基于感應濾波的光伏電站諧波諧振抑制方法

李 勇 劉珮瑤 胡斯佳 林錦杰 羅隆福

基于感應濾波的光伏電站諧波諧振抑制方法

李 勇 劉珮瑤 胡斯佳 林錦杰 羅隆福

（湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082）

光伏電站中大量光伏逆變器同時工作于“弱網絡”條件下易與電網間產生諧波諧振，威脅電站的供電持續性和運行安全。該文圍繞一個真實光伏電站，考慮上級電網阻抗的變化，建立了傳統光伏電站的諧波域等效模型，對其諧振問題進行了分析。在此基礎上，針對在光伏電站真實出現的諧波諧振，提出一種基于感應濾波的光伏電站諧波諧振抑制方法，詳細分析了其諧波域模型和諧振抑制機理。該方法中感應濾波變壓器的濾波繞組采用特殊的零阻抗設計，外接全調諧無源濾波器能獲得比較優良的諧波濾除能力，與此同時，因為它還改變了光伏電站整體網絡的阻抗頻率特性，故能有效消除真實光伏電站聯網運行時的諧波諧振。最后，通過系統仿真和大型工程應用的實測數據驗證了該方法在光伏電站諧波諧振治理中的優良特性。

光伏電站 等效模型 感應濾波 諧振抑制

0 引言

隨著新能源領域相關技術的進步，光伏電站逐漸朝著大型化方向發展，光伏能源的滲透率將進一步提高[1]。然而在具有較長電纜且短路容量較低的光伏電站，當大量光伏逆變器同時運行時，整個系統易激發諧波諧振[2]；若這樣的諧振發生在夏季午后發電高峰期，光伏逆變器極易因諧波電壓超標而退出運行，這直接影響光伏電站的發電連續性、經濟效益和安全運行。與此同時，這樣的諧振并不會因為少量光伏逆變器的停運而消除，這說明諧振的成因除逆變器間的作用外，還與整個電站并網系統的網絡條件有關（如光伏逆變器自身的頻譜、上級電網的背景諧波、站內網絡的頻率特性等）。對于成因復雜的光伏電站諧振問題，國內外學者開展了許多卓有成效的研究。

針對并網逆變器的交互作用機理，文獻[3]在同步旋轉坐標系下建立了多個逆變器并聯運行的等效電路模型，通過分析不同激勵源單獨作用時各逆變器并網點電流的響應特性，得到了并網逆變器的數量對并網系統并聯諧振的影響規律。文獻[4]通過定義“交互導納”，討論了多個逆變器與電網之間耦合作用受LCL濾波支路的影響規律。文獻[5]考慮電網內阻抗，建立了弱電網下逆變器并網系統的等效阻抗模型和控制系統模型，發現并網系統在諧振頻率附近阻尼不足是導致系統振蕩的關鍵原因。文獻[6]重點關注了電網在寬頻帶內的諧振問題，研究了不同類型諧波源激發諧振的機理，表明電壓、電流型諧波源都將進一步惡化諧振。盡管上述文獻從不同角度對光伏電站的諧振機理進行了分析，但受限于實驗室條件，鮮有文獻對真實大型光伏電站運行過程中產生的諧波諧振及其表現規律進行過系統性研究。

對光伏電站的諧波諧振可采用主動與被動抑制方法[7]。前者主要從造成諧振的“主體”并網逆變器的軟、硬件著手實現光伏電站的諧振抑制，后者則主要從光伏電站并網逆變器以外的單元著手抑制其諧振的發生。對于施加對象是逆變器的硬件還是軟件，主動抑制法還可進一步劃分為無源阻尼技術[8]與有源阻尼技術[9]。文獻[8]采用無源阻尼方案，于逆變器并網濾波支路的適當位置增加少量阻尼電阻，以改變被控對象的阻抗特性，提高了光伏并網系統的穩定性。文獻[9]針對并網逆變器提出一種串聯虛擬諧振阻抗的有源阻尼優化方法，有效地抑制了逆變器死區效應和電網電壓背景諧波引起的諧波電流。文獻[10]提出一種相位超前補償方法進行有源阻尼，在保證系統對電網阻抗的魯棒性的前提下，起到抑制諧振峰的效果。

