鄭嘉龍，楊 鴿，陳開(kāi)宇，張慧珍，孫 章

LCL型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振研究綜述

鄭嘉龍1，楊 鴿1，陳開(kāi)宇1，張慧珍1，孫 章2

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程學(xué)院，四川 崇州 611231；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039)

多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振將威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于具備較好濾波效果，LCL型濾波器常被作為并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器。鑒于近年來(lái)又有很多LCL型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析和抑制方法被提出，有必要進(jìn)一步梳理和總結(jié)。首先，介紹了多逆變器并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電路拓?fù)浼暗刃щ娐?。然后，梳理了頻域分析法、模態(tài)分析法和多輸入多輸出模型分析法的基本概念及其在系統(tǒng)諧振機(jī)理分析中取得的新成果。接著，重點(diǎn)介紹了有源阻尼法、阻抗重塑法和采用有源阻尼器在系統(tǒng)諧振抑制方面的優(yōu)點(diǎn)和局限性，揭示了虛擬電阻和陷波器的應(yīng)用是上述方法的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，還分析了分層控制、控制器參數(shù)優(yōu)化以及系統(tǒng)配置優(yōu)化在系統(tǒng)諧振抑制方面的應(yīng)用。最后，從新型電力系統(tǒng)建設(shè)趨勢(shì)的角度，認(rèn)為多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)正朝著大規(guī)模、多參數(shù)和不同控制方法并用的復(fù)雜系統(tǒng)方向發(fā)展，需要多種分析方法相結(jié)合才能準(zhǔn)確分析其諧振機(jī)理。對(duì)于多逆變器并網(wǎng)諧振的抑制方法而言，傳統(tǒng)有源阻尼法、阻抗重塑法和有源阻尼器將得到進(jìn)一步深入研究，諧振在線監(jiān)測(cè)技術(shù)或?qū)⒊蔀樵撗芯啃碌耐黄瓶凇?/p>

多逆變器并網(wǎng)；LCL濾波器；諧振；機(jī)理分析；有源阻尼；阻抗重塑法；有源阻尼器；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的目標(biāo)，可再生能源發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模將進(jìn)一步增長(zhǎng)[1-2]。高比例新能源的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行備受研究人員關(guān)注[3]?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明多逆變器并網(wǎng)諧振是導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器無(wú)故跳閘的重要原因之一[4]。并網(wǎng)逆變器適用條件多樣性、電路拓?fù)涠鄻有砸约翱刂撇呗远鄻有蕴岣吡硕嗄孀兤鞑⒕W(wǎng)諧振問(wèn)題分析的復(fù)雜度。

逆變器并網(wǎng)所產(chǎn)生諧振的機(jī)理分析一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，不斷創(chuàng)新的研究方法確保了該問(wèn)題的研究深度。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建串并聯(lián)諧振等值電路分析了大型光伏電站諧振放大系數(shù)的影響因素。文獻(xiàn)[6]基于多逆變器并聯(lián)諾頓電路模型分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)系統(tǒng)諧振的影響。文獻(xiàn)[7]分析結(jié)果表明電網(wǎng)背景諧波加劇多逆變器并網(wǎng)電流的諧波畸變程度。文獻(xiàn)[8]分析結(jié)果表明多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)存在多個(gè)諧振頻率，并指出了影響諧振頻率個(gè)數(shù)的因素。上述成果的研究過(guò)程中都采用了頻域法分析了諧振影響因素，但是對(duì)諧振影響因素敏感度分析力度不夠。文獻(xiàn)[9]基于多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的模態(tài)分析法分析同型和異型的多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振，提高了系統(tǒng)諧振時(shí)各元件靈敏度的分析水平。然而，該文所涉及異型逆變器的參數(shù)是指LCL濾波器和阻尼系數(shù)的參數(shù)，還未涉及不同控制策略下多逆變器并網(wǎng)的情況。除了系統(tǒng)諧振相關(guān)影響因素外，研究人員還開(kāi)展了諧振系統(tǒng)的電流研究。文獻(xiàn)[10]基于電流分解模式(current separation scheme, CSS)建立諧振交互模型，分離了逆變器間交互電流與注入電網(wǎng)的電流，論述了逆變器間交互電流導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的影響因素。隨著諧振機(jī)理研究的不斷深入，研究人員也提出了多種抑制方法。文獻(xiàn)[11]在傳統(tǒng)有源阻尼方法的基礎(chǔ)上采用虛擬電阻與陷波器級(jí)聯(lián)，提出了適合多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)高頻諧振抑制的阻抗重塑抑制方法。文獻(xiàn)[12]在不改變電路拓?fù)涞那闆r下，提出一種有源諧波電導(dǎo)方法可以有效抑制逆變器自身諧波電流的輸出，從而避免因逆變器自身因素導(dǎo)致系統(tǒng)諧振現(xiàn)象發(fā)生。文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過(guò)改變并聯(lián)濾波電容組數(shù)阻尼頻率為670～1230 Hz的諧振。文獻(xiàn)[14]通過(guò)建立具有一般性特點(diǎn)的多逆變器系統(tǒng)并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化有源阻尼參數(shù)抑制系統(tǒng)耦合諧振。文獻(xiàn)[15]基于導(dǎo)納重構(gòu)原理，利用PCC處諧波電壓產(chǎn)生虛擬導(dǎo)納，該虛擬導(dǎo)納與系統(tǒng)諧振頻率相關(guān)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)阻抗從而抑制系統(tǒng)諧振。文獻(xiàn)[16]建立多逆變器并網(wǎng)的閉環(huán)數(shù)學(xué)模型后，依據(jù)諧振阻尼表達(dá)式研究有源阻尼系數(shù)對(duì)多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[17]提出采用有源阻尼器抑制系統(tǒng)諧振，雖然該方法將增加電氣設(shè)備，但確實(shí)為系統(tǒng)諧振抑制提供了一個(gè)新的思路。

