文，水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院 院副總工程師 楊戈秀

編者按：

前不久筆者在西北走訪時，據(jù)業(yè)主反映我國西北某個百MW級大型地面光伏電站，使用了組串式逆變器解決方案，電站出現(xiàn)了大面積脫網(wǎng)現(xiàn)象，給業(yè)主造成了近千萬的經濟損失。此事件再次點燃了大家對組串逆變器大面積組網(wǎng)帶來諧振脫網(wǎng)風險的擔憂。組串式逆變器并聯(lián)諧振問題被業(yè)內稱為光伏電站的“影子殺手”。



隨著電站規(guī)模不斷增大，每個電站中所使用的逆變器數(shù)量也隨著增加，尤其是如果在大電站選用組串式方案，逆變器數(shù)量成十幾倍增加，且部分并網(wǎng)點遠離發(fā)電廠及負荷區(qū)，導致諧振的風險增加。”電站一旦脫網(wǎng)，給我們造成的經濟損失非常大，直接影響了我們的投資收益，我擔心會再次發(fā)生脫網(wǎng)”，電站運維工程師如是說。

1. 擔心的事情還是發(fā)生了

光伏發(fā)電規(guī)模日益增大，大型地面光伏電站單體容量也越來越大。在設計大型地面光伏系統(tǒng)時，目前業(yè)內較為成熟的方法是采用單機容量為500KW及以上的集中式逆變器解決方案，該方案技術成熟，運行穩(wěn)定。近兩年來，部分廠家推薦業(yè)主在大型地面光伏電站中使用組串式逆變器，導致并網(wǎng)點下逆變器的數(shù)量成十幾倍的增加。以一個100MW大型地面光伏電站為例，使用業(yè)內成熟的集中式方案，逆變器數(shù)量為200臺，若使用30KW的組串式方案，逆變器數(shù)量則高達3400多臺！隨著逆變器臺數(shù)不斷增多，且部分并網(wǎng)點遠離發(fā)電廠及負荷區(qū)，導致諧振的風險增加。

我國西北某個百 MW級大型地面光伏電站，使用了組串式逆變器解決方案，現(xiàn)場出現(xiàn)了由于并聯(lián)諧振導致的電站大面積脫網(wǎng)現(xiàn)象，給業(yè)主造成了近千萬的經濟損失。此事件再次引發(fā)業(yè)內廣泛關注，對組串逆變器大面積組網(wǎng)產生的并聯(lián)諧振風險表示擔憂。

那么什么是諧振，諧振又是如何導致系統(tǒng)脫網(wǎng)的呢？接下來，筆者將帶領大家，從技術的角度，對組串逆變器在大型光伏電站出現(xiàn)的并聯(lián)諧振現(xiàn)象進行分析，探尋電站里的“影子殺手”。通過這番探尋，讓你深刻體會到“影子殺手”的威力，也讓你知道如何規(guī)避這一 “影子殺手”的危害。

2. 并聯(lián)諧振是什么及其危害

大家應該都聽說過這樣一個故事: 18世紀中葉,法國昂熱市一座102米長的大橋上有一隊士兵經過，當他們在指揮官的口令下邁著整齊的步伐過橋時，橋梁突然斷裂，造成226名官兵和行人喪生，類似的事件還發(fā)生在俄國和美國等地。


圖 1 大隊人馬過橋產生共振致使橋塌

究其原因，是士兵過橋時，引起了橋的共振。任何物體都有一個固有頻率，其固有頻率是由物體的密度、外形等物理因素決定的，而施加外力使物體振動的頻率叫策動頻率，當策動頻率等于物體的固有頻率時，物體便產生共振，此時振幅達到最大。圖2為大橋的頻率響應曲線，橫坐標代表激勵源頻率的變化，縱坐標代表在此頻率下，外界激勵造成的大橋產生的振幅。圖中可見，大橋的頻率響應曲線存在一個最高點，當外界激勵源（士兵通過大橋產生的振動）的振動頻率恰好落在大橋的固有頻率f0點時，大橋的振幅達到最大。同時由于步伐一致，多個士兵產生的同方向的振動力直接累加，當士兵的數(shù)量達到一定程度時，累加的振動力超過了的大橋的承受能力，導致大橋斷裂。



圖2 大橋的頻率響應曲線

可見，大橋共振倒塌主要由外部和內部兩個關鍵因素決定，外部因素包括士兵的數(shù)量，和士兵過橋時步伐的方式。如果士兵的數(shù)量少，無論以什么方式通過大橋，也不會導致大橋倒塌，當士兵多到一定數(shù)量的時候，通過的方式就起到了決定性的作用。內部因素主要是橋的結構及橋的質量，即橋能承受的最大振幅，堅固的橋可以承受的振幅大，不容易出現(xiàn)倒塌，脆弱的橋則可能很少的士兵就可以使其倒塌。

對于一個橋而言，內部因素改變相對較難，外部因素則相對容易改變。例如通過改變一次通過大橋士兵的數(shù)量（分批過橋）或將整齊的步伐改成走便步，即改變并分散士兵過橋產生的振動頻率，使其偏離大橋的固有頻率，比如改變振動的頻率到圖2中的f1處，則同樣的外界振動力，引起大橋產生的振幅將大幅減小，有效避免了大橋坍塌的風險。目前各國對大隊士兵過橋改成走便步的規(guī)定正式基于這個考慮。