目前對光伏電站諧振問題的研究大都以同參數、同類型逆變器構成的多逆變器并網系統為研究對象，在此基礎上搭建小功率試驗平臺對所提方法進行研究。然而對實際光伏電站而言，其光伏逆變器的軟、硬件參數均由生產廠商預設，當諧振發生時，幾乎不可能從改進逆變器的角度實現諧振的主動抑制。與之相比，被動諧振抑制方案在真實光伏電站中更具實用價值。

無源濾波技術是目前較為常用的技術手段，但傳統無源濾波器（Passive Power Filter, PPF）的濾波效果與并網系統自身的阻抗特性關聯緊密，當諧振點落在諧波源的頻譜區段時極易觸發諧振[11-12]。隨著電力電子技術的發展，有源濾波技術（Active Power Filter, APF）因其能夠動態發出與電網中諧波電流相反的電流[13-15]或者控制線路的諧波特征阻抗以消除諧波反射[16]，成為諧振抑制的有效途徑之一。并聯型APF受器件容量與成本限制，在中、高壓場合的應用較少[17]。為解決這一矛盾，文獻[18]提出一種采用粒子群優化的改進限流方案實現了APF安裝容量的最大化利用。而將小容量逆變器與PPF相結合組成的混合型APF（Hybrid APF, HAPF）[19]在中、高壓場合具有明顯優勢，如文獻[20]提出了一種采用H橋級聯的HAPF，能夠滿足高壓大功率場合的諧波抑制要求。盡管如此，APF在新能源并網系統中的應用仍然受到價格、軟硬件的復雜度等因素的制約。相比于功能較為單一的APF，統一電能質量調節器也可成為一個備選方案[21-22]，但目前在國內外大型工程中的應用還相對較少[23]，其技術成熟度還有待在今后的市場競爭中進一步淬煉。

感應濾波技術（Inductive Filtering Method, IFM）作為一種新的諧波抑制方案，在部分大功率應用場合，相比傳統有、無源濾波技術，可在投資成本與濾波（運行）性能之間實現更好的平衡，目前已在電氣化鐵道[24]、直流輸電系統[25]和工業整流系統[26]中得到了應用。本文進一步拓展其應用領域，提出了一種光伏電站聯網運行的方案，是IFM在光伏發電系統的首次重要嘗試；本文對該技術在光伏電站的運行性能和諧振抑制機理進行了系統研究，通過仿真和工程應用證明了其有效性。本文的研究成果可為“弱網”連接的大型光伏電站的諧波、諧振控制提供一種新的解決方案。

1 光伏電站諧振分析

圖1為一典型傳統光伏電站系統，其上半部分為光伏電站拓撲，下半部分為與之對應的等效電路。在等效電路中，依據諾頓原理，可將并網逆變器等效為理想電流源PV與輸出阻抗PV并聯的電路。S表示上級電網內電壓，PV表示折算到主變壓器網側的逆變器端口電壓，S為上級電網等效內阻抗，T為升壓變壓器短路阻抗，L與C分別為光伏變電站內部線路π形等效電路的串、并聯支路阻抗。

圖1 傳統光伏電站拓撲結構及等效電路

根據圖1，得到PV、S與S、PV在諧波域下的關系為

式中，PV,h、S,h、S,h、PV,h分別為各自變量在次諧波下的分量。

為分析網側阻抗對系統諧振的影響，定義為諧波電壓放大系數，為諧波電流放大系數。當和大于1時，表明系統的諧振使得電壓、電流諧波被放大，其數值越大，該作用越明顯。其中，PV,h、C,h、L,h、T,h、S,h分別為各自變量在次諧波下的分量。

在線路線型、光伏電站容量基本確定的情況下，由式（4）可知，主要與網側阻抗、諧波次數有關。根據所研究光伏電站的實際參數繪制出未采用IFM時，與網側阻抗標幺值及諧波次數的關系，如圖2所示（注：網側阻抗標幺值定義為﹡S/SN，其中SN為網側短路阻抗額定值）。需要說明的是，本文所研究的光伏電站的主變壓器有三個繞組，第三繞組接濾波裝置，若此處的斷路器斷開，則該光伏電站結構與傳統采用兩繞組主變壓器的光伏電站結構基本一致，即未采用IFM技術。

