OFweek太陽能光伏網(wǎng) 前不久筆者在西北走訪時(shí)，據(jù)業(yè)主反映我國(guó)西北某個(gè)百M(fèi)W級(jí)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(jīng)濟(jì)損失。此事件再次點(diǎn)燃了大家對(duì)組串逆變器大面積組網(wǎng)帶來諧振脫網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂。組串式逆變器并聯(lián)諧振問題被業(yè)內(nèi)稱為光伏電站的“影子殺手”。

　　隨著電站規(guī)模不斷增大，每個(gè)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(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電廠及負(fù)荷區(qū)，導(dǎo)致諧振的風(fēng)險(xiǎn)增加。”電站一旦脫網(wǎng)，給我們?cè)斐傻慕?jīng)濟(jì)損失非常大，直接影響了我們的投資收益，我擔(dān)心會(huì)再次發(fā)生脫網(wǎng)”，電站運(yùn)維工程師如是說。

　　1 擔(dān)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(shè)計(jì)大型地面光伏系統(tǒng)時(shí)，目前業(yè)內(nèi)較為成熟的方法是采用單機(jī)容量為500KW及以上的集中式逆變器解決方案，該方案技術(shù)成熟，運(yùn)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(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)下逆變器的數(shù)量成十幾倍的增加。以一個(gè)100MW大型地面光伏電站為例，使用業(yè)內(nèi)成熟的集中式方案，逆變器數(shù)量為200臺(tái)，若使用30KW的組串式方案，逆變器數(shù)量則高達(dá)3400多臺(tái)！隨著逆變器臺(tái)數(shù)不斷增多，且部分并網(wǎng)點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)電廠及負(fù)荷區(qū)，導(dǎo)致諧振的風(fēng)險(xiǎn)增加。

　　我國(guó)西北某個(gè)百 MW級(jí)大型地面光伏電站，使用了組串式逆變器解決方案，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了由于并聯(lián)諧振導(dǎo)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(jīng)濟(jì)損失。此事件再次引發(fā)業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，對(duì)組串逆變器大面積組網(wǎng)產(chǎn)生的并聯(lián)諧振風(fēng)險(xiǎn)表示擔(dān)憂。

　　那么什么是諧振，諧振又是如何導(dǎo)致系統(tǒng)脫網(wǎng)的呢？接下來，筆者將帶領(lǐng)大家，從技術(shù)的角度，對(duì)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(jìn)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(huì)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(yīng)該都聽說過這樣一個(gè)故事: 18世紀(jì)中葉,法國(guó)昂熱市一座102米長(zhǎng)的大橋上有一隊(duì)士兵經(jīng)過，當(dāng)他們?cè)谥笓]官的口令下邁著整齊的步伐過橋時(shí)，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(guó)和美國(guó)等地。

　　究其原因，是士兵過橋時(shí)，引起了橋的共振。任何物體都有一個(gè)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(dòng)的頻率叫策動(dòng)頻率，當(dāng)策動(dòng)頻率等于物體的固有頻率時(shí)，物體便產(chǎn)生共振，此時(shí)振幅達(dá)到最大。圖2為大橋的頻率響應(yīng)曲線，橫坐標(biāo)代表激勵(lì)源頻率的變化，縱坐標(biāo)代表在此頻率下，外界激勵(lì)造成的大橋產(chǎn)生的振幅。圖中可見，大橋的頻率響應(yīng)曲線存在一個(gè)最高點(diǎn)，當(dāng)外界激勵(lì)源（士兵通過大橋產(chǎn)生的振動(dòng)）的振動(dòng)頻率恰好落在大橋的固有頻率f0點(diǎn)時(shí)，大橋的振幅達(dá)到最大。同時(shí)由于步伐一致，多個(gè)士兵產(chǎn)生的同方向的振動(dòng)力直接累加，當(dāng)士兵的數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，累加的振動(dòng)力超過了的大橋的承受能力，導(dǎo)致大橋斷裂。

　　可見，大橋共振倒塌主要由外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵因素決定，外部因素包括士兵的數(shù)量，和士兵過橋時(shí)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(huì)導(dǎo)致大橋倒塌，當(dāng)士兵多到一定數(shù)量的時(shí)候，通過的方式就起到了決定性的作用。內(nèi)部因素主要是橋的結(jié)構(gòu)及橋的質(zhì)量，即橋能承受的最大振幅，堅(jiān)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(duì)于一個(gè)橋而言，內(nèi)部因素改變相對(duì)較難，外部因素則相對(duì)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?qū)⒄R的步伐改成走便步，即改變并分散士兵過橋產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，使其偏離大橋的固有頻率，比如改變振動(dòng)的頻率到圖2中的f1處，則同樣的外界振動(dòng)力，引起大橋產(chǎn)生的振幅將大幅減小，有效避免了大橋坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。目前各國(guó)對(duì)大隊(duì)士兵過橋改成走便步的規(guī)定正式基于這個(gè)考慮。

