解析组串逆变器谐振脱网现象

随着电站规模不断增大，每个电站中所使用的逆变器数量也随着增加，尤其是如果在大电站选用组串式方案，逆变器数量成十几倍增加，且部分并网点远离发电厂及负荷区，导致谐振的风险增加。 ” 电站一旦脱网，给我们造成的经济损失非常大，直接影响了我们的投资收益，我担心会再次发生脱网 ” ，电站运维工程师如是说。1 担心的事情还是发生了光伏发电 规模日益增大，大型地面光伏电站单体容量也越来越大。在设计大型地面 光伏系统 时，目前业内较为成熟的方法是采用单机容量为 500KW 及以上的集中式逆变器解决方案，该方案技术成熟， 运行稳定。 近两年来，部分厂家推荐业主在大型地面光伏电站中使用组串式逆变器，导致并网点下逆变器的数量成十几倍的增加。以一个 100MW 大型地面光伏电站为例，使用业内成熟的集中式方案，逆变器数量为 200 台，若使用 30KW 的组串式方案，逆变器数量则高达 3400 多台随着逆变器台数不断增多，且部分并网点远离发电厂及负荷区，导致谐振的风险增加。我国西北某个百 MW 级大型地面光伏电站，使用了组串式逆变器解决方案，现场出现了由于并联谐振导致的电站大面积脱网现象，给业主造成了近千万的经济损失。此事件再次引发业内广泛关注，对组串逆变器大面积组网产生的并联谐振风险表示担忧。那么什么是谐振，谐振又是如何导致系统脱网的呢接下来，笔者将带领大家，从技术的角度，对组串逆变器在大型光伏电站出现的并联谐振现象进行分析，探寻电站里的 “ 影子杀手 ” 。通过这番探寻，让你深刻体会到 “ 影子杀手 ” 的威力，也让你知道如何规避这一 “ 影子杀手 ” 的危害。2 并联谐振是什么及其危害大家应该都听说过这样一个故事 18 世纪中叶 ,法国昂热市一座 102 米长的大桥上有一队士兵经过，当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时，桥梁突然断裂，造成 226 名官兵和行人丧生，类似的事件还发生在俄国和美国等地。究其原因，是士兵过桥时，引起了桥的共振。任何物体都有一个固有频率，其固有频率是由物体的密度、外形等物理因素决定的，而施加外力使物体振动的频率叫策动频率，当策动频率等于物体的固有频率时，物体便产生共振，此时振幅达到最大。图 2 为大桥的频率响应曲线，横坐标代表激励源频率的变化，纵坐标代表在此频率下，外界激励造成的大桥产生的振幅。图中可见，大桥的频率响应曲线存在一个最高点，当外界激励源（士兵通过大桥产生的振动）的振动频率恰好落在大桥的固有频率 f0 点时，大桥的振幅达到最大。同时由于步伐一致，多个士兵产生的同方向的振动力直接累加，当士兵的数量达到一定程度时，累加的振动力超过了的大桥的承受能力，导致大桥断裂。可见，大桥共振倒塌主要由外部和内部两个关键因素决定，外部因素包括士兵的数量，和士兵过桥时步伐的方式。如果士兵的数量少，无论以什么方式通过大桥，也不会导致大桥倒塌，当士兵多到一定数量的时候，通过的方式就起到了决定性的作用。内部因素主要是桥的结构及桥的质量，即桥能承受的最大振幅，坚固的桥可以承受的振幅大，不容易出现倒塌，脆弱的桥则可能很少的士兵就可以使其倒塌。对于一个桥而言，内部因素改变相对较难，外部因素则相对容易改变。例如通过改变一次通过大桥士兵的数量（分批过桥）或将整齐的步伐改成走便步，即改变并分散士兵过桥产生的振动频率，使其偏离大桥的固有频率，比如改变振动的频率到图 2 中的 f1 处，则同样的外界振动力，引起大桥产生的振幅将大幅减小，有效避免了大桥坍塌的风险。目前各国对大队士兵过桥改成走便步的规定正式基于这个考虑。光伏 电站的组串式 逆变器 产生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。