圖2 未采用IFM時的諧波電流放大系數

圖2表明當﹡與諧波次數發生變化時，會在平面內形成一條諧振曲線。隨著﹡及的變化，諧波放大系數會隨之變化，可以發現在﹡不斷增大的過程中（﹡≥1.4），23次及附近的特定次諧波電流有被放大的風險。此外，圖2中網側電流波形及其頻譜為實際光伏電站測量所得，與分析結果較為吻合，此時系統發生23次諧波諧振，嚴重危害光伏電站安全并網，需采取措施對其進行抑制。

2 新型諧波諧振抑制方法

2.1 感應濾波技術

IFM通過對感應濾波變壓器第三繞組阻抗的巧妙設計改變系統在諧波頻域下的阻抗特性，在大功率工業整流系統中，能夠有效抑制低壓側諧波電流[26]，其獨特的濾波特性對于解決光伏電站諧振問題具有很強的借鑒意義。應用IFM的新型光伏電站等效電路如圖3所示。

圖3中，Sa、Sb、Sc分別為電網三相電流，a、b、c分別為光伏電站側（負載側）三相線電流，fa、fb、fc分別為感應濾波調諧裝置上的三相電流，Sa、Sb、Sc分別為電網三相電壓，SVGa、SVGb、SVGc分別為靜止無功發生器（Static Var Generator, SVG）注入電網的三相電流，Sa、Sb、Sc分別為網側三相內阻抗。該技術實施的關鍵設備為感應濾波變壓器及其配套的無源濾波支路（Passive Filter, PF）。某實際光伏電站感應濾波變壓器參數見表1，其配套濾波裝置基本參數見表2。

圖3 新型光伏電站等效電路

表1 感應濾波變壓器參數

Tab.1 Specifications of IFT

表2 感應濾波變壓器濾波裝置基本參數

Tab.2 Specifications of IFT filtering device

注：* SVG運行時5次諧波分量較為明顯。

2.2 濾波繞組零阻抗設計與諧波電流雙向抑制

以單相等效電路為例，對圖3所示的新型光伏電站進行簡化，得到含有感應濾波變壓器等效電路的諧波模型與解耦模型如圖4所示。

為分析感應濾波變壓器的諧波特性，依據圖4b，并考慮感應濾波變壓器繞組阻抗與調諧裝置阻抗，可以得出如圖5所示的感應濾波變壓器等效電路。

在圖5中應用基爾霍夫電壓、電流定律，可列寫出

圖4 感應濾波變壓器諧波模型與解耦模型

圖5 感應濾波變壓器等效電路

式中，1、2、3分別為感應濾波變壓器三個繞組等值阻抗；F為感應濾波調諧裝置等值阻抗；S為電網電壓。

由方程式（5）～式（7）可得負載側電流與網側電流之間的關系為

在負載側諧波電流PV以及電網諧波電壓S已知的情況下，感應濾波變壓器網側繞組諧波電流S與網側繞組等值阻抗、感應濾波繞組等值阻抗以及調諧裝置F有關。

為實現負載側諧波電流與外部電網的隔離屏蔽，在感應濾波變壓器的設計中，只要保證感應濾波繞組與調諧裝置的合成阻抗3+F遠小于網側繞組等值阻抗1，便可使式（8）中含有負載側諧波電流的項近似為0，即網側繞組不含有PV的特定諧波電流。

同理，為實現IFM對網側諧波電流在負載側的隔離屏蔽，在配置對某次諧波電流的感應濾波調諧裝置時，應使得F≈ 0；同時使得感應濾波繞組等值阻抗近似為0，即合成的諧波阻抗3+F≈0，實現含有網側諧波電流的項近似為0，達到網側諧波電流在負載側的隔離屏蔽效果。

2.3 諧振抑制分析

由圖4b可以推導出網側諧波電流Sh為

式中，Sh為電網背景諧波電壓；PVh為光伏電站產生的諧波電流；SVGh為SVG產生諧波電流；fh為調諧濾波裝置上流經的諧波電流；1、2、3分別為感應濾波變壓器3個繞組的匝數；1h、2h、3h分別為感應濾波變壓器網側繞組、負載側繞組與濾波繞組的諧波等值阻抗；Sh、fh分別為系統阻抗和調諧濾波器的諧波等值阻抗；PVh為逆變器輸出的諧波阻抗。