　　光伏電站的組串式逆變器產(chǎn)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(dāng)并聯(lián)的逆變器多到一定數(shù)量的時(shí)候，在某個(gè)頻率點(diǎn)產(chǎn)生共振，即會(huì)導(dǎo)致“大橋倒塌“，即脫網(wǎng)。而且諧振的風(fēng)險(xiǎn)與電網(wǎng)的強(qiáng)弱也有直接關(guān)系，對(duì)于一些線路較長(zhǎng)，處于遠(yuǎn)端位置的電網(wǎng)環(huán)境，則更容易產(chǎn)生諧振脫網(wǎng)現(xiàn)象。然而，士兵過橋可以通過簡(jiǎn)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(yuǎn)不是那么容易解決的問題。

　　3 引起并聯(lián)諧振內(nèi)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(shù)、逆變器的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇等，學(xué)術(shù)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(jié)構(gòu)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(tái)逆變器阻抗，ZT為每個(gè)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(gè)方陣單元輸出開關(guān)、K為并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)，Zg為從PCC點(diǎn)往電網(wǎng)側(cè)看的電網(wǎng)等效阻抗。

　　由電路理論和控制系統(tǒng)基本原理可知，對(duì)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(cè)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(dāng)Z0/Zg變小時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，即出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，即某個(gè)頻次下的諧波幅值被放大很多倍，導(dǎo)致單元并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)（K1…kN）或總并網(wǎng)開關(guān)（K）繼電保護(hù)動(dòng)作，即跳閘脫網(wǎng)。圖4是某現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試到的波形，那么影響Z0和Zg的因素有哪些呢？

　?。?）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(guān)頻率等因素影響外，一個(gè)十分重要的影響因素是逆變器并聯(lián)臺(tái)數(shù)。如圖5所示，當(dāng)并聯(lián)逆變器的臺(tái)數(shù)逐漸增加時(shí)， Z0不斷減小,進(jìn)而Z0/Zg比值越來越小。系統(tǒng)越來越不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致諧振。正如“士兵”通過“大橋”一樣，當(dāng)士兵的數(shù)量不斷增加時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)致“大橋”坍塌。

　?。?）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(yùn)行方式等因素相關(guān)，不同系統(tǒng)其差異性很大。如對(duì)于一個(gè)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(duì)更容易出現(xiàn)諧振。這就好比一個(gè)強(qiáng)度很差的“大橋”，即使同樣數(shù)量的士兵，通過一個(gè)水泥橋可能安然無恙，但通過一個(gè)強(qiáng)度很差的木橋，則會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致其本身差異性很大，各個(gè)系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器運(yùn)行的臺(tái)數(shù)也與不盡相同。因此，導(dǎo)致并聯(lián)諧振現(xiàn)象具有一定的隨機(jī)性，同樣的并網(wǎng)逆變器及系統(tǒng)配置，在不同的并網(wǎng)點(diǎn)及并網(wǎng)時(shí)間所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象各異，因此會(huì)存在某些電站出現(xiàn)諧振，在其他區(qū)域電站并網(wǎng)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)諧振，某個(gè)時(shí)間段內(nèi)能正常工作，某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)諧振的隨機(jī)特性。

　　針對(duì)一個(gè)已經(jīng)發(fā)生的并聯(lián)諧振現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)逆變器加入了一些諸如APF，有源阻尼等智能算法暫時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)因?yàn)轭~外增加了抑制諧振的補(bǔ)救措施，可能會(huì)導(dǎo)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(chǎn)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(gè)頻次下的諧波幅值被放大很多倍，進(jìn)而導(dǎo)致單元并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)或總并網(wǎng)開關(guān)繼電保護(hù)動(dòng)作，即跳閘脫網(wǎng)。

　　因此，預(yù)防光伏電站產(chǎn)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(duì)于大型荒漠電站，建議選用集中式逆變器，對(duì)一些裝機(jī)容量在5MW以上、存在嚴(yán)重朝向不一致和遮擋現(xiàn)象的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合，建議選用單機(jī)功率更大的組串式逆變器，以進(jìn)一步減少逆變器的數(shù)量，降低諧振脫網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

　　文 · 水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 院副總工程師 楊戈秀