文獻(xiàn)[18]已經(jīng)對(duì)單機(jī)型和多機(jī)型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)諧振抑制問(wèn)題進(jìn)行了綜述。然而，對(duì)多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析和抑制問(wèn)題介紹的不夠深入。文獻(xiàn)[19]從系統(tǒng)失穩(wěn)的角度總結(jié)梳理了多逆變器并網(wǎng)諧振機(jī)理的傳統(tǒng)頻譜、頻域分析方法和模態(tài)分析方法。該文對(duì)多逆變器并網(wǎng)諧振分析方法的綜述存在局限性，例如，對(duì)于不同參數(shù)的異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析方法的介紹還比較欠缺。同時(shí)，由于分布式發(fā)電單元(distributed generation units, DGs)和大規(guī)模集中發(fā)電系統(tǒng)(large scale centralized generation system, LSCGS)兩種不同應(yīng)用場(chǎng)景中對(duì)多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的約束條件是不同的。因此，本文在上述論文的基礎(chǔ)上，側(cè)重梳理論述近年來(lái)多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析和抑制方面的研究成果，并按照微電網(wǎng)或分布式發(fā)電系統(tǒng)和大規(guī)模集中發(fā)電系統(tǒng)兩種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)取得的新成果進(jìn)行綜述。

1 多逆變器并網(wǎng)電路拓?fù)?/h2>

1.1 多逆變器并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

多逆變器并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照輸入輸出的串并聯(lián)組合可以有4種結(jié)構(gòu)，其中輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的LCL型多逆變器并網(wǎng)電路拓?fù)鋺?yīng)用在中壓或高壓交流系統(tǒng)中[20]。下文闡述并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多逆變器并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示。圖1(a)所示為分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)單臺(tái)逆變器容量較小，逆變器間距離分散，一般直接并入微電網(wǎng)或低壓配網(wǎng)，適應(yīng)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)等場(chǎng)景。圖1(b)所示為集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)單臺(tái)逆變器容量較大，特別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，需要采用匯流母線后經(jīng)配網(wǎng)升壓電力變壓器并網(wǎng)。一般適用于大型光伏電場(chǎng)和風(fēng)電場(chǎng)，所以采用容量更大的三相電力系統(tǒng)。大型光伏電場(chǎng)的逆變器距離較近，同一發(fā)電單元的并聯(lián)逆變器間電纜影響可以忽略不計(jì)。但是大型風(fēng)電場(chǎng)逆變器距離較遠(yuǎn)，特別是海上風(fēng)電場(chǎng)，因此逆變器間的電纜影響不可忽略[21]。上述兩種拓?fù)涠际菃谓涣髂妇€，大規(guī)模分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)還可以采用多交流母線并網(wǎng)，如圖1(c)所示。新能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景不同，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有差別，導(dǎo)致多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的參與因素也不同。

1.2 等效電路

圖2 諾頓等效電路

2 諧振機(jī)理分析

現(xiàn)有研究結(jié)果表明多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的誘因?yàn)橄到y(tǒng)中存在諧波源，逆變器與電網(wǎng)之間的交互以及逆變器之間的交互促成系統(tǒng)發(fā)生諧振，系統(tǒng)諧振強(qiáng)度與逆變器、電網(wǎng)的參數(shù)相關(guān)。前些年的研究對(duì)系統(tǒng)諧振相關(guān)因素給予了極大的關(guān)注，如并網(wǎng)時(shí)輸電線路的距離及電網(wǎng)阻抗、并網(wǎng)逆變器數(shù)量及其參數(shù)，還有背景諧波的類型、次數(shù)等。近些年的研究成果更多關(guān)注多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器與電網(wǎng)、逆變器之間的交互機(jī)理分析。分析方法的創(chuàng)新是獲得機(jī)理分析創(chuàng)新成果的基石。下文在闡述諧振機(jī)理分析方法演化過(guò)程中總結(jié)在系統(tǒng)諧振機(jī)理分析方面取得的成果。

