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组串式逆变器多机并联谐振问题分析
2015-08-19

      广受客户欢迎的古瑞瓦特技术专题系列现在来到了第三期,本期分享的是组串式逆变器多机并联谐振问题分析,后续更多技术专题分享以及公司信息请继续关注古瑞瓦特官网www.growatt.com以及官方微信号Growatt_New_Energy。
一、并联谐振问题产生的背景

      光伏规模日益增大,分布式光伏电站和大型地面光伏电站单体容量也越来越大。随着组串式逆变器方案越来越多被广大光伏业主所接纳和应用,在同一个并网点下的逆变器数量越来越多,且部分并网点远离发电厂及负荷区,于是越来越多的业主开始担心组串式逆变器多机并联谐振问题,因为光伏电站一旦发生谐振问题,就会导致逆变器大面积脱网问题,给业主造成巨大的经济损失。
二、并联谐振问题及其危害是什么?
我们先看两个历史事故:
       1831年,一支高歌凯旋的骑兵队雄赳赳、气昂昂地通过英国曼彻斯特附近的一座吊桥。洪亮而由节奏的“嗒、嗒、嗒”的马蹄声充分展示了队伍的雄风。然而,随着一声巨响,大桥突然倒塌,人马纷纷坠入河中,死伤惨重。
       1906年的某一天,俄国首都彼得格勒有一支全副武装的沙皇军队正步伐整齐、不可一世地通过坚固无比,纵然跑过千军万马也难以撼动的爱妃华特大桥。可就在指挥官正洋洋得意地指挥军队前进时,突然桥身剧烈振动起来。然后伴着一声巨大的断裂声,大桥崩塌了。顿时,军官、士兵、辎重、马匹纷纷落水,马嘶人叫,狼狈不堪。
       以上两起事故均由共振现象所引起。共振,振动体在周期性变化的外力作用下,当外力的频率与振动体固有频率相等或相近时,振动的幅度就急剧增大,共振所造成的危害超出人类的想象。
       光伏电站中组串式逆变器产生并联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。
三、并联谐振问题的本质原因分析
      目前,市场上所有光伏逆变器厂商都标示自己的产品总体谐波畸变率THD小于3%,即向电网系统注入的谐波总量不会超过本身基波3%。下图3.1为大型光伏电站中组串式逆变器多机并联示意图。


图3.1 大型电站中组串式逆变器多机并联方案示意图


组串式逆变器多机并联时可以等效为下图3.2所示系统模型图。


图3.2 大型电站中组串式逆变器多机并联系统模型图


当光伏电站采用组串式逆变器多机并联时,系统总体的谐波畸变率可以表示为:


(其中代表的2次,3次谐波分量,代表着1次基波分量,直到m次)

 
我们假定所有逆变器功率一样,谐波畸变率也一样,那么


      上述分析表明:理论上讲,系统如果是稳定的,当每台光伏逆变器总体谐波畸变率THD小于3%,那么系统总体谐波畸变率小于3%。
      但是上述结论必须限定为稳定的系统,实际上由于多台逆变器并联,还会存在引起系统不稳定的因素。现对单台逆变器进行分析,上图中单台逆变器中为电感,为电容,
假定,
那么单台逆变器的系统方程可以写为


从系统方程看系统是稳定的,但是当我们考虑系统阻抗时,系统方程变为


      可以看出系统存在谐振点,这样系统就会由于谐振的问题导致出现谐波放大,从而出现不稳定。
      一般情况下,系统阻抗不是很大,对于单台逆变器来说,,系统方程趋向于,系统是稳定的。
      但是在多台逆变器并联的情况下,通过理论分析系统阻抗对于单台逆变器将会变为,那么当多台光伏逆变器并联的情况下,系统阻抗对于逆变器的影响变大为n倍,随着并联逆变器越多,系统阻抗的影响越大,进而引入系统的谐振点,导致系统放大谐波,出现并联谐振问题。
四、并联谐振问题的解决方法
      通过分析并联谐振问题的本质原因,结合光伏并网逆变器的应用实际情况,我们找到了该问题的解决方法,通过调整光伏并网逆变器的软件控制算法进行阻抗匹配,从本质上消除系统阻抗影响,使系统趋于稳定。具体实验比较结果如下:


图4.1 未加入控制算法的电网波形


      从上图4.1可以看到,未加入控制算法前,系统电流波形出现严重振荡,系统处于非常不稳定状态。


图4.2加入控制算法后的电网波形


      从上图4.2可以看到,加入控制算法之后,系统电流波形几乎没有发生振荡,系统处于十分稳定状态。
      结论:光伏电站系统由于存在系统阻抗,使光伏逆变器多机并联存在不稳定因素,而且随着光伏逆变器并联的数目增多,这个系统阻抗对于光伏逆变器系统稳定的影响越来越大,从而导致并联谐振的发生。Growatt公司产品采用独创性的控制算法,能够降低系统阻抗对逆变器的影响,彻底消除此种不稳定现象,从而有效避免并联谐振问题的发生。

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