基于級(jí)聯(lián)多電平變換器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的模塊不匹配運(yùn)行技術(shù)研究

基于級(jí)聯(lián)多電平變換器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的模塊不匹配運(yùn)行技術(shù)研究分布式能源的互聯(lián)大幅提高電網(wǎng)的效能、可靠性、安全性等。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,可再生清潔能源正在被優(yōu)先地開(kāi)發(fā)利用。因此,大規(guī)模分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝總量獲得了迅速的增長(zhǎng)。得益于電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)以及用戶(hù)對(duì)于高效率的追求,光伏發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求大規(guī)模分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)必須保證所注入電能的質(zhì)量,殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)則要求光伏發(fā)電系統(tǒng)本身的效率越高越好。級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)無(wú)需笨重的工頻變壓器即可并入中高壓的區(qū)域電網(wǎng),這將有助于功率密度的提高;級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)具有與級(jí)聯(lián)模塊的個(gè)數(shù)成正比例的等效開(kāi)關(guān)頻率,這將能以有限的模塊開(kāi)關(guān)頻率獲得高的輸出電流質(zhì)量;級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)的多個(gè)模塊共同承擔(dān)大功率與高電壓,這將有助于降低模塊選型的難度、降低所選模塊的成本。除此之外,級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)還具備模塊化、規(guī)模化以及可分布實(shí)施的最大功率點(diǎn)跟蹤能力等優(yōu)點(diǎn)。然而,模塊不匹配對(duì)級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效的運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。一方面,模塊傳輸?shù)挠泄β实牟黄ヅ鋾?huì)直接引起模塊的交流側(cè)電壓的不對(duì)稱(chēng)分布,這會(huì)導(dǎo)致H橋逆變器的過(guò)調(diào)制。另一方面,由直流-直流變換器捕獲的最大功率點(diǎn)有功功率不能及時(shí)、平順地向電網(wǎng)傳輸,將會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓過(guò)高或過(guò)低。當(dāng)模塊不匹配時(shí),為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定,常見(jiàn)的過(guò)設(shè)計(jì)包括增加額外的能量?jī)?chǔ)存或者能量變換環(huán)節(jié)、增大系統(tǒng)的電壓與功率設(shè)計(jì)裕量,以及舍棄系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能。過(guò)設(shè)計(jì)的做法會(huì)提高系統(tǒng)的造價(jià)、降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為使系統(tǒng)兼具高效性與穩(wěn)定性,有學(xué)者提出了基于調(diào)制策略的解決方案,根據(jù)有功的分配來(lái)調(diào)整各模塊的驅(qū)動(dòng)脈沖,但現(xiàn)有的解決方案僅基于傳統(tǒng)的基于載波的調(diào)制方法,所涉及的模塊不匹配程度往往較輕。鮮有學(xué)者給出能應(yīng)對(duì)較嚴(yán)重的模塊不匹配情況下的調(diào)制策略。為了能應(yīng)對(duì)較嚴(yán)重的模塊不匹配,有學(xué)者提出了向電網(wǎng)注入無(wú)功或者從電網(wǎng)吸收無(wú)功以補(bǔ)償模塊輸出電壓不平衡的策略。然而,無(wú)功補(bǔ)償因受限于電網(wǎng)的需求而不能完全自主,再者,過(guò)多的無(wú)功會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為此,本文將尋求更高效的、能應(yīng)對(duì)更嚴(yán)重的模塊不匹配的解決方案。本文的主要工作有:1對(duì)模塊不匹配問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)固有模塊不匹配問(wèn)題。在模塊不匹配工況下,會(huì)引入諸多的問(wèn)題如:直流側(cè)過(guò)/欠壓、交流側(cè)電流畸變等,嚴(yán)重時(shí),系統(tǒng)會(huì)失去穩(wěn)定。目前少數(shù)文獻(xiàn)給出了解決方案,但這些文獻(xiàn)并未詳細(xì)給出模塊不匹配的對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生影響的機(jī)理。因此,本文將首先分析級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)的功率-電壓分布關(guān)系,依此,將詳細(xì)地給出模塊不匹配的影響機(jī)理,同時(shí),展現(xiàn)傳統(tǒng)方案的不足之處。2提出了一種改進(jìn)的基于載波層疊的脈沖寬度調(diào)制(Carrierlevel-shiftedpulsewidthmodulation,LSPWM)策略在電力電子系統(tǒng)中,脈沖寬度調(diào)制(Pulsewidthmodulation,PWM)能被用來(lái)解決一些傳統(tǒng)控制所不能克服的問(wèn)題。本文首先分析了傳統(tǒng)LSPWM能允許模塊不匹配的特性及其局限性,其次羅列了級(jí)聯(lián)H橋變換器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)并且分析了它們的特點(diǎn),對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化的排布,最終形成了開(kāi)關(guān)事件消耗少、能實(shí)時(shí)調(diào)整模塊直流電壓利用率的開(kāi)關(guān)切換模式,即一種改進(jìn)的LSPWM調(diào)制策略。所提改進(jìn)的調(diào)制策略能使得系統(tǒng)一直工作在綜合性能的優(yōu)化區(qū)域。3提出了一種基于改進(jìn)LSPWM和無(wú)功注入的模塊不匹配補(bǔ)償策略為了進(jìn)一步拓展級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)間,本文提出了一種基于改進(jìn)LSPWM和無(wú)功注入的模塊不匹配補(bǔ)償方案。本文首先分析了無(wú)功補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理,其次結(jié)合改進(jìn)的LSPWM策略,對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化,形成了所提的無(wú)功補(bǔ)償策略。相比較傳統(tǒng)策略,所提策略能很大程度地節(jié)省無(wú)功補(bǔ)償量、減少開(kāi)關(guān)切換次數(shù)以及自發(fā)地進(jìn)行無(wú)功的最優(yōu)分配,使得級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)能高效地運(yùn)行于更寬廣的區(qū)間。4提出了一種三相功率平衡策略與模塊不匹配補(bǔ)償策略的協(xié)調(diào)機(jī)制本文還給出了級(jí)聯(lián)光伏系統(tǒng)的三相