基于級聯(lián)H橋光伏逆變器的低電壓穿越研究

基于級聯(lián)H橋光伏逆變器的低電壓穿越研究1引言1.1光伏發(fā)電背景及發(fā)展現(xiàn)狀光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，在我國得到了迅速發(fā)展。近年來，隨著光伏技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中的比重逐漸增大。根據(jù)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，光伏發(fā)電將在未來能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來越重要的作用。目前，全球光伏市場規(guī)模持續(xù)擴大，我國光伏產(chǎn)業(yè)在國際市場上占據(jù)領(lǐng)先地位。1.2級聯(lián)H橋光伏逆變器概述級聯(lián)H橋光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并實現(xiàn)與電網(wǎng)的互聯(lián)互通。級聯(lián)H橋逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、可靠性高等優(yōu)點，使其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。級聯(lián)H橋逆變器由多個H橋單元串聯(lián)組成，通過合理的控制策略，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電力輸出。1.3低電壓穿越問題及其研究意義低電壓穿越（LVRT）是指在電網(wǎng)故障或異常情況下，電網(wǎng)電壓短時間內(nèi)下降到較低水平，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要在此過程中保持不脫網(wǎng)運行。低電壓穿越問題對光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電網(wǎng)安全造成嚴(yán)重影響。研究級聯(lián)H橋光伏逆變器的低電壓穿越問題，有助于提高光伏系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性，保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行，對促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。2級聯(lián)H橋光伏逆變器原理及結(jié)構(gòu)分析2.1級聯(lián)H橋逆變器工作原理級聯(lián)H橋逆變器（CHB-Inverter）作為一種多電平逆變器，其核心由多個H橋單元級聯(lián)構(gòu)成，能夠有效提高電壓和功率等級，適用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理基于單相H橋逆變器，通過級聯(lián)方式將多個H橋單元輸出疊加，形成多電平輸出波形。每個H橋單元包含四個開關(guān)元件，通過對開關(guān)元件的控制，可以實現(xiàn)直流電壓的轉(zhuǎn)換和輸出波形的變化。在級聯(lián)H橋逆變器中，各H橋單元的直流側(cè)連接到共同的直流電源，交流側(cè)則通過一定的相互連接方式形成多個輸出電平。級聯(lián)H橋逆變器的工作過程主要包括以下幾個步驟：直流電源的電壓通過各H橋單元進(jìn)行分配，每個單元的輸出電壓為直流電源電壓的1/n（n為H橋單元數(shù)量）。通過對各個H橋單元的開關(guān)進(jìn)行PWM調(diào)制，控制各單元輸出電壓的疊加，形成所需的多電平輸出波形。通過對輸出波形的控制，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的同步，確保光伏系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2.2級聯(lián)H橋逆變器結(jié)構(gòu)特點級聯(lián)H橋逆變器具有以下結(jié)構(gòu)特點：多電平輸出：級聯(lián)H橋逆變器通過級聯(lián)多個H橋單元，可以實現(xiàn)多電平輸出，降低輸出電壓的諧波含量，提高輸出波形質(zhì)量。功率模塊化：級聯(lián)H橋逆變器采用模塊化設(shè)計，便于擴展和維修，同時降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。高效率：級聯(lián)H橋逆變器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，減少了能量損耗，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。靈活的控制策略：級聯(lián)H橋逆變器可以采用多種控制策略，如PWM調(diào)制、空間矢量調(diào)制等，實現(xiàn)對輸出波形的精確控制。適應(yīng)性強：級聯(lián)H橋逆變器適用于不同電壓和功率等級的光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有較強的適應(yīng)性。通過以上分析，可以看出級聯(lián)H橋逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有明顯優(yōu)勢，為解決低電壓穿越問題提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。