值得注意的是，為降低損耗，提高經濟效益，該光伏電站SVG常年處于未投入狀態。為與實際情況保持一致，本文令SVGh=0，整理后可得Sh與Sh、PVh關系為

參照式（14）定義諧波抑制系數M、諧波阻尼系數M為

圖6 諧波抑制系數與和h的關系

圖7 諧波阻尼系數與和h的關系

如圖6和圖7所示，當系統短路阻抗發生變化時，在所關注的1～50次諧波范圍內，IFM的M與M均優于傳統濾波技術。值得一提的是，從圖6可以看出，傳統濾波技術僅對特定次諧波具有較好濾波效果，而采用IFM后，在所關注的1～50次諧波頻率范圍內，系統均能獲得良好諧波抑制效果，且對短路阻抗的變化不敏感，能有效降低系統的諧振風險。

圖7表征了IFM和傳統濾波技術的諧波阻尼系數與﹡、關系的三維圖。盡管二者均在低頻段出現峰值，但在所關注的頻段范圍內，其數值均小于1；仔細觀察還會發現，IFM的M數值比傳統方案低一個數量級，因此，其諧波阻尼能力優于傳統濾波技術。

圖8揭示了應用IFM后的諧波放大系數與網側阻抗標幺值﹡及諧波次數的關系。對比圖2可發現，諧振曲線偏移至50次附近，同時諧振峰值也從100左右被限制到了15以內，諧波放大系數被明顯降低。電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）由3.42%降低至1.25%，對于最為關注的網側23次諧波，其電流放大系數由60.88降低到了0.609，反映到實測波形中表現為網側實測23次諧波電流由3.1A降低至0.6A（見圖2和圖8的局部放大圖）。上述實測和理論數據在倍率上的差異主要有兩個原因：①理論模型中的參數與真實系統存在偏差；②理論數據只考慮了諧波電流源的作用，而實際系統中同時存在諧波電流源和諧波電壓源。雖然二者有偏差，但總體趨勢是高度吻合的。上述分析充分說明，在大型光伏電站中，所提IFM技術具有較強的諧振抑制能力，并能對上級電網阻抗的變化不敏感（如圖6b所示，實際上通過一年多的長期跟蹤調研，應用IFM技術后，該電站在各個季節均再未出現過諧振問題），是一種較為優良的諧波控制方案。

圖8 應用IFM后的網側諧波電流的放大系數

圖8中右側的波形與頻譜均為實際光伏電站應用IFM后測量所得，此時系統諧振被抑制，與理論所述的諧振抑制效果較為吻合。

3 仿真分析

某光伏電站電氣結構如圖9所示，光伏電站總容量為49MW，經110kV母線接入電網（單母線供電方式），主變壓器容量為50MV?A。光伏電站主變壓器負荷側（10kV）共7條線路，分為A、B兩組，A組包含1號～4號集電線路（電纜），B組包含5號～7號集電線路（電纜），每條集電線路上等距并聯7個，聯結組標號為Dy11y11的組合式變壓器（電壓比為10kV/0.315kV/0.315kV），每臺組合式變壓器低壓側繞組與兩個0.5MW的光伏發電單元相連。

為驗證上述理論分析的正確性，根據實際參數，在Matlab/Simulink平臺上搭建了該光伏電站的仿真模型。

圖10、圖11為應用IFM前后網側的電壓、電流波形。在應用IFM前，主變壓器網側電壓、電流THD分別為5.61%和3.43%，波形發生嚴重畸變，而在應用所提諧波諧振抑制方法后，電壓、電流的THD值分別降低至0.14%和0.03%，表明所提方法具有良好的諧振抑制效果。

圖9 基于IFM的實際光伏電站接線圖

圖10 未應用IFM時主變壓器網側電壓、電流波形

圖11 應用IFM時主變壓器網側電壓、電流波形

此外，研究主變壓器負載側（10kV側）的諧波控制效果，具體結果如圖12和圖13所示。

圖12 未應用IFM時主變壓器負載側電壓、電流波形

圖13 應用IFM時主變壓器負載側電壓、電流波形

由圖12可知，應用IFM前，負載電流THD值為4.47%，其中3、5、7次諧波電流含量分別為0.51%、1.38%、0.33%，23次諧波電流含量為3.61%；應用IFM后，電流THD值降低為0.37%，其中3、5、7次諧波電流含量分別降至0.26%、0.22%、0.15%，23次諧波電流含量降至0.23%。采用IFM后，電壓THD由8.42%降低至0.25%，23次諧波電壓含量從8.33%降至0.14%。通過仿真驗證了該方法在光伏電站諧波諧振抑制中的優良特性。