然而，士兵过桥可以通过简单的改变过桥的人数或步伐有效的解决，逆变器的并联谐振由于影响因素多，且具有一定的不确定性，却远不是那么容易解决的问题。3 引起并联谐振内在原因是什么引起逆变器并联谐振的原因有很多，如逆变器控制技术、逆变器的电路结构及参数选择等，学术界也有很多类似的研究。但最根本的原因是随着并联数量的不断增加，逆变器阻抗不断降低并与电网阻抗不匹配造成的。组串式逆变器组网的典型 光伏系统 结构如图 3a所示，由电路的基本原理可将系统等效为图 3b所示的电路，并最终可建立图 3c所示的阻抗模型。图中 ZL 为每台逆变器阻抗， ZT 为每个单元升压变阻抗， Z0 为所有并网逆变器输出阻抗 ZL 和 ZT 的合成值，由于变压器阻抗 ZT 基本稳定，因此 Z0 主要受逆变器阻抗 ZL 影响。 K1--KN 为每个方阵单元输出开关、 K 为并网点开关， Zg 为从 PCC 点往电网侧看的电网等效阻抗。由电路理论和控制系统基本原理可知，对上图所示的系统，其稳定性取决于 Z0 与 Zg 的比值。理想情况下，逆变器侧阻抗 Z0 很大，电网阻抗 Zg 很小，二者比值大，系统工作稳定。反之，当 Z0/Zg 变小时，系统稳定性变差，即出现谐振现象，即某个频次下的谐波幅值被放大很多倍，导致单元并网点开关（ K1 kN ）或总并网开关（ K）继电保护动作，即跳闸脱网。图 4 是某现场实际测试到的波形，那么影响 Z0 和 Zg 的因素有哪些呢（ 1） Z0 影响因素分析Z0 的大小主要取决于 逆变器 阻抗，除了受逆变器本身滤波电路、开关频率等因素影响外，一个十分重要的影响因素是逆变器并联台数。如图 5 所示，当并联逆变器的台数逐渐增加时， Z0 不断减小 ,进而 Z0/Zg 比值越来越小。系统越来越不稳定，最终导致谐振。正如“ 士兵 ” 通过 “ 大桥 ” 一样，当士兵的数量不断增加时，导致大桥的振幅不断增加，如果 “ 士兵过桥的方式 ” 控制不好，则将导致 “ 大桥 ” 坍塌。（ 2） Zg 影响因素分析电网阻抗 Zg 与系统安装的位置，电网本身的特性、 光伏系统 接入电网额容量及系统运行方式等因素相关，不同系统其差异性很大。如对于一个处于电网末端的弱电网， Zg 将变大， Z0/Zg 比值降低，则相对更容易出现谐振。这就好比一个强度很差的 “ 大桥 ” ，即使同样数量的士兵，通过一个水泥桥可能安然无恙，但通过一个强度很差的木桥，则会导致 “ 大桥 ” 倒塌的道理一样。电网阻抗 Zg 由于所处电网的容量不同，地域性不同导致其本身差异性很大，各个系统并网逆变器运行的台数也与不尽相同。因此，导致并联谐振现象具有一定的随机性，同样的并网逆变器及系统配置，在不同的并网点及并网时间所表现出来的现象各异，因此会存在某些电站出现谐振，在其他区域电站并网时没有发现谐振，某个时间段内能正常工作，某个时间点出现谐振的随机特性。针对一个已经发生的并联谐振现场，现场逆变器加入了一些诸如 APF ，有源阻尼等智能算法暂时抑制了谐振问题，但由于电网阻抗的多变性，理论上还存在再谐振风险。同时因为额外增加了抑制谐振的补救措施，可能会导致系统效率大幅降低，损失发电量。4 如何消灭 “ 影子杀手 ”从上述分析可知， 光伏 系统产生谐振的根本原因是逆变器并联数量过多，其输出阻抗不断降低后与电网阻抗不匹配，使得某个频次下的谐波幅值被放大很多倍，进而导致单元并网点开关或总并网开关继电保护动作，即跳闸脱网。因此，预防光伏电站产生谐振最有效的措施，是尽可能的降低逆变器的并联数量，对于大型荒漠电站，建议选用集中式逆变器，对一些装机容量在 5MW 以上、存在严重朝向不一致和遮挡现象的复杂应用场合，建议选用单机功率更大的组串式逆变器，以进一步减少逆变器的数量，降低谐振脱网的风险。