光伏電站的組串式逆變器產生諧振的現(xiàn)象與大橋共振的現(xiàn)象十分相似。如果把逆變器比作士兵，大橋比作電網(wǎng)，當并聯(lián)的逆變器多到一定數(shù)量的時候，在某個頻率點產生共振，即會導致“大橋倒塌“，即脫網(wǎng)。而且諧振的風險與電網(wǎng)的強弱也有直接關系，對于一些線路較長，處于遠端位置的電網(wǎng)環(huán)境，則更容易產生諧振脫網(wǎng)現(xiàn)象。然而，士兵過橋可以通過簡單的改變過橋的人數(shù)或步伐有效的解決，逆變器的并聯(lián)諧振由于影響因素多，且具有一定的不確定性，卻遠不是那么容易解決的問題。

3. 引起并聯(lián)諧振內在原因是什么

引起逆變器并聯(lián)諧振的原因有很多，如逆變器控制技術、逆變器的電路結構及參數(shù)選擇等，學術界也有很多類似的研究。但最根本的原因是隨著并聯(lián)數(shù)量的不斷增加，逆變器阻抗不斷降低并與電網(wǎng)阻抗不匹配造成的。

組串式逆變器組網(wǎng)的典型光伏系統(tǒng)結構如圖3(a)所示，由電路的基本原理可將系統(tǒng)等效為圖3(b)所示的電路，并最終可建立圖3(c)所示的阻抗模型。圖中ZL為每臺逆變器阻抗，ZT為每個單元升壓變阻抗， Z0為所有并網(wǎng)逆變器輸出阻抗ZL和ZT的合成值，由于變壓器阻抗ZT基本穩(wěn)定，因此Z0主要受逆變器阻抗ZL影響。K1--KN為每個方陣單元輸出開關、K為并網(wǎng)點開關，Zg為從PCC點往電網(wǎng)側看的電網(wǎng)等效阻抗。



圖3 光伏系統(tǒng)原理圖及等效阻抗模型

由電路理論和控制系統(tǒng)基本原理可知，對上圖所示的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性取決于Z0與Zg的比值。理想情況下，逆變器側阻抗Z0很大，電網(wǎng)阻抗Zg很小，二者比值大，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。反之，當Z0/Zg變小時，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，即出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，即某個頻次下的諧波幅值被放大很多倍，導致單元并網(wǎng)點開關（K1…kN）或總并網(wǎng)開關（K）繼電保護動作，即跳閘脫網(wǎng)。圖4是某現(xiàn)場實際測試到的波形。



圖4 多臺逆變器并聯(lián)運行的諧振波形

那么影響Z0和Zg的因素有哪些呢？

（1）Z0 影響因素分析

Z0的大小主要取決于逆變器阻抗，除了受逆變器本身濾波電路、開關頻率等因素影響外，一個十分重要的影響因素是逆變器并聯(lián)臺數(shù)。如圖5所示，當并聯(lián)逆變器的臺數(shù)逐漸增加時， Z0不斷減小,進而Z0/Zg比值越來越小。系統(tǒng)越來越不穩(wěn)定，最終導致諧振。正如“士兵”通過“大橋”一樣，當士兵的數(shù)量不斷增加時，導致大橋的振幅不斷增加，如果“士兵過橋的方式”控制不好，則將導致“大橋”坍塌。



圖5 逆變器并聯(lián)等效阻抗演變圖

（2）Zg影響因素分析

電網(wǎng)阻抗Zg與系統(tǒng)安裝的位置，電網(wǎng)本身的特性、光伏系統(tǒng)接入電網(wǎng)額容量及系統(tǒng)運行方式等因素相關，不同系統(tǒng)其差異性很大。如對于一個處于電網(wǎng)末端的弱電網(wǎng)， Zg將變大， Z0/Zg比值降低，則相對更容易出現(xiàn)諧振。這就好比一個強度很差的“大橋”，即使同樣數(shù)量的士兵，通過一個水泥橋可能安然無恙，但通過一個強度很差的木橋，則會導致“大橋”倒塌的道理一樣。

電網(wǎng)阻抗Zg由于所處電網(wǎng)的容量不同，地域性不同導致其本身差異性很大，各個系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器運行的臺數(shù)也與不盡相同。因此，導致并聯(lián)諧振現(xiàn)象具有一定的隨機性，同樣的并網(wǎng)逆變器及系統(tǒng)配置，在不同的并網(wǎng)點及并網(wǎng)時間所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象各異，因此會存在某些電站出現(xiàn)諧振，在其他區(qū)域電站并網(wǎng)時沒有發(fā)現(xiàn)諧振，某個時間段內能正常工作，某個時間點出現(xiàn)諧振的隨機特性。

針對一個已經發(fā)生的并聯(lián)諧振現(xiàn)場，現(xiàn)場逆變器加入了一些諸如APF，有源阻尼等智能算法暫時抑制了諧振問題，但由于電網(wǎng)阻抗的多變性，理論上還存在再諧振風險。同時因為額外增加了抑制諧振的補救措施，可能會導致系統(tǒng)效率大幅降低，損失發(fā)電量。

4. 如何消滅“影子殺手”

從上述分析可知，光伏系統(tǒng)產生諧振的根本原因是逆變器并聯(lián)數(shù)量過多，其輸出阻抗不斷降低后與電網(wǎng)阻抗不匹配，使得某個頻次下的諧波幅值被放大很多倍，進而導致單元并網(wǎng)點開關或總并網(wǎng)開關繼電保護動作，即跳閘脫網(wǎng)。 因此，預防光伏電站產生諧振最有效的措施，是盡可能的降低逆變器的并聯(lián)數(shù)量，對于大型荒漠電站，建議選用集中式逆變器，對一些裝機容量在5MW以上、存在嚴重朝向不一致和遮擋現(xiàn)象的復雜應用場合，建議選用單機功率更大的組串式逆變器，以進一步減少逆變器的數(shù)量，降低諧振脫網(wǎng)的風險。