4 工程應用

該光伏電站在未應用IFM時主要存在逆變器頻繁跳閘以及主變壓器噪聲過大兩個問題。在連續測試過程中，記錄數據顯示在14:14～14:16時刻B組5號、6號、7號集電線路逆變器發生跳閘。當逆變器跳閘后，網側有功明顯跌落，網側電壓、電流波形畸變率略有降低，但23次諧波分量依然明顯。跳閘前后網側電壓電流波形如圖14所示。現場調研還發現，主變壓器的噪聲有所降低，但依舊尖銳。該問題中斷了光伏電站發電的連續性，大幅降低了其經濟效益，嚴重威脅光伏電站的安全生產。

圖14 跳閘前后網側電壓電流波形

光伏電站網側電壓、電流波形及其頻譜分別如圖14a、圖15所示。在逆變器跳閘前，網側電壓、電流23次諧波明顯，電壓畸變率為5.90%（超過國家規定的標準2%），電流畸變率為3.42%，此時負載側電壓THD值為8.68%，電流THD值為3.80%。

圖15 逆變器跳閘前網側電壓電流頻譜分析

光伏逆變器側電壓、電流波形與相應的頻譜如圖16、圖17所示。可以觀察到逆變器的輸出波形中含有明顯的23次諧波分量，這是引發系統諧振的誘因。結合前文的分析，由于整體網絡在此時形成了有利于23次諧振的條件（見圖2，﹡=1.4，形成“弱網”條件[27]），該次諧波被進一步放大，進而導致電站全局性的23次諧波諧振。

圖16 逆變器跳閘前逆變器側電壓電流波形

圖17 逆變器跳閘前逆變器側電壓電流頻譜分析

當應用IFM后，感應濾波變壓器特殊的繞組設計配合無源濾波支路能夠增強光伏電站的諧波諧振抑制能力。應用IFM前后網側三相電壓、電流實測THD曲線如圖18所示。從圖18中可直觀看出應用該技術前、后網側三相電壓電流THD值及C相諧波含量對比。在未應用該技術時，三相的電壓THD值明顯超過國家標準，其中C相電壓THD最高達到了14.19%。在應用該技術后，THD值滿足并網要求。同時，諧波電壓與諧波電流在所關注頻段上均有一定程度衰減，其中，23次諧波被明顯削弱（圖18右上角子圖），應用IFM前23次諧波電壓、電流遠大于其他次諧波電壓、電流。應用IFM后23次諧波電壓、電流得到顯著抑制，波動幅度下降。

圖18 應用IFM前后網側三相電壓、電流實測THD曲線

應用IFM后網側電壓、電流波形和頻譜分別如圖19、圖20所示。結果表明網側諧波得到了有效抑制，電壓THD由5.90%降至0.89%，電流THD由3.42%降至1.25%，電能質量得到明顯改善，降低了諧振發生風險，滿足了電站諧振控制的需求。

應用IFM前后負載側電壓、電流波形和頻譜如圖21～圖24所示。進一步觀察圖21～圖24，對比使用IFM前后主變壓器負載側的電壓、電流實測數據可以發現，在使用IFM后，主變壓器負載側電壓、電流中的23次諧波得到了有效抑制，電壓THD由8.68%降至1.58%，電流THD由3.80%降至2.68%，波形得到明顯改善。

圖19 應用IFM后網側電壓、電流波形

圖20 應用IFM后網側電壓、電流頻譜

圖21 逆變器跳閘前負載側電壓、電流實測波形

圖22 逆變器跳閘前負載側電壓、電流頻譜

圖23 應用IFM后負載側電壓、電流實測波形

圖24 應用IFM后負載側電壓、電流頻譜

本文對光伏電站其他并網指標進行了測試。應用IFM后主變壓器并網點的有功功率與功率因數如圖25所示。從圖25可以發現，應用IFM技術之后，光伏電站并網點的有功功率和功率因數平穩，功率因數始終維持在高位。