2.1 頻域分析法

基于傳遞函數(shù)的頻域分析法是最早應(yīng)用在多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析的方法。頻域分析法最重要的作用就是確定多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振頻率以及系統(tǒng)諧振時(shí)的系統(tǒng)阻抗。臺(tái)逆變器并網(wǎng)時(shí)，基于PCC點(diǎn)觀察的多逆變器并網(wǎng)阻抗模型如式(1)所示。

根據(jù)系統(tǒng)并聯(lián)諧振PCC處阻抗值最大可得系統(tǒng)諧振頻率的表達(dá)式為

文獻(xiàn)[22]基于疊加原理建立了逆變器間交互電流分量、并網(wǎng)電流分量與逆變器電壓源之間的傳遞函數(shù)。分析認(rèn)為逆變器間交互電流諧振只與其本身LCL濾波器參數(shù)有關(guān)，并網(wǎng)電流諧振與逆變器LCL濾波器參數(shù)以及電網(wǎng)阻抗相關(guān)。同時(shí)指出同型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)具有交互諧振和公共諧振各自獨(dú)立的特點(diǎn)，而不同容量的異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)交互諧振和公共諧振存在耦合現(xiàn)象。文獻(xiàn)[23]基于系統(tǒng)PCC點(diǎn)阻抗表達(dá)式，分析認(rèn)為多逆變器并網(wǎng)存在超高次諧波頻率的系統(tǒng)諧振。文獻(xiàn)[21]采用頻率法分析發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組間傳輸電纜π型等效電路存在多重共振頻率，說(shuō)明在分析海上風(fēng)電多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振時(shí)，相對(duì)于將該傳輸電纜簡(jiǎn)單等效為常規(guī)定值電感而言，π型等效電路更能反映它的真實(shí)特性。該研究將頻率分析法拓展到了系統(tǒng)諧振相關(guān)因素的頻率特性方面。

頻域分析法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的幅頻特性圖可以直觀地判斷系統(tǒng)是否發(fā)生諧振，獲取系統(tǒng)諧振頻率。同時(shí)，可以分析確定同型逆變器等效電路中各參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。頻域分析法的缺點(diǎn)是對(duì)影響系統(tǒng)諧振因素的敏感性分析能力不足，并且針對(duì)某一具體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行諧振分析時(shí)無(wú)法分析系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)對(duì)其的影響。

2.2 模態(tài)分析法

文獻(xiàn)[24]首次提出將模態(tài)法應(yīng)用于電網(wǎng)諧波諧振機(jī)理分析。多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)可等效為多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由圖2多逆變器并網(wǎng)諾頓等效電路建立的臺(tái)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振電壓方程如式(3)。

該系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振時(shí)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)并聯(lián)諧振導(dǎo)致的過(guò)電壓，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的某一特征值趨于零。文獻(xiàn)[25]認(rèn)為在模態(tài)域中實(shí)際系統(tǒng)諧振對(duì)應(yīng)某個(gè)特定模態(tài)是系統(tǒng)的固有性質(zhì)，與節(jié)點(diǎn)是否注入電流無(wú)關(guān)，因此可以很容易識(shí)別出系統(tǒng)諧振點(diǎn)。當(dāng)模態(tài)1發(fā)生時(shí)，文獻(xiàn)[26]認(rèn)為式(4)中的第1個(gè)特征值遠(yuǎn)大于其他模態(tài)阻抗值，遂將其提取出矩陣表達(dá)式，進(jìn)而分析系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)對(duì)該次諧振的參與程度。該文的研究結(jié)果表明同型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)共同參與低頻諧振模態(tài)，只有并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與高頻諧振模態(tài)，而對(duì)于異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中，各類逆變器所占比例是影響諧振模態(tài)數(shù)量變化的一個(gè)重要因素。除了確定諧振點(diǎn)、研究系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)對(duì)諧振的影響外，研究人員也試圖采用模態(tài)法分析系統(tǒng)內(nèi)各相關(guān)因素之間的交互作用對(duì)諧振的影響。逆變器并網(wǎng)電流是分析諧振系統(tǒng)時(shí)內(nèi)部交互很好的切入點(diǎn)。文獻(xiàn)[27]從逆變器并網(wǎng)電流受到的影響因素的角度，提出將其分為受自身因素影響和交互影響兩個(gè)方面。該文建立的交互導(dǎo)納模型可以有效描述多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)具有共性的交互問(wèn)題。這種逆變器并網(wǎng)電流模型沒(méi)有考慮電網(wǎng)背景諧波的影響，適用于分布式電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部交互分析。對(duì)于大規(guī)模集中發(fā)電系統(tǒng)這類受電網(wǎng)影響較大的發(fā)電系統(tǒng)，逆變器并網(wǎng)電流往往被分成3部分：受自身因素影響、交互影響和受電網(wǎng)影響[28]。文獻(xiàn)[28]基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)諧振特性，通過(guò)導(dǎo)納矩陣模態(tài)方法分析逆變器數(shù)量、異型逆變器不同組合、線路阻抗和電網(wǎng)等效阻抗參與系統(tǒng)諧振的變化規(guī)律。大規(guī)模分布式逆變器并網(wǎng)經(jīng)常采用分組接入配網(wǎng)變壓器，如圖1(c)所示。由于配網(wǎng)變壓器泄漏阻抗的作用，該種多交流母線并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的諧振交互更加復(fù)雜?；趫D1(c)中的PCC點(diǎn)建立PCC表達(dá)式后，文獻(xiàn)[29]提出按工作組建立導(dǎo)納矩陣，充分考慮配網(wǎng)變壓器影響，將系統(tǒng)諧振分為逆變器自身諧振、工作組內(nèi)諧振和工作組間諧振。然后，采用頻率法分析3種諧振的頻率特性，認(rèn)為工作組內(nèi)部諧振比工作組間諧振嚴(yán)重的多。

