光伏并網(wǎng)低電壓穿越控制策略探析,電氣工程碩士論文

光伏并網(wǎng)低電壓穿越控制策略探析,電氣工程碩士論文傳統(tǒng)的集中式電力供給形式是通過增加發(fā)電廠數(shù)量來知足不斷增加的客戶對電力的需求，隨著石油與煤炭等主要能源價格的不斷上漲，使得發(fā)電成本大幅上升。與此同時，傳統(tǒng)發(fā)電廠面臨著新型發(fā)電技術(shù)的挑戰(zhàn)和壓力，集中式供電形式無法知足當(dāng)代社會對電力的宏大需求，電力供給形式勢必需要轉(zhuǎn)型。在這樣的需求下，分布式供電系統(tǒng)遭到極大關(guān)注。眾所周知，太陽能已經(jīng)成為新能源中最有發(fā)展前景的能源，它憑借其本身的優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，比方航標(biāo)指示桿、太陽能路燈、太陽能熱水器和屋頂發(fā)電示范工程等等。與傳統(tǒng)的化石能源相比，太陽能發(fā)電具有下面特點(diǎn)：〔1〕分布廣泛：不受地域的限制，世界的每一個角落都有太陽的輻射?！?〕清潔無污染：不產(chǎn)生污染物，零噪聲，不毀壞生態(tài)環(huán)境的平衡?！?〕儲量豐富：太陽輻射能取之不盡用之不竭，可持續(xù)使用幾百億年，因而無需考慮干涸的問題?！?〕易開發(fā)：太陽能可就地開發(fā)，同時無需復(fù)雜大型的接卸設(shè)備，也不需要人力，只需因地制宜地安裝太陽能光伏電池就可實現(xiàn)對太陽能的采集并轉(zhuǎn)換為電能，極大的節(jié)約了成本?！?〕無需運(yùn)輸：光伏電站可就地安裝，并直接通過太陽能電池將其轉(zhuǎn)換為電能，就地進(jìn)行消納，節(jié)省了長距離大容量的輸電電纜和線損，同時其電能可并入電網(wǎng)?！?〕大力扶持項目：出臺一系列便民政策，簡化辦理手續(xù)，優(yōu)化并網(wǎng)流程，并提供補(bǔ)助，大力扶持光伏項目，推動光伏并網(wǎng)、離網(wǎng)等的大面積發(fā)展。太陽能發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展最快前景最好的新能源，正因如此，其發(fā)電容量的大幅增加，也導(dǎo)致了其并網(wǎng)的必然性，但是光伏系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組由于發(fā)電量較小，光伏系統(tǒng)在接入電力系統(tǒng)之前僅僅作為電網(wǎng)的一個負(fù)載，因而通常在與電力公司并聯(lián)時，會選擇并聯(lián)在二次變電所配電饋線上。當(dāng)光伏電源接入配電系統(tǒng)時，將會對電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)與規(guī)劃造成某種程度的影響與沖擊。當(dāng)由于某種原因?qū)е陆尤朦c(diǎn)電壓出現(xiàn)異常時，電網(wǎng)將自動斷開光伏系統(tǒng)的接入點(diǎn)，使其離網(wǎng)運(yùn)行來減少對電網(wǎng)造成大的危害，但這僅僅對于小容量光伏電站而言，假如使大容量光伏電站離網(wǎng)運(yùn)行，不但不會提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，反而會給電力系統(tǒng)造成更大的損失，嚴(yán)重的故障將會使得整個系統(tǒng)造成癱瘓。對于其消極方面的影響，也就是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，必須采取相應(yīng)的手段和措施進(jìn)行解決，使得光伏系統(tǒng)逆變器能夠保持并網(wǎng)狀態(tài)，甚至能夠向電網(wǎng)提供一定的無功功率來支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，這也就是本文所要研究和實現(xiàn)的低電壓穿越技術(shù)〔LowVoltageRideThrough，下面簡稱LVRT〕。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越能力已經(jīng)成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱門課題，為使得整個系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定地運(yùn)行，就要保證故障時并網(wǎng)點(diǎn)電壓不發(fā)生跌落，因而研究低電壓穿越技術(shù)的本質(zhì)在電壓跌落經(jīng)過中找到快速有效的控制策略來對逆變器進(jìn)行合理的控制。但是仍有一點(diǎn)需要考慮，隨著光伏系統(tǒng)的容量增大到和常規(guī)的電廠相比不能忽視的時候，逆變器因受電力電子器件容量的限制導(dǎo)致其本身的容量有限，若并入高電壓等級的電網(wǎng)中，光伏系統(tǒng)本身無旋轉(zhuǎn)設(shè)備，不具備調(diào)頻和調(diào)壓能力，而逆變器僅靠本身的容量來補(bǔ)償無功完全缺乏以使得整個系統(tǒng)恢復(fù)正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，因而我們在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上裝設(shè)適宜的無功補(bǔ)償裝置來對并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行合理的無功補(bǔ)償，并且對無功補(bǔ)償裝置使用恰當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)使得補(bǔ)償經(jīng)過愈加快速準(zhǔn)確，降低逆變器的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)更進(jìn)一步的低電壓穿越功能，保證整體光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。