圖25 應用IFM后主變壓器并網點的有功功率與功率因數

電壓波動定義為[28]

本文根據測試數據得到本光伏電站應用IFM之后并網點的三相電壓波動曲線如圖26所示，很明顯各相電壓波動指標都低于國標限值1.5%。

此外，根據測試兩日同一時間段10min內的實測數據，對采用IFM技術前后主變壓器的效率進行了測算，相關數據見表3。表3中最后一行數據顯示，IFM技術的使用將主變壓器的效率從99.513%提高到99.754%，這得益于諧振的消除降低了主變壓器的熱損耗和噪聲損耗（注：諧振發生時，主變壓器會發出刺耳的噪聲，諧振消除后這一噪聲明顯降低）。

表3 主變壓器效率測算

Tab.3 Efficiency calculation

注：*基波功率。

綜上所述，對所研究的光伏電站，IFM的應用有效控制了23次諧波諧振，解決了該電站中因諧振造成逆變器跳閘而產生的發電中斷事故。同時，實測數據顯示，該電站的其他性能指標均表現良好。

5 結論

本文針對實際光伏電站諧波諧振問題進行了理論分析，結合光伏電站實際諧振過程中的數據特性發現了諧振的成因，提出一種采用感應濾波升壓變壓器聯網的方法抑制光伏電站的諧波諧振。現將本文的主要貢獻和結論總結如下：

1）基于實際光伏電站參數，建立了光伏電站諧波諧振分析數學模型，揭示了網絡阻抗變化對于諧波放大系數的影響機制。

2）提出一種采用感應濾波升壓變壓器進行聯網的光伏電站諧波諧振抑制方法。相比于傳統濾波技術，所提方法對系統短路阻抗的變化敏感度低，有利于提高系統抗擾動能力，降低系統諧振風險。

3）基于真實光伏電站發生諧波諧振時的實測數據特性，分析得到“弱網”條件下光伏逆變器輸出的高次諧波是造成諧振的誘因。將所提方法應用于該光伏電站，達到了良好的諧振抑制效果，通過工程應用驗證了感應濾波技術用于光伏電站諧波諧振控制的可行性。

4）實測數據顯示，采用IFM的光伏電站的功率因數、電壓波動等指標表現良好，因抑制了諧振，主變壓器效率略高于未采用IFM的情形。

本文是感應濾波技術在大容量光伏發電系統的首次工程應用，理論分析和實測數據均表明，感應濾波技術可以用于光伏電站，對弱網條件下該系統的諧波諧振具有明顯的抑制作用，工程應用價值顯著。

附 錄

應用傳統濾波技術的變壓器諧波模型與解耦模型如附圖1所示。

附圖1 應用傳統濾波技術的變壓器諧波模型與解耦模型

App.Fig.1 Harmonics model and decoupling model of transformer with traditional filtering technology

在傳統濾波技術中，濾波器與升壓變壓器低壓側母線并聯，依據附圖1b可以得出

應用式（A1）～式（A3）可進一步推導出

[1] 周孝信, 陳樹勇, 魯宗相, 等. 能源轉型中我國新一代電力系統的技術特征[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(7): 1893-1904.

Zhou Xiaoxin, Chen Shuyong, Lu Zongxiang, et al. Technology features of the new generation power system in China[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(7): 1893-1904.

[2] 孫振奧, 楊子龍, 王一波, 等. 光伏并網逆變器集群的諧振原因及其抑制方法[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(2): 418-425.

Sun Zhen’ao, Yang Zilong, Wang Yibo, et al. The cause analysis and suppression method of resonances in clustered grid-connected photovoltaic inverters[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(2): 418-425.

[3] 謝志為, 陳燕東, 伍文華, 等. 弱電網下多逆變器并網系統的全局高頻振蕩抑制方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(4): 885-895.

Xie Zhiwei, Chen Yandong, Wu Wenhua, et al. A global high-frequency oscillation suppression method for multi-inverter grid-connected system in weak grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(4): 885-895.

[4] Lu Minghui, Yang Yongheng, Johnson B, et al. An interaction-admittance model for multi-inverter grid-connected systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(8): 7542-7557.

