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随着新能源领域相关技术的进步，光伏电站逐渐朝着大型化方向发展，光伏能源的渗透率将进一步提高。然而在具有较长电缆且短路容量较低的光伏电站，当大量光伏逆变器同时运行时，整个系统易激发谐波谐振；若这样的谐振发生在夏季午后发电高峰期，光伏逆变器极易因谐波电压超标而退出运行，这直接影响光伏电站的发电连续性、经济效益和安全运行。与此同时，这样的谐振并不会因为少量光伏逆变器的停运而消除，这说明谐振的成因除逆变器间的作用外，还与整个电站并网系统的网络条件有关（如光伏逆变器自身的频谱、上级电网的背景谐波、站内网络的频率特性等）。
对于成因复杂的光伏电站谐振问题，国内外学者开展了许多卓有成效的研究。有关文献从不同角度对光伏电站的谐振机理进行了分析，但受限于实验室条件，鲜有文献对真实大型光伏电站运行过程中产生的谐波谐振及其表现规律进行过系统性研究。
对光伏电站的谐波谐振可采用主动与被动抑制方法。前者主要从造成谐振的“主体”并网逆变器的软、硬件着手实现光伏电站的谐振抑制，后者则主要从光伏电站并网逆变器以外的单元着手抑制其谐振的发生。对于施加对象是逆变器的硬件还是软件，主动抑制法还可进一步划分为无源阻尼技术与有源阻尼技术。
目前对光伏电站谐振问题的研究大都以同参数、同类型逆变器构成的多逆变器并网系统为研究对象，在此基础上搭建小功率试验平台对所提方法进行研究。然而对实际光伏电站而言，其光伏逆变器的软、硬件参数均由生产厂商预设，当谐振发生时，几乎不可能从改进逆变器的角度实现谐振的主动抑制。与之相比，被动谐振抑制方案在真实光伏电站中更具实用价值。
无源滤波技术是目前较为常用的技术手段，但传统无源滤波器（Passive Power Filter, PPF）的滤波效果与并网系统自身的阻抗特性关联紧密，当谐振点落在谐波源的频谱区段时极易触发谐振。随着电力电子技术的发展，有源滤波技术（Active Power Filter, APF）因其能够动态发出与电网中谐波电流相反的电流或者控制线路的谐波特征阻抗以消除谐波反射，成为谐振抑制的有效途径之一。
并联型APF受器件容量与成本限制，在中、高压场合的应用较少。为解决这一矛盾，有学者提出一种采用粒子群优化的改进限流方案实现了APF安装容量的最大化利用。而将小容量逆变器与PPF相结合组成的混合型APF（Hybrid APF, HAPF）在中、高压场合具有明显优势，如有学者提出了一种采用H桥级联的HAPF，能够满足高压大功率场合的谐波抑制要求。
尽管如此，APF在新能源并网系统中的应用仍然受到价格、软硬件的复杂度等因素的制约。相比于功能较为单一的APF，统一电能质量调节器也可成为一个备选方案，但目前在国内外大型工程中的应用还相对较少，其技术成熟度还有待在今后的市场竞争中进一步淬炼。
感应滤波技术（Inductive Filtering Method, IFM）作为一种新的谐波抑制方案，在部分大功率应用场合，相比传统有、无源滤波技术，可在投资成本与滤波（运行）性能之间实现更好的平衡，目前已在电气化铁道、直流输电系统和工业整流系统中得到了应用。
湖南大学电气与信息工程学院的李勇、刘珮瑶、胡斯佳、林锦杰、罗隆福，在2022年第15期《电工技术学报》上撰文，进一步拓展感应滤波技术的应用领域，提出了一种光伏电站联网运行的方案，是感应滤波技术在大容量光伏发电系统的首次重要尝试。理论分析和实测数据均表明，感应滤波技术可以用于光伏电站，对弱网条件下该系统的谐波谐振具有明显的抑制作用，工程应用价值显著。研究成果可为“弱网”连接的大型光伏电站的谐波、谐振控制提供一种新的解决方案。
图1 基于IFM的实际光伏电站接线图
研究人员围绕一个真实光伏电站，考虑上级电网阻抗的变化，建立了传统光伏电站的谐波域等效模型，对其谐振问题进行了分析，揭示网络阻抗变化对于谐波放大系数的影响机制。在此基础上，针对在光伏电站真实出现的谐波谐振，提出采用感应滤波升压变压器进行联网的光伏电站谐波谐振抑制方法，详细分析了其谐波域模型和谐振抑制机理。
他们指出，该方法中感应滤波变压器的滤波绕组采用特殊的零阻抗设计，外接全调谐无源滤波器能获得比较优良的谐波滤除能力，与此同时，因为它还改变了光伏电站整体网络的阻抗频率特性，故能有效消除真实光伏电站联网运行时的谐波谐振。相比于传统滤波技术，该方法对系统短路阻抗的变化敏感度低，有利于提高系统抗扰动能力，降低系统谐振风险。
表1 主变压器效率测算
研究人员基于真实光伏电站发生谐波谐振时的实测数据特性，分析得到“弱网”条件下光伏逆变器输出的高次谐波是造成谐振的诱因。将所提方法应用于该光伏电站，达到了良好的谐振抑制效果，通过大型工程应用的实测数据验证了感应滤波技术用于光伏电站谐波谐振控制的优良特性。实测数据显示，采用感应滤波技术的光伏电站的功率因数、电压波动等指标表现良好，因抑制了谐振，主变压器效率略高于未采用感应滤波技术的情形。
本文编自2022年第15期《电工技术学报》，论文标题为“基于感应滤波的光伏电站谐波谐振抑制方法”。本课题得到国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点项目、国家自然科学基金项目、湖湘高层次人才聚集工程项目、长沙市杰出创新青年计划和中央高校基本科研业务费资助的支持。
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2022年11月3日-5日 武汉
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