合肥工业大学张兴：集中式光伏逆变器抗谐振能力强
2017-02-15 10:37:16
摘要：合肥工业大学教授张兴作《大规模光伏发电关键问题研究》主题报告时表示，大型光伏发电系统中，集中式光伏逆变器具有比较好的抗谐振能力。
以下为张兴教授演讲实录：
张兴：各位来宾、各位领导大家上午好，我是合肥工业大学张兴，长期以来致力于和阳光电源的产学研合作，昨天王教授说到光伏的分布式发展，随着大规模化和高渗透率，带来了光伏系统的从大规模到精细化发展，这几年合肥工业大学研发团队和阳光电源进行了紧密的合作，下面我就给大家汇报几个方面的工作。第一方面就是关于高渗透率光伏系统的调频技术，第二个是组串式和集中式光伏逆变器，第三个是PMW，第四个是电网阻抗对谐振的影响对比。
首先谈谈为什么调频，随着渗透率的增加，特别是分布式能源和新能源的加入，最重要的是电力电子化，给系统带来了非常多的问题，其中第一个问题就是调频问题。从传统的电源来看，如果它系统是平衡的，它的频率是稳定的，如果一旦发生不平衡，负载突变的时候，如果是传统的电力系统，它由于系统惯性，它能坚持两到三秒钟，开始一次调频，15分钟以后开始二次调频，所以频率变化一直在固定的范围里面，但随着渗透率的提高，所以惯性比例就相对减小，一旦发生不平衡的负载频率就不能满足，按照传统的一次调频和二次调频来说就不能满足要求。国家运行准则对调频有着严密的控制，我们看看从电力电子电源的运行方式来看，无论光伏和风电，目前并网运行的条件主要是并到电网上去，随着分布式电源的发展以后会形成主网的运行，我们从两个方面来解析并网方式对调频技术的影响。首先看看高渗透率下的并网调频运行，我们看一下PQ控制，实现功率跟踪控制，对频率没有调频的措施，所以一旦发生频率事件以后，没有干预的能力，所以会造成一些频率的波动。实际上光伏现在已经有一些调频的要求，这个调频是在原来的最大功率点跟踪指令基础上，我们增加了一个调频环，这个调频环是根据平面波动来施加能量，如果是双向必须增加储能的，这个调频的控制对特性有很好的影响，如果不调频它的频率波动比较大，一旦调频以后频率波动相对减小，这种比例的调频措施不能满足系统的需求，还需要进一步改变调频性，如果在比例技术上加上一个频率微分，调频效果就比较好，所以在微分的控制就是以后调频发展的方向。
我们把刚才的调频分成三类，一类PQ控制是最好，在这个微分出现以前，人们就想到是不是可以用发电厂的同步发电机机来模拟呢，这是可以的，我们看到如果把光伏逆变器并网系统加进了VSG，就是虚拟同步机的性能，它的调频就变成这样的特性，这个和带微分的调频是不谋而合的，所以这两种模式是等效的。我们看看光储一体化逆变器首先组成一个VSG系统，这个在阳光已经产业化了，当然它还可以跟微网组成一个系统。在高渗透率还有一个很重要的分布式电源，就像昨天王老师讲的，这个分布式电源难度非常大，希望由新能源进行主网运行，那主网有调频机制吗？没有，第一种方式形成电网的参考，其它的新能源并到上面去，按照常规的发电模式是可以的，但是需要一个固定的主从控制电源，第二种采用对等控制，第一它能主网，第二它能获得功率的均分，大家看一看这种功率均分的主网模式，可以实现即插即用，但是带来的后果是频率发生突变，这种频率的突变对电网的系统来讲是不合适的，怎么办呢？我们可以加入组网模式，在获得功率均分的同时，还可以在动态过程当中，使频率缓慢下降，我们看一下它的响应，如果负荷突变的话，没有虚拟同步机频率是突变的，有了虚拟同步机就是缓慢缓慢的，所以虚拟同步在这儿展示了非常好的调频效果。
我们看看把主网模式第二类模式分成三类，也可以发现这种带有虚拟同步的调频模式是未来最好的模式，我们跟阳光在2014年落地的，是个典型的多能互补的电源，加了阳光生产的虚拟同步机以后，通过初次对比获得了比较好的，无论是频率波动，还是功率波动都得到了好评。刚才讲的是高渗透率对调频技术的要求，现在调频作为新能源发电的高渗透率和高比例发电系统。