[5] 涂春鳴, 高家元, 趙晉斌, 等. 弱電網下具有定穩定裕度的并網逆變器阻抗重塑分析與設計[J]. 電工技術學報, 2020, 35(6): 1327-1335.

Tu Chunming, Gao Jiayuan, Zhao Jinbin, et al. Analysis and design of grid-connected inverter impedance remodeling with fixed stability margin in weak grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1327-1335.

[6] Shuai Zhikang, Liu Dingguo, Shen J, et al. Series and parallel resonance problem of wideband frequency harmonic and its elimination strategy[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(4): 1941-1952.

[7] 錢照明, 葉忠明, 董伯藩. 諧波抑制技術[J]. 電力系統自動化, 1997, 21(10): 48-54.

Qian Zhaoming, Ye Zhongming, Dong Bofan. Harmonics suppression techniques[J]. Automation of Electric Power System, 1997, 21(10): 48-54.

[8] 許德志, 汪飛, 阮毅. LCL、LLCL和LLCCL濾波器無源阻尼分析[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(18): 4725-4735.

Xu Dezhi, Wang Fei, Ruan Yi. Passive damping of LCL, LLCL and LLCCL filters[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(18): 4725-4735.

[9] 陳杰, 章新穎, 閆震宇, 等. 基于虛擬阻抗的逆變器死區補償及諧波電流抑制分析[J]. 電工技術學報, 2021, 36(8): 1671-1680.

Chen Jie, Zhang Xinying, Yan Zhenyu, et al. Dead-time effect and background grid-voltage harmonic suppression methods for inverters with virtual impedance control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1671-1680.

[10] 方天治, 黃淳, 陳乃銘, 等. 一種提高弱電網下LCL型并網逆變器魯棒性的相位超前補償策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(20): 4813-4822.

Fang Tianzhi, Huang Chun, Chen Naiming, et al. Optimized design of state variable feedback of grid-connected inverter with LCL-filter based on state observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4813-4822.

[11] Li Dayi, Yang Kai, Zhu Z Q, et al. A novel series power quality controller with reduced passive power filter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(1): 773-784.

[12] Beres R N, Wang Xiongfei, Liserre M, et al. A review of passive power filter for three-phase grid-connected voltage-source converters[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2016, 4(1): 54-69.

[13] 方旌揚, 肖國春, 鄭力夫, 等. 一種LCCL濾波器及其在半橋電力有源濾波器中的應用[J]. 電工技術學報, 2016, 31(22): 125-136.

Fang Shengyang, Xiao Guochun, Zheng Lifu, et al. An LCCL filter for a half-bridge active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(22): 125-136.

[14] Wang Lei, Lam C S, Wong M C. Modeling and parameter design of thyristor-controlled LC-coupled hybrid active power filter (TCLC-HAPF) for unbalanced compensation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(3): 1827-1840.

[15] 張建忠, 耿治, 徐帥, 等. 一種有源電力濾波器的改進自適應諧波檢測算法[J]. 電工技術學報, 2019, 34(20): 4323-4333.

Zhang Jianzhong, Geng Zhi, Xu Shuai, et al. Improved adaptive harmonic detection algorithm for active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4323-4333.

[16] Lee T, Cheng P, Akagi H, et al. A dynamic tuning method for distributed active filter systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(2): 612-623.

[17] 王雪, 高云廣, 吝伶艷, 等. 有源電力濾波器的研究現狀與展望[J]. 電力系統保護與控制, 2019, 47(1): 177-186.

Wang Xue, Gao Yunguang, Lin Lingyan, et al. Research status and prospect of active power filter[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(1): 177-186.

[18] Cao Wu, Liu Kangli, Wu Mumu, et al. An improved current control strategy based on particle swarm optimization and steady-state error correction for SAPF[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(4): 4268-4274.

[19] Lam C S, Wang Lei, Ho S I, et al. Adaptive thyristor-controlled LC-hybrid active power filter for reactive power and current harmonics compensation with switching loss reduction[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(10): 7577-7590.

[20] 余攀, 瞿李鋒, 楊澤洲, 等. 級聯H橋混合型有源電力濾波器直流電壓控制[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(16): 4866-4875, 4988.

