光伏扶貧遇上農(nóng)村弱電網(wǎng)如何解決?

一、前言

中國(guó)光伏扶貧項(xiàng)目的實(shí)施，一般以縣級(jí)、村級(jí)為單位，每戶安裝3kW-5kW為主要的應(yīng)用形式。

系統(tǒng)集成商朋友們，除了要應(yīng)對(duì)農(nóng)村屋頂多變的安裝條件以外，還面臨很多復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，比如說(shuō)：農(nóng)村弱電網(wǎng)電壓、頻率不穩(wěn)定、多個(gè)分布式光伏系統(tǒng)同時(shí)并入電網(wǎng)，導(dǎo)致多機(jī)并聯(lián)進(jìn)而引起的諧振、電壓抬升，以及更加復(fù)雜的負(fù)載情況。

這就是今天要跟大家一起關(guān)注和解釋的問(wèn)題，當(dāng)然，這里會(huì)有一些相對(duì)專(zhuān)業(yè)的概念介紹，希望大家仔細(xì)閱讀，歡迎您參與留言討論及批評(píng)指正。

二、弱電網(wǎng)、諧振的概念

1）電網(wǎng)電壓過(guò)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(cè)量得出電網(wǎng)電壓高于此范圍，則意味著電網(wǎng)電壓過(guò)高。

對(duì)應(yīng)解決方案，稍后我會(huì)給出。

2）弱電網(wǎng)（一般出現(xiàn)在電網(wǎng)末端，如偏遠(yuǎn)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(gè)或者兩個(gè)以上的電信號(hào)在周期性變化上的吻合，這里的電信號(hào)是指電壓和電流的周期性變化。當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，如果外加給諧振支路一個(gè)任意小的電壓，理論上支路上都將有無(wú)窮大的電流；并聯(lián)諧振時(shí)，從外電路流入并聯(lián)諧振回路一個(gè)任意小的電流，理論上都將引起回路兩端無(wú)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(dǎo)致逆變器報(bào)電網(wǎng)電壓過(guò)高而脫網(wǎng)。

當(dāng)電網(wǎng)阻抗Rg與Lg很大時(shí)，逆變器輸出電流Iac會(huì)在Rg與Lg上產(chǎn)生很大的壓降，會(huì)造成逆變器并網(wǎng)端電壓快速上升，最終導(dǎo)致光伏逆變器報(bào)電網(wǎng)電壓過(guò)高而脫網(wǎng)。

2）諧振會(huì)導(dǎo)致逆變器過(guò)流脫網(wǎng)

弱網(wǎng)條件下的單機(jī)高阻抗諧振或者多機(jī)并聯(lián)諧振會(huì)引起逆變器輸出電流震蕩，電感異常聲響；輸出特性變差，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致逆變器過(guò)流脫網(wǎng)。

下圖是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形：

四、多機(jī)并聯(lián)諧振產(chǎn)生的原因

1.多機(jī)并聯(lián)諧振波形

當(dāng)并網(wǎng)臺(tái)數(shù)較少時(shí)，圖4中的A、B、C3個(gè)點(diǎn)觀察到標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓電流波形。當(dāng)并聯(lián)臺(tái)數(shù)超過(guò)一定闕值時(shí)，逆變器會(huì)發(fā)生諧振，A點(diǎn)的波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，實(shí)測(cè)諧振電壓和電流波形如圖5所示。

2.多機(jī)并聯(lián)諧振原因

a.多機(jī)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，單個(gè)并網(wǎng)逆變器大都采用無(wú)隔離變壓器的拓?fù)浣Y(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(jì)會(huì)使逆變器系統(tǒng)頻帶中存在諧振頻率點(diǎn)。

b.無(wú)隔離變壓器的拓?fù)浣Y(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(gè)復(fù)雜的高階電網(wǎng)絡(luò)。這一高階電網(wǎng)絡(luò)的存在不僅會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出諧波電流放大，嚴(yán)重時(shí)則可能會(huì)導(dǎo)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(diǎn)(points of common connection，PCC)阻抗的變化會(huì)使PCC處的電壓對(duì)功率波動(dòng)更加敏感，而PCC處的電壓波動(dòng)又可能導(dǎo)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(jìn)一步導(dǎo)致全局并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的發(fā)生。

3.多機(jī)并聯(lián)諧振頻率分析

圖7為不同臺(tái)數(shù)逆變器并聯(lián)時(shí)，電網(wǎng)電壓對(duì)輸出電流影響的傳遞函數(shù)波德圖?？梢?jiàn)，隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)增多，諧振頻率會(huì)降低，容易產(chǎn)生諧振。當(dāng)其他并聯(lián)逆變器并網(wǎng)功率增大時(shí)，流過(guò)電網(wǎng)等效阻抗的電流增大，相當(dāng)于單臺(tái)逆變器控制模型中的電網(wǎng)阻抗增大，也會(huì)對(duì)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(wú)源阻尼法、APF等，它們能暫時(shí)抑制諧振問(wèn)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(jià)。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(gè)系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器運(yùn)行的臺(tái)數(shù)也不盡相同導(dǎo)致并網(wǎng)諧振現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性。故現(xiàn)有技術(shù)一方面可能會(huì)影響逆變器濾波性能，另一方面也會(huì)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(jià)，在正常并網(wǎng)情況下無(wú)法保證電網(wǎng)的友好性。因此現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足各類(lèi)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(wèn)題。該技術(shù)也成功應(yīng)用在多個(gè)扶貧項(xiàng)目中。

下面是某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)加入諧波抑制算法前后對(duì)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(yùn)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(huì)引起電網(wǎng)波形畸變使設(shè)備出現(xiàn)異常或者故障，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(duì)農(nóng)網(wǎng)進(jìn)行改造，一方面通過(guò)逆變器的先進(jìn)技術(shù)加以抑制。