接下來，本文將分析低電壓穿越問題的原因和影響，并提出相應(yīng)的控制策略。3低電壓穿越問題的原因與影響3.1低電壓穿越產(chǎn)生的原因低電壓穿越（LVRT）現(xiàn)象通常發(fā)生在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主要是由于電網(wǎng)的突然故障或異常導(dǎo)致的電壓暫降。以下為低電壓穿越產(chǎn)生的主要原因：電網(wǎng)故障：包括短路故障、接地故障等，這些故障會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓短時間內(nèi)驟降。大規(guī)模接入：當(dāng)大量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)時，若電網(wǎng)調(diào)控不當(dāng)，可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，引發(fā)低電壓穿越。負(fù)荷突變：電網(wǎng)中大型負(fù)荷的投切，例如大型電動機的啟動，也會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動，可能造成低電壓穿越。光伏系統(tǒng)自身的故障：如光伏組件、逆變器等設(shè)備發(fā)生故障，也可能引起低電壓穿越。3.2低電壓穿越對光伏系統(tǒng)的影響低電壓穿越對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：降低發(fā)電效率：在低電壓穿越期間，光伏系統(tǒng)可能需要降低輸出功率甚至?xí)簳r停機，影響發(fā)電效率。設(shè)備損壞風(fēng)險：低電壓穿越可能導(dǎo)致光伏系統(tǒng)中某些設(shè)備的過壓、過流等異常情況，加速設(shè)備老化，甚至損壞設(shè)備。影響電網(wǎng)穩(wěn)定性：低電壓穿越可能導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的同步性變差，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。經(jīng)濟(jì)損失：低電壓穿越可能觸發(fā)電網(wǎng)保護(hù)裝置動作，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)停機，從而造成經(jīng)濟(jì)損失。為了應(yīng)對低電壓穿越問題，級聯(lián)H橋光伏逆變器需采用合適的控制策略，以提高光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)的友好性。4級聯(lián)H橋光伏逆變器低電壓穿越控制策略4.1傳統(tǒng)低電壓穿越控制策略在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，低電壓穿越（LVRT）是一個重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的LVRT控制策略主要包括以下幾種方法：功率注入法：在檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，通過增加光伏逆變器輸出電流，提高系統(tǒng)有功功率輸出，從而實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的支撐。Crowbar保護(hù)電路：當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓低于一定閾值時，立即啟動Crowbar電路，將光伏逆變器與電網(wǎng)斷開連接，以保護(hù)逆變器免受低電壓影響。直流側(cè)卸荷：在電網(wǎng)電壓跌落時，通過卸載直流側(cè)電容的能量，降低直流側(cè)電壓，從而限制逆變器輸出電流，避免過電流損壞。這些傳統(tǒng)策略在一定程度上能夠應(yīng)對低電壓穿越問題，但存在響應(yīng)速度慢、控制復(fù)雜、影響系統(tǒng)穩(wěn)定性等缺點。4.2級聯(lián)H橋光伏逆變器改進(jìn)型低電壓穿越控制策略4.2.1控制策略原理針對傳統(tǒng)LVRT控制策略的不足，本研究提出了一種基于級聯(lián)H橋光伏逆變器的改進(jìn)型低電壓穿越控制策略。該策略主要原理如下：實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓：通過實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓，快速判斷是否發(fā)生低電壓穿越事件。多模式切換控制：在電網(wǎng)電壓正常時，采用最大功率點跟蹤（MPPT）模式；在發(fā)生低電壓穿越時，切換到LVRT模式。主動電流控制：在LVRT模式下，通過調(diào)整級聯(lián)H橋逆變器輸出電流，實現(xiàn)有功和無功的快速調(diào)節(jié)，從而支撐電網(wǎng)電壓。4.2.2控制策略實現(xiàn)為了實現(xiàn)上述控制策略，本研究采用了以下技術(shù)手段：滑模觀測器：設(shè)計了一種滑模觀測器，用于實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓，確?？焖贉?zhǔn)確地檢測到低電壓穿越事件。級聯(lián)H橋逆變器控制策略：利用級聯(lián)H橋逆變器模塊化的特點，通過獨立控制每個H橋單元，實現(xiàn)輸出電流的精確調(diào)節(jié)。PID控制器：在LVRT模式下，采用PID控制器實現(xiàn)有功和無功電流的實時調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。