Yu Pan, Qu Lifeng, Yang Zezhou. Improved DC voltage control method for H-bridge-based hybrid active power filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(16): 4866-4875, 4988.

[21] Wang Lei, Lam C S, Wong M C. Analysis, control and design of hybrid grid-connected inverter for renewable energy generation with power quality conditioning[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(8): 6755-6768.

[22] 孟令輝, 舒澤亮, 閆晗, 等. 基于特征次諧波補償的單相統一電能質量調節器并聯變換器控制策略[J]. 電工技術學報, 2020, 35(24): 5125-5133.

Meng Linghui, Shu Zeliang, Yan Han. Control strategy for single-phase unified power quality conditioner of parallel converter based on specific order harmonics compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(24): 5125-5133.

[23] 倪福銀, 李正明. 統一電能質量調節器的研究發展綜述[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(20): 177-187.

Ni Fuyin, Li Zhengming. Overview of unified power quality conditioner research development[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(20): 177-187.

[24] 王鵬程, 李勇, 安柏楠, 等. 基于不對稱接線平衡變壓器的電氣化鐵路電能質量混合調節系統[J]. 電工技術學報, 2019, 34(21): 4590-4600.

Wang Pengcheng, Li Yong, An Bonan, et al. Asymmetrical connection balance transformer based hybrid power quality control system for electrical railway[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4590-4600.

[25] Li Yong, Luo Longfu, Rehtanz C, et al. Study on characteristic parameters of a new converter transformer for HVDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(4): 2125-2131.

[26] 王燦, 羅隆福, 李勇, 等. 新型高效工業整流機組的運行特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(18): 80-86.

Wang Can, Luo Longfu, Li Yong, et al. Analysis on operating characteristics of a novel efficient industrial rectifier unit[J]. Proceedings of CSEE, 2013, 33(18): 80-86.

[27] 嚴干貴, 常青云, 黃亞峰, 等. 弱電網接入下多光伏逆變器并聯運行特性分析[J]. 電網技術, 2014, 38(4): 933-940.

Yan Gangui, Chang Qingyun, Huang Yafeng, et al. Analysis on parallel operational characteristics of multi photovoltaic inverters connected to weak-structured power system[J]. Power System Technology, 2014, 38(4): 933-940.

[28] 中華人民共和國國家技術監督局. GB/T 12326—2008電能質量電壓波動和閃變[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

Harmonic Resonance Damping Method of Photovoltaic Power Station Based on Inductive Filtering

Li Yong Liu Peiyao Hu Sijia Lin Jinjie Luo Longfu

（College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China）

In photovoltaic (PV) power stations, a large number of photovoltaic inverters working under the “weak network” are more likely to motivate harmonic resonance with the power grid, which threatens the power supply continuity and operation safety of the power station. In this paper, based on a real PV substation, the harmonic equivalent model of the traditional PV power station is established which considers the variation of the network impedance of the upstream of the grid, and the resonance is analyzed. On this basis, considering the real harmonic resonance in the traditional PV power station, this paper proposes a harmonic resonance damping method of PV power station based on inductive filtering. The harmonic model and resonance suppression mechanism are analyzed in detail. In this method, the filtering winding of the inductive filtering transformer (IFT) adopts a special zero impedance design, which is externally connected with a fully tuned passive filter (PF). It can obtain better harmonic filtering ability. At the same time, it can effectively eliminate the harmonic resonance of PV power station in the traditional PV power station by changing the impedance frequency characteristics of the whole network of PV power station. Finally, through the simulation and the measured data of the large engineering application, the excellent characteristics of the new method is verified.

Photovoltaic power station, equivalent model, inductive filtering, resonance suppression

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211016

TM712

國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點項目（2018YFE0125300）、國家自然科學基金項目（51822702）、湖湘高層次人才聚集工程項目（2019RS1016）、長沙市杰出創新青年計劃（KQ2009037）和中央高校基本科研業務費（531118010661）資助。

2021-07-09

2021-11-25

李 勇 男，1982年生，教授，博士生導師，研究方向為電力系統運行與控制、電力電子系統與控制。E-mail：yongli@hnu.edu.cn

胡斯佳 男，1987年生，副教授，博士生導師，研究方向為電力系統運行與控制、電力電子系統與控制。E-mail：huda_hsj@163.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）