文，水利部新疆維吾爾自治區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，據業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，電站出現了大面積脫網現象，給業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帶來諧振脫網風險的擔憂。組串式逆變器并聯諧振問題被業內稱為光伏電站的“影子殺手”。



隨著電站規模不斷增大，每個電站中所使用的逆變器數量也隨著增加，尤其是如果在大電站選用組串式方案，逆變器數量成十幾倍增加，且部分并網點遠離發電廠及負荷區，導致諧振的風險增加。”電站一旦脫網，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，我擔心會再次發生脫網”，電站運維工程師如是說。

1. 擔心的事情還是發生了

光伏發電規模日益增大，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時，目前業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，運行穩定。近兩年來，部分廠家推薦業主在大型地面光伏電站中使用組串式逆變器，導致并網點下逆變器的數量成十幾倍的增加。以一個100MW大型地面光伏電站為例，使用業內成熟的集中式方案，逆變器數量為200臺，若使用30KW的組串式方案，逆變器數量則高達3400多臺！隨著逆變器臺數不斷增多，且部分并網點遠離發電廠及負荷區，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，現場出現了由于并聯諧振導致的電站大面積脫網現象，給業主造成了近千萬的經濟損失。此事件再次引發業內廣泛關注，對組串逆變器大面積組網產生的并聯諧振風險表示擔憂。

那么什么是諧振，諧振又是如何導致系統脫網的呢？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的并聯諧振現象進行分析，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，也讓你知道如何規避這一 “影子殺手”的危害。

2. 并聯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量，和士兵過橋時步伐的方式。如果士兵的數量少，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象與大橋共振的現象十分相似。如果把逆變器比作士兵，大橋比作電網，當并聯的逆變器多到一定數量的時候，在某個頻率點產生共振，即會導致“大橋倒塌“，即脫網。而且諧振的風險與電網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環境，則更容易產生諧振脫網現象。然而，士兵過橋可以通過簡單的改變過橋的人數或步伐有效的解決，逆變器的并聯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. 引起并聯諧振內在原因是什么

引起逆變器并聯諧振的原因有很多，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數量的不斷增加，逆變器阻抗不斷降低并與電網阻抗不匹配造成的。

組串式逆變器組網的典型光伏系統結構如圖3(a)所示，由電路的基本原理可將系統等效為圖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為并網點開關，Zg為從PCC點往電網側看的電網等效阻抗。



圖3 光伏系統原理圖及等效阻抗模型

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



圖4 多臺逆變器并聯運行的諧振波形

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臺數。如圖5所示，當并聯逆變器的臺數逐漸增加時， Z0不斷減小,進而Z0/Zg比值越來越小。系統越來越不穩定，最終導致諧振。正如“士兵”通過“大橋”一樣，當士兵的數量不斷增加時，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 逆變器并聯等效阻抗演變圖

（2）Zg影響因素分析

電網阻抗Zg與系統安裝的位置，電網本身的特性、光伏系統接入電網額容量及系統運行方式等因素相關，不同系統其差異性很大。如對于一個處于電網末端的弱電網， Zg將變大， Z0/Zg比值降低，則相對更容易出現諧振。這就好比一個強度很差的“大橋”，即使同樣數量的士兵，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。

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

針對一個已經發生的并聯諧振現場，現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，可能會導致系統效率大幅降低，損失發電量。

4. 如何消滅“影子殺手”

從上述分析可知，光伏系統產生諧振的根本原因是逆變器并聯數量過多，其輸出阻抗不斷降低后與電網阻抗不匹配，使得某個頻次下的諧波幅值被放大很多倍，進而導致單元并網點開關或總并網開關繼電保護動作，即跳閘脫網。 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數量，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量，降低諧振脫網的風險。