高渗透率下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究

论文摘要

能源是人类赖以生存和发展的基础。传统的不可再生能源如煤炭、石油等日趋减少,总归会枯竭,而且传统能源的使用会带来严重的环境污染。寻找可再生清洁能源对人类的可持续发展具有重要的意义。太阳能具有资源丰富、不受地域限制、对环境友好等优点,受到世界各国重视。目前,光伏发电能量的传递和转换都是建立在电力电子技术的基础上,大规模的光伏电源并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中,从而大量的非线性负载也加入到了供电系统中,会对电力系统造成严重的污染,产生更为严重的电能质量问题。另外,大规模光伏发电并网产生的孤岛效应和微网环流也严重危害着电力系统的安全性和稳定性。因此,研究高渗透率下光伏发电系统的电能质量问题及其综合治理方法对保障电力系统的安全运行具有十分重要的意义。本文首先分析了高渗透率下光伏发电并网对配电网电能质量的影响,给出了一套可供评判其电能质量的指标体系,提出了一种基于雷达图法的电能质量综合评估方法。以确保对高渗透率下光伏发电系统电压水平、功率水平、谐波畸变率、三相不平衡度等电能质量指标进行综合控制。本文对电能质量治理装置与光伏发电装置的交互影响进行了研究,对配置典型的电能质量治理装置如SVC、DSTATCOM的光伏发电系统进行了控制方法的研究和仿真分析。仿真结果表明,SVC和增加滤波功能的并网逆变器可同时抑制并网节点处的电压波动,补偿负载和TCR产生的谐波,提高了光伏并网电能质量,实现高品质供能;由DSTATCOM和光伏微源组成的联合控制系统可通过调度使光伏微源在供能的同时提供较大容量的无功功率,降低了电能质量装置的成本,改善了电能质量,提高了系统的稳定性。本文对抑制微网环流的控制方法和多逆变器并联运行的控制策略进行了研究,提出了一种解决功率耦合问题的办法,采用基于旋转坐标的虚拟V/f控制策略,把电阻和电抗均考虑在内,能实现有功功率和无功功率的解耦。在不同光伏微源之间或光伏微源与电网之间实现并联运行控制和负载均分控制。项目组根据并网运行的条件和功能要求,自主研制了2kW的单相光伏并网逆变器。本文详细介绍了控制器的软硬件设计、人机界面的搭建、逆变器系统研制以及光伏阵列的构建。系统调试和实验结果表明,逆变器能够稳定运行,控制方法能满足并网发电的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 光伏发电的现状和发展
• 1.3 光伏发电并网电能质量治理研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容及组织架构
• 第2章 光伏发电配电网系统电能质量分析和评估方法
• 2.1 高渗透率下光伏并网发电对配电网电能质量的影响分析
• 2.1.1 大功率光伏并网对配电网电能质量的影响
• 2.1.2 储能环节对电网电能质量的影响分析
• 2.1.3 并网离网模式切换带来的电能质量问题
• 2.2 光伏并网发电系统弧岛效应
• 2.3 高渗透率下并联微源环流机理和危害分析
• 2.4 光伏并网系统电能质量综合评估方法
• 2.4.1 电能质量综合评估指标体系
• 2.4.2 基于雷达图法的电能质量评估方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 光伏发电与电能质量治理装置的交互影响
• 3.1 高渗透率下光伏并网需配备电能质量治理装置
• 3.2 光伏发电系统与SVC 的优化配置及其交互影响
• 3.2.1 配置SVC 的高品质光伏发电装置的基本结构
• 3.2.2 SVC 递推积分PI 控制器
• 3.2.3 仿真验证
• 3.3 DSTATCOM 与光伏发电的联合控制系统
• 3.3.1 系统拓扑结构及无功补偿原理
• 3.3.2 联合系统的控制方法
• 3.3.3 仿真验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 多逆变器并网控制及单相逆变器工程设计实例
• 4.1 高渗透率下光伏微网环流控制
• 4.1.1 抑制光伏微网环流控制策略
• 4.1.2 传统的V/f 下垂控制策略
• 4.1.3 基于旋转坐标的虚拟V/f 控制策略
• 4.2 高渗透率下光伏发电系统多逆变器并网控制
• 4.2.1 并网逆变器的结构及其简化等值电路模型
• 4.2.2 带前级升压电路的并网逆变器工作原理
• 4.2.3 多逆变器并联运行控制策略
• 4.3 单相光伏并网逆变器工程设计实例
• 4.3.1 光伏并网设计方案及其系统构成
• 4.3.2 光伏并网逆变器控制策略及其仿真
• 4.3.3 光伏并网逆变器硬软件设计
• 4.3.4 系统调试与实验结果
• 4.4 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间主要研究成果