弱電網

在非線性負載以及線路阻抗的共同作用下，實際套用當中的電網不能夠再被忽略，稍呈現出感性，並且當光伏設備接入電網的位置發生變化時，相對於公共耦點的電網感抗也會隨之浮動，“弱電網”被用來定義這種非理想情況下的電網。

基本介紹

• 中文名：弱電網
• 外文名：weak grid
• 穩定性措施：改變多機併網系統的零極點分布
• 背景：分散式電源大量入網
• 問題：電壓閃變、諧波污染
• 學科：電氣工程

簡介

隨著化石能源的稀缺問題以及化石燃料燃燒帶來的環境問題日益凸顯，光伏太陽能作為新型能源中最容易被獲得的一種，廣泛地被套用於我們的日常的生活和生產活動當中，近年來，光伏發電併網技術的突破使得太陽能的套用越來越呈現出一種大範圍，大容量的上網趨勢。除此之外其他分散式電源的併入也使得我國的電網逐漸龐大，這種大規模多元化的電網模式有利有弊，雖然帶來了諸多好處，但是隨之而來的電網電能質量問題以及併網逆變器性能問題也向該領域學者們提出了新的挑戰。

分散式發電不同於傳統的發電技術，它建立在大量電力電子設備的套用之上，分散式電源大量入網，給電力系統帶來了電壓閃變、諧波污染等問題，接入配電網的分散式電源還會對繼電保護系統造成威脅，然而最主要的是電網由此被引入了大量非線性負載；此外，由於我國的風光能源大量集中於西北部等較偏遠地區，因此集中發電，遠距離輸電作為一種更為經濟高效的生產、輸送方式而被更多地採納，遠距離輸電線路不可避免地給我們的電網引入大量線路阻抗。在非線性負載以及線路阻抗的共同作用下，實際套用當中的電網不能夠再被忽略，稍呈現出感性，並且當光伏設備接入電網的位置發生變化時，相對於公共耦點的電網感抗也會隨之浮動，“弱電網”被用來定義這種非理想情況下的電網。

弱電網的影響及對策

逆變器等效電流源輸入配電網的電流，雖然經過LCL濾波器濾波，但仍然含有一定的諧波含量。當逆變器與理想配電網並聯運行時，並聯連線點的電壓由理想電網決定，電流中的諧波分量對電壓幾乎不會產生影響。但在弱電網條件下，由於電網阻抗的原因，逆變電流源中的諧波分量會流過阻抗，帶給系統諧波電壓，從而影響公共耦合點電壓的總諧波畸變率，加重系統的諧波含量。

文獻分析了在弱電網條件下，電網阻抗以及並聯逆變器個數對光伏併網逆變器諧振特性，動態回響，穩定性和諧波電流的影響，根據分析得出結論，電網等效電感值的增加，會降低系統的諧振頻率，減慢動態回響速度，影響系統的穩定性；電網等效電阻值的增加對系統諧振頻率和動態回響沒有影響，但是會影響系統的穩定性；並聯逆變器個數不僅降低諧振頻率，而且使系統產生額外的諧振尖峰，並且隨著個數的增加，動態回響速度變慢，系統變得不穩定。總之，弱電網條件下，微電網併網系統在電網阻抗的影響下性能變差，甚至運行不穩定，併網數量也受到了一定的限制，而且，由於電網阻抗的存在，使注入電網的諧波電流產生了諧波電壓，增加公共連線點電壓的諧波分量，加重了系統的諧波含量，並使系統的帶載能力受到了影響。

文獻將濾波電容支路中串聯的電阻，替換成了與電容並聯的虛擬電阻，以減少系統的功率損耗，該方法需將電容電流引入到電壓調製信號中。並設法增加併網逆變器的等效輸出阻抗。通過分析，得到了逆變器的等效輸出阻抗，再利用並聯虛擬電阻的方法，對輸出阻抗進行了校正，使其增大，提高LCL型逆變器對弱電網的適應能力。仿真實驗驗證了理論的正確性，不加虛擬電阻的情況下，電網阻抗大到一定範圍後，微電網併網逆變器系統不穩定，並聯虛擬電阻的情況下，電網阻抗大到一定範圍後，微電網併網逆變器系統不穩定，並聯虛擬阻抗後，系統運行穩定。

