，單個并網(wǎng)逆變器大都采用無隔離變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)，且一般采用LCL濾波器，后面的L為等效電感。采用LCL濾波器的設(shè)計會使逆變器系統(tǒng)頻帶中存在諧振頻率點。

b.無隔離變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)客觀上又建立了多逆變器間的關(guān)聯(lián)與耦合，其中各自逆變器的LCL濾波回路相互的關(guān)聯(lián)以及線路上分布參數(shù)阻抗的影響，使多逆變器的輸出回路構(gòu)成了一個復雜的高階電網(wǎng)絡。這一高階電網(wǎng)絡的存在不僅會導致逆變器輸出諧波電流放大，嚴重時則可能會導致多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的諧振。

c.隨著并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穿透率的提升，公共連接點(points of common connection，PCC)阻抗的變化會使PCC處的電壓對功率波動更加敏感，而PCC處的電壓波動又可能導致局部逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的諧振，這一局部逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的諧振又可能進一步導致全局并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的發(fā)生。

3.多機并聯(lián)諧振頻率分析

圖7為不同臺數(shù)逆變器并聯(lián)時，電網(wǎng)電壓對輸出電流影響的傳遞函數(shù)波德圖?？梢?，隨著并聯(lián)臺數(shù)增多，諧振頻率會降低，容易產(chǎn)生諧振。當其他并聯(lián)逆變器并網(wǎng)功率增大時，流過電網(wǎng)等效阻抗的電流增大，相當于單臺逆變器控制模型中的電網(wǎng)阻抗增大，也會對諧振頻率產(chǎn)生間接影響。

五、諧振抑制方法

現(xiàn)在解決諧振的辦法有無源阻尼法、APF等，它們能暫時抑制諧振問題，但是其增加了成本，并且以犧牲系統(tǒng)效率，損失發(fā)電量為代價。再者，考慮到電網(wǎng)阻抗的多變性，所處電網(wǎng)的容量不同，各個系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器運行的臺數(shù)也不盡相同導致并網(wǎng)諧振現(xiàn)象具有一定的隨機性。故現(xiàn)有技術(shù)一方面可能會影響逆變器濾波性能，另一方面也會增加系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)效率，且抑制諧振技術(shù)往往以犧牲逆變器的輸出特性為代價，在正常并網(wǎng)情況下無法保證電網(wǎng)的友好性。因此現(xiàn)有技術(shù)無法滿足各類型電網(wǎng)的并網(wǎng)要求。

固德威在逆變器軟件中增加了智能有源阻尼抑制算法，提供了一種既保證正常情況下的輸出特性，又能保證高阻抗等諧振狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性的諧振抑制方法，得以較好的解決了弱網(wǎng)條件下諧振的問題。該技術(shù)也成功應用在多個扶貧項目中。

下面是某個現(xiàn)場加入諧波抑制算法前后對比的波形。

可以看出，加入諧波抑制算法后高阻抗得到了很好的抑制，逆變器可以持續(xù)穩(wěn)定的運行。

六、總結(jié)

諧振不僅影響光伏系統(tǒng)效率和發(fā)電量，還會引起電網(wǎng)波形畸變使設(shè)備出現(xiàn)異?；蛘吖收?，但是在農(nóng)村弱電網(wǎng)高阻抗存在的前提下諧波是很難避免的，我們一方面期待政府對農(nóng)網(wǎng)進行改造，一方面通過逆變器的先進技術(shù)加以抑制。