模態(tài)分析法的優(yōu)點(diǎn)是在系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)既可以確定系統(tǒng)的諧振點(diǎn)，又可以分析系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)對(duì)本次諧振的參與程度。通過(guò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納表達(dá)式分析系統(tǒng)物理參數(shù)對(duì)諧振的敏感性。模態(tài)分析法的缺點(diǎn)是基于節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納表達(dá)式矩陣方程無(wú)法描述系統(tǒng)中單臺(tái)逆變器的運(yùn)行特性，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)逆變器間交互機(jī)理分析能力不足。上述科研成果的研究過(guò)程說(shuō)明模態(tài)分析法彌補(bǔ)了頻率分析法對(duì)系統(tǒng)影響因素敏感性分析的不足，但是并不能完全替代頻率分析法，因此兩種方法結(jié)合使用是更有效的分析手段。

2.3 多輸入多輸出模型分析法

頻率分析法和模態(tài)分析法在同型多逆變器并網(wǎng)分析中取得豐碩成果，但是在異型多逆變器并網(wǎng)方面的分析能力稍顯不足。異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振中各逆變器的參與因素仍有差別，因此需要對(duì)各逆變器具體參數(shù)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[30]在測(cè)量并網(wǎng)逆變器輸出阻抗時(shí)首次采用了多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)識(shí)別技術(shù)，開(kāi)啟了MIMO模型在并網(wǎng)逆變器分析中的應(yīng)用。研究人員已經(jīng)開(kāi)始將MIMO模型引入到多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振特性的分析中。文獻(xiàn)[31]考慮了單臺(tái)逆變器并網(wǎng)諧波電流相關(guān)影響因素后，建立了以等效增益?zhèn)鬟f函數(shù)矩陣為系數(shù)的分布式發(fā)電系統(tǒng)諧波阻抗模型。分析該矩陣系數(shù)可以得出系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)逆變器輸出諧波影響因素的權(quán)重。該文所提諧波阻抗模型已經(jīng)具備了多輸入多輸出模型特征。但是，研究人員僅將其作為確定各逆變器輸出電流使用而未對(duì)系統(tǒng)中各元件的交互展開(kāi)討論。文獻(xiàn)[32-33]認(rèn)為多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振源于逆變器本身以及逆變器與電網(wǎng)的交互，因此將其MIMO模型分為逆變器自身穩(wěn)定(也稱為內(nèi)部穩(wěn)定)和外部交互穩(wěn)定(也稱為外部穩(wěn)定)兩大部分。由于文獻(xiàn)[32-33]分別采用逆變器側(cè)電流反饋和電容支路電流反饋，因此它們所提MIMO控制框圖形式略有不同，但本質(zhì)是一樣的。文獻(xiàn)[33]所提逆變器MIMO控制框圖如圖3所示，其中將作為全部電網(wǎng)側(cè)電感電流的輸出變量，作為全部的逆變器參考電流輸入變量。由該框圖可知，MIMO模型法可以通過(guò)矩陣中的傳遞函數(shù)分析電網(wǎng)背景諧波對(duì)單臺(tái)逆變器輸出電流和多臺(tái)逆變器并網(wǎng)電流的影響，也可以通過(guò)矩陣和矩陣中的傳遞函數(shù)獲取控制器參考電流對(duì)單臺(tái)逆變器輸出電流和多臺(tái)逆變器并網(wǎng)電流的影響，也可以通過(guò)矩陣內(nèi)傳遞函數(shù)間的關(guān)系分析逆變器相關(guān)參數(shù)對(duì)逆變器間交互電流的影響。