1.2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)在狀況。隨著分布式發(fā)電技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是到達(dá)新能源發(fā)展頂峰的光伏發(fā)電已經(jīng)遭到了越來越多國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，人們當(dāng)前已將研究的重點(diǎn)移至并網(wǎng)系統(tǒng)上，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效、可靠的并網(wǎng)，主要包括下面幾個關(guān)鍵技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改良，國內(nèi)外學(xué)者為之做出了很大的奉獻(xiàn)。下面將從最大功率點(diǎn)跟蹤〔MaximumPowerPointTracting，下面簡稱MPPT〕、逆變器控制策略和靜止同步補(bǔ)償器〔StaticCompensator，下面簡稱STATCOM〕控制三方面來闡述。1.2.1最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究現(xiàn)在狀況。太陽輻射能具有一定的不確定性，幾乎在一天中的任一時刻都具有不同的輻射能，日類型〔陰雨天、晴天〕、氣溫和季節(jié)的不同也會造成太陽輻射能量極大地不同，但是太陽能輻射容量又是有規(guī)律可循的，每一天都會是正午時的輻射容量最大。同光陰伏電池的轉(zhuǎn)換效率很低，通常情況下只要22%左右，種種因素都講明尋找太陽輻射能量的最大功率點(diǎn)是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的必要前提，我們需要找到一種方式方法來實現(xiàn)不同環(huán)境下的最大功率點(diǎn)跟蹤，由于只要找到最大功率點(diǎn)并持續(xù)跟蹤這一點(diǎn)才能從根本上提高系統(tǒng)整體的效率，評價最大功率點(diǎn)跟蹤方式方法好壞的根本條件是能夠?qū)崿F(xiàn)快速、有效的跟蹤。國內(nèi)外學(xué)者在這里方面已做出了跨越性的突破，基本已經(jīng)擁有比擬成熟的跟蹤技術(shù)。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用非對稱模糊PID算法，使其能夠快速響應(yīng)環(huán)境的變化，來穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，極大地降低了振蕩現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[2]以兩種基本的最大功率點(diǎn)跟蹤方式方法提出了一種結(jié)合固定電壓法與電導(dǎo)增量法的占空比技術(shù)，通過直接控制斬波電壓的占空比來到達(dá)快速準(zhǔn)確的跟蹤效果。文獻(xiàn)[3]提出可變閾值切換的滑模變構(gòu)造控制與PI控制復(fù)合的控制策略，實現(xiàn)最大功率點(diǎn)的優(yōu)化跟蹤，并與應(yīng)用較為廣泛的擾動觀測法進(jìn)行比擬，得出了此方式方法良好的特性。文獻(xiàn)[4]分析擾動觀測法的缺乏，并對其缺點(diǎn)進(jìn)行改良，提出了變步長的改良擾動觀測法，在速度和跟蹤精度方面都得到了提高。文獻(xiàn)[5]將幾種常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方式方法進(jìn)行了比擬分析，仿真結(jié)果證明了滑模控制在跟蹤速度方面有很大的提高，過渡經(jīng)過明顯減小，在穩(wěn)定輸出功率后，光伏電池的輸出電壓振蕩也相對較小。對于最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的研究已基本已經(jīng)到達(dá)了最熱門，當(dāng)前已經(jīng)有多種特別成熟的方案來應(yīng)對并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)問題，本文對此不再進(jìn)行太多深切進(jìn)入的研究，在MPPT中采用變步長擾動觀測法，在保證跟蹤速度的同時具有較好的跟蹤效果。1.2.2逆變器控制策略研究現(xiàn)在狀況。逆變器的主要功能是完成從直流電到溝通電的逆變，逆變器主要包括逆變和控制兩部分，現(xiàn)如今控制部分現(xiàn)已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，控制器的性能在很大程度上決定著并網(wǎng)的成敗，也決定了整個系統(tǒng)能否完成一定的低電壓穿越要求。那么找到或者提出一種切實可行且控制效果好的控制策略就顯得特別必要。通過閱讀大量的文獻(xiàn)能夠總結(jié)出光伏逆變器的控制策略主要包括電流瞬時值控制、雙閉環(huán)控制、SVPWM控制、重復(fù)控制、PI控制、滑模變構(gòu)造控制〔SlidingModeControl，下面簡稱SMC〕等等，每種控制方式方法都有其本身的特點(diǎn)和其特定適用范圍，數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，新控制的引入，傳統(tǒng)控制策略的不斷改良都為并網(wǎng)系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力地保障，也會極大地提高并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。