光伏并网系统的谐波分析

近年来，电力电子技术的快速发展极大地促进了光伏并网的大规模开发利用，以光伏为代表的高比例新能源并网成为未来能源互联网发展的趋势。然而，光伏出力具有强烈的随机性、间歇性，其采用非线性电力电子装置作为并网接口，将给电网带来复杂的谐波和间谐波问题。间谐波作为非整数次工频分量，具有频谱复杂且时变的特点，传统的谐波分析方法较难适用于间谐波问题的分
析，尤其是次同步频率段的间谐波分量较大时，可能与邻近发电机轴系机械振荡相互作用，诱发次同步振荡问题，严重危及电力系统的安全稳定运行。因此，需建立光伏并网系统的间谐波分析模型，对间谐波产生机理和特性进行分析，便于抑制间谐波对系统的影响。
不同工作频率子系统互联的非同步耦合调制行为是产生间谐波的主要原因。分析间谐波的方法主要有时域信号的离散傅里叶分析和频域数学模型。典型的交直交换流器及直流输电系统中，由于具有两个不同频率的系统相互调制作用，因此会产生间谐波。负荷的波动性，也会产生间谐波问题。基于线性化的方法推导感应电动机带波动性负荷时的定子间谐波电流表达式，并分析间谐波幅值与负荷波动频率、负荷大小的关系。随着可再生能源发电的随机波动性增大和新型电力电子装置间不同频率系统间相互耦合作用加强，现代电力系统的间谐波产生和传播机理变得更为复杂，如直驱型永磁同步风力发电机和双馈式风力发电机的间谐波问题。光伏并网系统产生间谐波的主要原因有：一是光照的随机变化将导致光伏输出的直流电压随机波动，通过逆变器交直流侧相互作用，在交流侧产生复杂的间谐波分量；二是最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制不断调整逆变器直流电压指令，以获取最大功率输出，从而导致逆变器直流侧电压波动，在交流侧产生间谐波分量。常见的MPPT策略有扰动法和电导增量法，两者输出均具有扰动特征，因此下文统一称为扰动式MPPT。在确定的扰动步长和扰动周期作用下，扰动式MPPT输出将呈现三点周期性振荡，该模式将会在并网系统中产生明显的间谐波分量。通过实验测量的方法研究不同类型光伏逆变器的间谐波电流发射特性，并指出MPPT是造成光伏并网系统存在间谐波的原因。采用IEC推荐的间谐波子组算法评估光伏逆变器在不同输出功率下，由MPPT导致的特征间谐波电流。进一步以扰动观察法为例，对MPPT引起的光伏间谐波进行仿真研究，给出相应的抑制措施。然而，上述研究成果均以实验测试或仿真分析的手段展开，能定性得出光伏间谐波的分布规律和影响因素，无法揭示其产生的内在机理和具体量值大小。因此，通过解析计算MPPT导致的光伏并网系统间谐波，深入分析间谐波的产生机理和发射特性具有重要的理论价值。