圖3 多逆變器并網(wǎng)MIMO控制框圖

由上述分析可知，MIMO模型分析法的優(yōu)點(diǎn)是基于系統(tǒng)中各臺(tái)逆變器建立傳遞函數(shù)的分析矩陣，可以很好地描述所有逆變器在系統(tǒng)諧振時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，MIMO模型可以將諧振參與因素敏感度分析細(xì)化到各逆變器的具體參數(shù)上，進(jìn)一步提高各逆變器相關(guān)參數(shù)對(duì)逆變器間交互作用影響的分析能力。該方法對(duì)于同型或異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)都適用。MIMO模型分析法的缺點(diǎn)是需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有逆變器建立傳遞函數(shù)，計(jì)算非常復(fù)雜，計(jì)算量也非常大。采用傳統(tǒng)計(jì)算方式，很難敏銳獲取系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)交互的有效信息。

3 諧振抑制方法

系統(tǒng)諧振抑制方法研究已經(jīng)取得了較多成果，包括有源阻尼法、阻抗重塑法、有源阻尼器以及控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

3.1 有源阻尼法

LCL濾波器的諧振阻尼可以分為無(wú)源阻尼和有源阻尼。無(wú)源阻尼是通過(guò)在LCL濾波器的電感支路或電容支路串聯(lián)或并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)的。阻尼電阻在LCL濾波器電路中位置不同，它的阻尼效果是不同的[34]，6種基本無(wú)源阻尼方法中阻尼電阻在LCL濾波器電路的分布圖如圖4所示。

圖4 阻尼電阻在LCL濾波器上的分布圖

文獻(xiàn)[35]提出基于電容支路電壓和電流的反饋方法抑制多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振。該方法為無(wú)源阻尼方法，在LCL濾波器電容支路上串聯(lián)電阻用于抑制高頻諧波，后再并聯(lián)電阻用于抑制低頻諧波。雖然無(wú)源阻尼也能達(dá)到抑制諧波的效果，但是無(wú)源阻尼電阻造成的能量損失是無(wú)法避免的。有源阻尼是將阻尼電阻通過(guò)控制算法虛擬化，這樣既保證了阻尼效果，又避免了阻尼電阻的能量消耗。對(duì)于多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振抑制的有源阻尼方法研究主要集中在LCL濾波器電容支路串聯(lián)或并聯(lián)虛擬電阻上。由于LCL濾波器電容支路并聯(lián)電阻對(duì)于單臺(tái)逆變器并網(wǎng)LCL濾波器諧振阻尼效果最好，因此基于電容支路并聯(lián)虛擬電阻抑制多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振的研究起步較早[36]，也是目前的主要研究方向之一。文獻(xiàn)[37]在電容并聯(lián)虛擬電阻的基礎(chǔ)上并聯(lián)虛擬電感，分析認(rèn)為該方法可以拓展控制帶寬從而達(dá)到抑制系統(tǒng)諧振的目的。雖然電容串聯(lián)電阻對(duì)單臺(tái)逆變器LCL濾波器諧振阻尼效果不如電容并聯(lián)電阻，但是該方法因損耗較小而被廣泛應(yīng)用于無(wú)源阻尼。研究人員也試圖采用電容支路串聯(lián)虛擬電阻的方法抑制多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振，還提出了電容串聯(lián)虛擬電阻參數(shù)定量計(jì)算方法[38]。除了虛擬電阻反饋外，陷波器的使用也被認(rèn)為是有源阻尼方法。針對(duì)多逆變器并網(wǎng)多諧振問(wèn)題，根據(jù)第2節(jié)多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振機(jī)理分析，文獻(xiàn)[22]在上述傳統(tǒng)有源阻尼的基礎(chǔ)上，提出采用數(shù)字陷波器抑制交互諧振、電容電流有源阻尼抑制LCL濾波器自身諧振的方法。在控制環(huán)路級(jí)聯(lián)傳遞函數(shù)模塊達(dá)到對(duì)已知諧振頻率進(jìn)行阻尼目的的方法稱為陷波器有源阻尼。常用的陷波器傳遞函數(shù)表達(dá)式如式(5)所示。

好的阻尼方法既要滿足諧振抑制要求，還要具有較高的魯棒性。文獻(xiàn)[39]提出一種基于魯棒擾動(dòng)觀測(cè)器的有源阻尼方法，通過(guò)把對(duì)直接控制信號(hào)的修改融入到傳統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)在未知系統(tǒng)參數(shù)且不影響控制帶寬的條件下，計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹C振補(bǔ)償信號(hào)。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以有效抑制孤島微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)諧振。除了基于電流反饋有源阻尼，電壓反饋有源阻尼也得到了重視[40]。文獻(xiàn)[41]提出在電網(wǎng)電壓全前饋路徑上引入了串聯(lián)虛擬電阻，確保只有電網(wǎng)背景諧波被引入到前饋網(wǎng)絡(luò)中，從而抑制并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)的諧波電流。該方法在抑制與系統(tǒng)諧振頻率相同的電網(wǎng)背景諧波方面能起到積極作用，達(dá)到抑制多逆變器與電網(wǎng)交互諧振的目的。