低電壓穿越技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，十分是在變速恒頻雙饋的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，國內(nèi)外學(xué)者已對風(fēng)電的低電壓穿越進(jìn)行了較為完善且全面的研究，基本擁有相對成熟的研究成果。對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的LVRT策略相對重視程度不夠，起步也比擬晚，但是針對光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)，也需要有切實可行的低電壓穿越技術(shù)來知足當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時造成并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的情況，我們能夠借鑒風(fēng)電并網(wǎng)中的低電壓穿越技術(shù)來應(yīng)用到光伏系統(tǒng)中，使其在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時能夠補(bǔ)償無功。當(dāng)前，很多學(xué)者將光伏與風(fēng)電系統(tǒng)類比進(jìn)行研究，但是由于光伏不同于風(fēng)電，光伏系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)動慣量，魯棒性也較差。因而在研究經(jīng)過中不能獨(dú)立存在，要依托于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)本身進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]著重的闡述了幾種常用的逆變器控制策略及他們的將來趨勢。文獻(xiàn)[7]將頻率反應(yīng)的準(zhǔn)固定頻率引入到滯環(huán)控制中，解決無法跟蹤開關(guān)頻率變化的問題。文獻(xiàn)[8]闡述了單相并網(wǎng)逆變器的工作原理，并且采用小信號分析方式方法來分析開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下的逆變器輸出特性，最后采用電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆绞絹硪种齐娋W(wǎng)電壓的波動，由此來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方式方法，分別穩(wěn)定母線電壓和母線電流，并采用比例諧振控制方式方法，使其并網(wǎng)的電壓和電流能夠符合要求。文獻(xiàn)[10]通過分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)故障穿越控制目的不合理、算法復(fù)雜等一系列的缺陷，因而改良了傳統(tǒng)的故障穿越策略，采用最大電流幅值的控制策略，結(jié)合正負(fù)序電流的分離技術(shù)使得在電壓暫降時能知足故障穿越的要求，并提供了一定的電壓支撐。文獻(xiàn)[11]采用了dq鎖相環(huán)電壓暫降的檢測方式方法，能夠快速跟蹤并檢測出電壓的暫降，為低電壓的動作提供了根據(jù)，后續(xù)在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上采取無功補(bǔ)償策略，來重新調(diào)整有功和無功的電流參考值，給電網(wǎng)輸出一定的無功來支撐并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[12]采用并聯(lián)耗能電阻的方式方法在很大程度上提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越能力。文獻(xiàn)[13]提出了一種電壓電流雙閉環(huán)與電流單閉環(huán)的切換控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓突降時，控制策略切換至電流單閉環(huán)控制，并將電網(wǎng)正常運(yùn)行時的有功電流信號賦值到故障期間的有功電流參考值，使并網(wǎng)電流與正常運(yùn)行時的一樣，完成低電壓的穿越。本文采用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略來完成并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越，電壓外環(huán)采用經(jīng)典PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用滑模控制策略，滑模變構(gòu)造控制當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)中。其主要的優(yōu)點(diǎn)有[14]：〔1〕對外界的干擾具有較強(qiáng)的魯棒性；〔2〕當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定的切換面以后，不會再隨意改變，運(yùn)動形式就會取決于其切換面的方程，和系統(tǒng)的參數(shù)及狀態(tài)無任何關(guān)系；〔3〕可跟蹤任