第二是组串式和集中式光伏逆变器谐振特征比较，谐振一般来讲从逆变器的本身来说，它有几个方面的原因导致谐振，第一是逆变器的控制，第二个电网背景谐波，第三个PMW的开关谐波，如果研究谐振的话必须从控制性的谐振特性、逆变器输出阻抗特性几个方面进行。我们专门讲一下研究的结果，首先谈一谈集中式和组串式的到底有什么差异，首先组串式的逆变器功率稍微小一点，集中式逆变器的功率比较大，这种形式来比较一下，它的特别之处是在于滤波器的设计不同，组串式滤波器采用了LC或者L2的结构，集中式它是标准的LC、L2，它采用的是逆变器总输出电压作为电网电压定向，我们先比较单台的性能，如果从控制延时和电网阻抗来比较，在单台运行的情况下，组串式和集中式的特性比较接近。再看看多台，从多台的同步性开始跟踪，我们得出结论，帝多逆变器PWM载波不同步会引起谐振，第二个对比这两个逆变器而言，集中式逆变器对载波不同度的灵敏度更高。我们第二点比较一下PCC点的电流，无论是组串式和集中式的多逆变器载波同步性对PCC电流均不敏感，第二个载波不同步更有利于PCC电流的抑制能力。对PCC电流而言，无论组串式还是集中式逆变器，其载波同步性不影响PCC点的谐振性，我们再通过一个测试的法则，对一些结论进行测试，所谓测试我们定义了一个谐振稳定裕度，把这个谐振稳定裕度用仿真和实验的方法加以测试和对比，首先看一下底渗透率条件下，载波交错不同角度情况下的谐振稳定裕度，首先看低渗透率时，载波同步性对组串式和集中式的谐振稳定裕度影响，且集中式更为显著；实际上集中式光伏逆变器一般才用两台并联组合并通过变压器隔离，因此只需要两台之间进行载波同步，即可消除多台逆变器之间载波同步性问题。看高渗透率的谐振分析，我们把逆变器分成四类，把它集中成一个集中的模型，很多逆变器把它搞成一台，它有四种，组串式的分成两种，通过一些建模做分析，得出一些结论，首先得出这样的结论，大家看看随着电网阻抗的增加，幅值裕度几乎不变，虽然电网阻抗的增加，组串相角裕度的减小更为明显，我们单独做一下特性的分析，就发现组串式相角裕度随电网阻抗增加下降明显，但始终能保持在裕度30度以上，在相角裕度比较低的时候下降的频率点也下降。在闭环的情况下，进一步分析其随电网阻抗变化的谐振峰情况，随着电网阻抗增加，组串式谐振峰幅值增加更为显著，且频率变化范围大。
我们再来看看对实验室的测试，实验室里面通过电感的大小，发现组串式逆变器的输出谐波幅值随着电网阻抗增加而增加，同时，随着电网阻抗的增加，输出谐波幅值最大值频率不断减小，而集中式逆变器对阻抗的变化并不敏感。再看看阻抗变化条件下，我们看看随着组串式逆变器的功率增加，它的谐波特征主要是13和C字谐波增加的比较快，总的看来它的输出功率的增加也随之增加，这是组串式逆变器的特点。综合对比组串式是逆变器与集中式逆变器，组串式逆变器在大规模用的时候，希望对它的系统进行改进以抑制谐振，集中式逆变器是可以有效抑制谐振。
最后一个问题谈谈大型光伏系统的无功问题，从逆变器开始，随着光伏有功的增加也会影响输出电压，这个有功和无功形成一个始量和，现在的SVG加了以后主要是增加了投入，并且有一些耗电，所以并不是十分经济，它对光伏逆变器工作的详细工作，系统是0.98范围的规定，是在10千伏到35千伏的。光伏电站动态无功响应有一些具体要求，实际上我们谈一谈配置的方案，首先最传统的就是配置SVG，它的好处就是动态相应快，不好的就是成本高。第二个我认为也是一个方案，就是SVG加光伏逆变器的补偿方案，光伏逆变器就地实时补偿第一级升压变及其线路所需无功，这种混合补偿模式就非常好。第三个就全部用光伏逆变器补偿，这种模式最经济，它所需要的控制方式相对复杂，需要两级的控制模式，这种补偿成本低，可靠性高，故障冗余性好，主要采取分级控制模式来进行补偿性能，但是它也有缺点就是占用少量的逆变器容量。这个分级控制也能组成一个分级控制的系统，通过调度来实行，对逆变器的补偿要求牺牲一点的功率，在正负0.9之间调节，所以足够满足系统的调节可达额定容量达到48%，可以满足电站的无功要求。这是阳光电源在现场做了一个测试。最后一个结论，采用虚拟同步发电技术能够高渗透率光伏发电系统频率合电压的支撑，有效提高电网接纳可再生能源的能力。大型光伏发电系统中，集中式光伏逆变器具有比较好的抗谐振能力，第三个基于光伏逆变器自身的无功补偿技术可以有效降低大型光伏电站无功补偿设备的投入。这就是我的报告，欢迎指正，谢谢。(能源新闻网)