有源阻尼法的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，它在取得良好抑制效果的同時(shí)不會(huì)增加額外的能源損耗。有源阻尼法的缺點(diǎn)是為了提高抑制效果而提出的各種復(fù)雜的改進(jìn)型有源阻尼算法，再結(jié)合電壓前饋策略，對(duì)逆變器控制電路要求非常高。采用陷波器就難免要平衡系統(tǒng)諧振頻率檢查靈敏度的問(wèn)題。

3.2 阻抗重塑法

阻抗重塑法是指在多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)通過(guò)改變系統(tǒng)阻抗破壞系統(tǒng)諧振條件從而起到抑制諧振的作用。該方法的本質(zhì)依然是無(wú)源阻尼電阻的虛擬化，它的創(chuàng)新點(diǎn)是這些虛擬電阻可以根據(jù)諧振抑制需求動(dòng)態(tài)投入使用且不影響逆變器并網(wǎng)其他控制狀態(tài)，這要?dú)w功于陷波器在阻抗重塑法中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。文獻(xiàn)[11]在并網(wǎng)逆變器控制環(huán)節(jié)中虛擬化LCL濾波器電容并聯(lián)電阻和電感串聯(lián)電阻，并且分別串聯(lián)陷波器。該方法將陷波器起到了鑒別諧振頻率的作用，從而確保上述兩個(gè)虛擬電阻的動(dòng)態(tài)使用，達(dá)到改變系統(tǒng)諧振時(shí)總阻抗的目的。有別于傳統(tǒng)阻抗重塑法引入虛擬電阻重塑系統(tǒng)阻抗，文獻(xiàn)[42]引入虛擬電容或電感重塑系統(tǒng)諧振阻尼提高大型風(fēng)電場(chǎng)接入弱電網(wǎng)系統(tǒng)諧振抑制效果。文獻(xiàn)[43]提出一種自適應(yīng)控制算法優(yōu)化重塑逆變器輸出阻抗，提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[44]基于H∞控制重塑逆變器輸入導(dǎo)納時(shí)，同時(shí)考慮了系統(tǒng)導(dǎo)納的幅值和相位有效減少了并網(wǎng)電流，提高了系統(tǒng)諧振的抑制能力。文獻(xiàn)[45]從阻抗重塑的角度提出一種諧波電壓失真阻尼方法，以消除諧波阻抗和降頻偏移對(duì)PCC電壓質(zhì)量的影響。

阻抗重塑法的優(yōu)點(diǎn)為不會(huì)增加額外的能源損耗，能取得較好的抑制效果。阻抗重塑法的缺點(diǎn)為算法復(fù)雜，對(duì)逆變器控制電路要求高。不僅要平衡陷波器檢測(cè)系統(tǒng)諧振頻率檢測(cè)靈敏度的問(wèn)題，還要考慮阻抗重塑法抑制系統(tǒng)諧振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

3.3 有源阻尼器

文獻(xiàn)[17]提出有源阻尼器的初衷是為了在系統(tǒng)諧振時(shí)動(dòng)態(tài)地重塑系統(tǒng)阻抗，因此該方法仍屬于阻抗重塑法。然而，有源阻尼器是獨(dú)立于并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的額外器件，通過(guò)它重塑系統(tǒng)阻抗與基于并網(wǎng)逆變器控制環(huán)節(jié)重塑系統(tǒng)阻抗有所區(qū)別。因此，將應(yīng)用有源阻尼器抑制多逆變器并網(wǎng)諧振單獨(dú)歸類，論述其研究現(xiàn)狀。有源阻尼器在大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)[46]和分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用都有研究成果出現(xiàn)。文獻(xiàn)[47]將有源阻尼器連接到PCC，提出了自適應(yīng)輸出虛擬電阻控制方法，在有效抑制系統(tǒng)諧振的同時(shí)降低電網(wǎng)損耗。為了解決分布式能源系統(tǒng)多諧振點(diǎn)問(wèn)題，文獻(xiàn)[48]提出了帶循環(huán)功能有源阻尼器的雙級(jí)框架方案。除了有源阻尼器單獨(dú)用于系統(tǒng)諧振阻尼方法外，有源阻尼器與其他阻尼方法相結(jié)合抑制系統(tǒng)阻尼也引起了研究人員的興趣。文獻(xiàn)[49]提出有源阻尼器和無(wú)源阻尼器協(xié)同阻尼多逆變器系統(tǒng)諧振的方法。文獻(xiàn)[50]提出有源阻尼控制和有源阻尼器相結(jié)合的改進(jìn)有源阻尼法抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)諧振。

有源阻尼器的優(yōu)點(diǎn)為可以獨(dú)立設(shè)置，不影響系統(tǒng)中其他逆變器工作。然而，傳統(tǒng)有源阻尼器在諧振頻率檢測(cè)方面依然依靠陷波器，陷波器在有源阻尼法和阻抗重塑法中的應(yīng)用缺陷同樣存在于有源阻尼器中。雖然在線檢測(cè)技術(shù)在多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島檢測(cè)[51]、振蕩[52]方面已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是在諧振檢測(cè)方面的研究還不夠深入，還無(wú)法助力提高有源阻尼器主動(dòng)阻尼的能力。同時(shí)，有源阻尼器需要額外增加建設(shè)成本和維護(hù)成本，需要考慮其工程經(jīng)濟(jì)效果。