弱電網中多機併網穩定性介紹

為了解決電力行業所面臨的問題，新能源發電作為生力軍逐漸崛起，而這一生力軍的主要力量表現為併網發電、獨立發電以及多能源互補發電。作為上述形式之一的併網發電系統，又可以詳細分為分散式發電併網和集中式發電併網。然而，這兩種併網形式雖然結構各異，但也有其共同之處，表現為：電能質量的隨機波動性、諧波含量較高，同時需要為系統設定抗孤島檢測保護功能。

基於光伏發電可再生、無污染以及蘊藏量豐富的優點，其在電網中所占的容量比例逐漸擴大。由光生伏特效應得出光伏組件發電模型，其可以看作直流電源。由其產生的直流電能不能直接與交流電網相連線，需要經過能量轉換，這個轉換的過程稱之為“逆變”，而這個進行能量轉換的設備，即為逆變器。逆變器作為連線光伏發電組件與低壓配電網的橋樑，其性能好壞直接影響流入電網的電流質量，進而影響電網運行的穩定性。

對於弱電網中的多機併網系統而言，每台逆變器其自身存在諧振可能，每兩台逆變器之間相互耦合，逆變器與電網通過電網阻抗進行耦合，這三種情況同時存在於弱電網條件下的多機併網系統中，導致多機併網系統穩定性下降甚至不穩定。如果對用電負荷造成損壞，甚至對使用負荷的人身造成傷害，嚴重的甚至可以導致電網的癱瘓。這些不僅僅影響人民生活，而且會使對國民經濟造成損失，後果不堪構想。因此，弱電網中多機併網運行時，其穩定與否便舉足輕重。

在分散式電網中，多台逆變器同時併網，且電網環境不再是傳統意義上電網阻抗可以忽略不計的大電網，而是存在背景諧波與電網阻抗的弱電網，這就導致多機併網系統穩定性受到嚴重威脅。一旦多機併網系統失去穩定性，那么整個電網系統也會受其影響，所以當弱電網中多機併網時，對其穩定性的相關研究具有重要意義。

文獻根據此前學者們所建立的多機併網的開環阻抗模型，綜合考慮逆變器的閉環控制，建立弱電網中多台逆變器併網的閉環模型，並分析閉環控制對多機併網穩定性的影響。在此閉環模型基礎上得出結論：弱電網中多機併網系統的零極點分布受電網阻抗大小以及每台逆變器的閉環控制的影響，同時，改變其零極點分布即能改善其穩定性。文獻提出採用調節器重構的控制方法調整多機併網系統的零極點分布，進而提高多機併網的穩定性。

大容量光伏逆變系統入網分析

文獻全面研究了光伏逆變系統與所接入電網相互作用的關係，揭示了大容量光伏電站集中接入電網將導致運行品質和控制性能劣化的問題，提出了光伏逆變系統接入弱電網運行可行域的概念和計算方法，從控制器結構和參數兩方面研究了擴展光伏逆變系統接入弱電網運行可行域的措施，並得出了以下結論：

（1）建立了單級式光伏逆變系統基礎數學模型，給出了系統主電路參數和控制設計方法，搭建了基於PSCAD/EMTDC平台的聯網光伏逆變仿真系統，為光伏逆變系統接入弱電網運行分析與控制研究提供了有效的研究分析工具。

（2）提出了一種考慮穩定裕量約束的可行域邊界分析方法。構建了鬆弛穩定裕量約束的光伏逆變系統控制器結構和控制器參數的最佳化調整方法。改善了光伏逆變系統接入弱電網的運行控制性能。

（3）提出了一種改進定壓調節性能的光伏逆變系統無功最佳化控制策略，拓展了滿足接入點電壓調節約束的運行可行域，改善了光伏逆變系統接入弱電網的電壓調節能力，規避了潛在的電壓失穩風險。

（4）開發了聯網光伏逆變仿真系統，可以仿真各種電網連線條件下光伏逆變系統的運行行為，可用於校驗考慮控制器穩定裕量約束和接入點電壓調節約束的光伏逆變系統接入弱電網的運行可行域邊界，校核控制器結構和控制器參數的最佳化調整的效果。