3.4 其他方法

1) 分層控制策略。文獻(xiàn)[53]基于電流預(yù)測(cè)模型控制實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)單位化，基于二自由度控制實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)傳遞函數(shù)單位化。該方法降低了諧振傳遞函數(shù)分子、分母間最高階差，實(shí)現(xiàn)Bode圖中無(wú)諧振尖峰。仿真證明該方法有效，但是該文所提控制算法復(fù)雜，對(duì)逆變器控制器硬件要求較高，需要更多工程實(shí)踐驗(yàn)證其有效性。

2) 控制器參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[54]的研究認(rèn)為塑造控制閉環(huán)參數(shù)靈敏度函數(shù)可以限制系統(tǒng)諧振對(duì)控制閉環(huán)性能的影響，提出基于頻率法的凸規(guī)劃設(shè)計(jì)控制器，它的頻率響應(yīng)可以抵消新能源電站的諧振尖峰，還可以充分阻尼濾波器和耦合諧振。文獻(xiàn)[55]提出采用區(qū)域穩(wěn)定分析法替代單變量根軌跡分析法，設(shè)計(jì)控制器和有源阻尼參數(shù)抑制系統(tǒng)諧振。

3) 系統(tǒng)配置優(yōu)化法。文獻(xiàn)[56]介紹了一個(gè)采用相對(duì)簡(jiǎn)單方法成功抑制23次諧波諧振的案例。在該案例中，三繞組變壓的中壓繞組與并網(wǎng)逆變器組母線相連，低壓繞組與無(wú)源濾波器、SVG相連，該系統(tǒng)可以等效為電感濾波變壓器。正是這種特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效地抑制了系統(tǒng)諧振，同時(shí)也說(shuō)明該方法受系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)條件的約束很強(qiáng)。該案例說(shuō)明，在工程實(shí)踐中現(xiàn)有系統(tǒng)配置的優(yōu)化也是抑制系統(tǒng)諧振的一種思路。

4 結(jié)論

高比例新能源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是新型電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，這必然帶來(lái)同型或異型多逆變器并網(wǎng)問(wèn)題。針對(duì)其中的多逆變器并網(wǎng)諧振的研究現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)結(jié)論如下所述。

1) 諧振機(jī)理的研究對(duì)象，將重點(diǎn)聚焦在異型多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)、發(fā)-儲(chǔ)系統(tǒng)、光-風(fēng)-水-火混合發(fā)電系統(tǒng)和海上風(fēng)電系統(tǒng)方面。新能源發(fā)電系統(tǒng)增容擴(kuò)建或?qū)⒋偈瓜到y(tǒng)超著異型多逆變器并網(wǎng)方向發(fā)展，異型多逆變器系統(tǒng)諧振機(jī)理研究還不夠深入。隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生局部故障引發(fā)電網(wǎng)拓?fù)渥兓母怕蕦⑸仙?。電網(wǎng)拓?fù)渥兓瘜⒏淖冸娋W(wǎng)等效阻抗引起系統(tǒng)諧振頻率偏移[57]。因此，針對(duì)電網(wǎng)等效阻抗變化引發(fā)系統(tǒng)諧振問(wèn)題也需引起關(guān)注。為了平抑峰谷，提高發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和穩(wěn)定性，新能源發(fā)電系統(tǒng)將建成發(fā)-儲(chǔ)系統(tǒng)。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)需要接入儲(chǔ)能逆變器。不同于發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器，儲(chǔ)能逆變器需要雙向工作模型。為了更好地保證發(fā)-儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要考慮系統(tǒng)諧振與儲(chǔ)能系統(tǒng)交互的機(jī)理。雖然新能源發(fā)電容量占比不斷提高，傳統(tǒng)水力發(fā)電和火力發(fā)電形式依然是當(dāng)前最重要的發(fā)電形式。新型電力系統(tǒng)中將出現(xiàn)光-風(fēng)-水-火混合發(fā)電系統(tǒng)，特別是我國(guó)西南地區(qū)水電發(fā)達(dá)，光-水或風(fēng)-水混合發(fā)電系統(tǒng)中多逆變器系統(tǒng)諧振對(duì)混合電力系統(tǒng)影響的分析還鮮有成果。海上風(fēng)電的電力傳輸離不開(kāi)遠(yuǎn)距離電力電纜，這使得諧波諧振在海上風(fēng)電系統(tǒng)中更嚴(yán)重[58]。作為海上風(fēng)電接入電網(wǎng)的有效方法，柔性直流輸電技術(shù)本身也面臨很多問(wèn)題急需解決[59]。因此，針對(duì)海上風(fēng)電系統(tǒng)諧振的問(wèn)題必將進(jìn)一步深入研究。

2) 諧振機(jī)理的研究方法及內(nèi)容。研究方法也在推陳出新，從傳統(tǒng)的頻域分析法，發(fā)展到模態(tài)分析法，又出現(xiàn)了基于MIMO模型的分析方法。多種研究方法結(jié)合可以將多逆變器系統(tǒng)諧振機(jī)理研究得更加全面、準(zhǔn)確和深入。MIMO模型分析法算法復(fù)雜，涉及參數(shù)規(guī)模巨大，獲取參數(shù)間有效信息困難，需要采用大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能算法提高該方法的分析效率?，F(xiàn)有諧振機(jī)理研究集中在LCL濾波器參數(shù)和電網(wǎng)等效阻抗等參數(shù)的影響，對(duì)逆變器間交互機(jī)理與系統(tǒng)諧振關(guān)系的問(wèn)題研究還不深入。逆變器間環(huán)流對(duì)系統(tǒng)諧振的影響也鮮有研究成果。

3) 系統(tǒng)諧振的抑制方法。系統(tǒng)諧波來(lái)源于電網(wǎng)背景諧波和逆變器自身產(chǎn)生的諧波，因此抑制方法也可以從這兩個(gè)方面去考慮。對(duì)于電網(wǎng)背景諧波抑制方法而言，有源阻尼法已經(jīng)比較有效[60]。但是，為了提高抑制效果，有源阻尼法的算法越來(lái)越復(fù)雜，降低了其工程實(shí)用性。在能量損耗可以承受的范圍內(nèi)，考慮無(wú)源阻尼和有源阻尼的混合阻尼法可以降低有源阻尼計(jì)算的復(fù)雜度，或許更符合實(shí)際工程需求。增強(qiáng)系統(tǒng)諧振頻率檢測(cè)帶寬是提高阻抗重塑法對(duì)新型電力系統(tǒng)適應(yīng)性的重要研究方向。有源阻尼器的理論研究到大規(guī)模工程應(yīng)用還需時(shí)日。隨著多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)諧振監(jiān)測(cè)與檢測(cè)問(wèn)題的深入研究，具有諧振在線監(jiān)測(cè)和主動(dòng)諧振抑制功能的智能型有源阻尼器必將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，功能的多樣性有助于有源阻尼器降低使用成本，其研究也將得到重視。對(duì)基于系統(tǒng)諧振特性的在線監(jiān)測(cè)方法的深入研究或?qū)樯鲜鲆种品椒ㄌ峁┬碌耐黄瓶凇?/p>

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An overview on resonance for a multiple LCL-type inverter grid-connected system

ZHENG Jialong1, YANG Ge1, CHEN Kaiyu1, ZHANG Huizhen1, SUN Zhang2

(1. School of Electric Power Engineering, Sichuan Water Conservancy College, Chongzhou 611231, China;2. School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039, China)

The resonance of a multi inverter grid-connected system will threaten the stable operation of a power grid. Because of its good filtering effect, an LCL filter is often used as the output filter of a grid-connected inverter. In recent years, many resonance mechanism analysis and suppression methods of the LCL multi inverter grid-connected system have been proposed, and analysis and summarizing are needed. First, the circuit topology and equivalent circuit of a multi inverter grid-connected power generation system are introduced. Second, the basic concepts of the frequency domain analysis, modal analysis and multi input multi output model analysis methods, and their new achievements in the analysis of system resonance mechanism are explored. Then, the advantages and limitations of active damping and impedance reshaped methods and an active damper in system resonance suppression are emphasized. It is revealed that the application of virtual resistance and a notch filter is the key technology of the above methods. Also the applications of hierarchical control, controller parameter optimization and system configuration optimization in system resonance suppression are also analyzed. Finally, from the perspective of the construction trend of the new type power system, the development of a multi inverter grid-connected system towards complex systems with large-scale, multi parameter and different control methods is considered. It needs a combination of multiple analysis methods to accurately analyze the resonance mechanism. For the suppression methods of multi inverter grid connected resonance, the traditional active damping and impedance reshaped methods and the active damper will be further studied, and on-line resonance monitoring technology may become a new breakthrough in this research.

multi-inverter grid-connected; LCL filter; resonance; mechanism analysis; active damping; impedance reshaped method; active damper; online monitoring

10.19783/j.cnki.pspc.220002

四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目資助(2022YFG0117)；四川省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(川水科202003)；四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助(KY2021-01)

This work is supported by the Key Research and Development Program of Sichuan Science and Technology Department (No. 2022YFG0117).

2022-01-01；

2022-02-27

鄭嘉龍(1987—)，男，通信作者，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；E-mail: 308887214@163.com

孫 章(1986—)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榉植际叫履茉窗l(fā)電、電力電子交換控制技術(shù)，交直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)。

(編輯 魏小麗)