4.2.3控制策略性能分析通過對級聯(lián)H橋光伏逆變器改進(jìn)型LVRT控制策略的性能分析，得出以下結(jié)論：快速響應(yīng)：在低電壓穿越事件發(fā)生時，所提控制策略能夠迅速調(diào)整逆變器輸出電流，支撐電網(wǎng)電壓。穩(wěn)定性良好：通過PID控制器調(diào)節(jié)，系統(tǒng)在LVRT模式下的穩(wěn)定性和動態(tài)性能得到了顯著提高。適應(yīng)性強：該控制策略具有良好的適應(yīng)性，適用于不同類型和規(guī)模的光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過上述研究，為級聯(lián)H橋光伏逆變器在低電壓穿越問題上的應(yīng)用提供了一種有效的解決方案。5.仿真與實驗驗證5.1仿真模型建立為了驗證級聯(lián)H橋光伏逆變器低電壓穿越控制策略的有效性，首先在仿真環(huán)境中建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。該模型以級聯(lián)H橋逆變器為核心，包括光伏陣列模型、濾波器模型、電網(wǎng)模型以及相應(yīng)的控制策略模型。在仿真軟件中，采用模塊化設(shè)計，將各個部分分別建模，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置和初始化。級聯(lián)H橋逆變器模型中，重點對開關(guān)器件的動作進(jìn)行模擬，以實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。光伏陣列模型則考慮了光照強度、溫度等外部因素對光伏輸出特性的影響。濾波器模型用于減小逆變器輸出電流的諧波含量，提高電能質(zhì)量。電網(wǎng)模型則模擬實際電網(wǎng)的運行狀態(tài)，為低電壓穿越現(xiàn)象的發(fā)生提供條件。5.2實驗平臺搭建與測試5.2.1實驗平臺搭建在仿真模型驗證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建了實驗平臺。實驗平臺主要由以下幾部分組成：級聯(lián)H橋光伏逆變器、光伏陣列模擬器、電網(wǎng)模擬器、DSP控制器、數(shù)據(jù)采集卡以及相關(guān)輔助設(shè)備。級聯(lián)H橋光伏逆變器采用實際的功率器件搭建，光伏陣列模擬器可以模擬不同光照和溫度條件下的光伏輸出特性。電網(wǎng)模擬器用于模擬電網(wǎng)的電壓和頻率變化，以實現(xiàn)低電壓穿越現(xiàn)象的復(fù)現(xiàn)。DSP控制器則是整個實驗平臺的核心，用于實現(xiàn)控制策略的編程和實時控制。數(shù)據(jù)采集卡用于實時監(jiān)測實驗過程中的各項數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。5.2.2實驗結(jié)果與分析通過對實驗平臺進(jìn)行多次測試，得到了以下結(jié)論：采用級聯(lián)H橋光伏逆變器，結(jié)合改進(jìn)型低電壓穿越控制策略，可以有效提高光伏系統(tǒng)在低電壓穿越期間的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。實驗結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至20%時，光伏系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，且在電壓恢復(fù)過程中，系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。對比傳統(tǒng)低電壓穿越控制策略，改進(jìn)型控制策略具有更快的響應(yīng)速度和更好的動態(tài)性能，有利于降低光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響。實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，該控制策略對光伏陣列的輸出特性具有較強的適應(yīng)性，能在不同光照和溫度條件下保持良好的性能。綜上所述，仿真與實驗驗證均證明了級聯(lián)H橋光伏逆變器低電壓穿越控制策略的有效性和可行性，為實際工程應(yīng)用提供了有力支持。6結(jié)論6.1研究成果總結(jié)本文針對級聯(lián)H橋光伏逆變器在低電壓穿越問題上的控制策略進(jìn)行了深入研究。首先，分析了級聯(lián)H橋光伏逆變器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，明確了低電壓穿越問題的產(chǎn)生原因及其對光伏系統(tǒng)的影響。在此基礎(chǔ)上，對比了傳統(tǒng)低電壓穿越控制策略和級聯(lián)H橋光伏逆變器改進(jìn)型低電壓穿越控制策略的性能，證實了改進(jìn)型控制策略在提高光伏逆變器在低電壓穿越過程中的穩(wěn)定性和可靠性方面的優(yōu)勢。通過仿真與實驗驗證，結(jié)果表明，所提出的改進(jìn)型低電壓穿越控制策略能有效地提高級聯(lián)H橋光伏逆變器在低電壓穿越過程中的性能，減小對電網(wǎng)的影響，提高光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和并網(wǎng)能力。此外，研究成果還為級聯(lián)H橋光伏逆變器在其他復(fù)雜工況下的控制策略研究提供了參考。6.2存在問題及展望盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在以下問題：級聯(lián)H橋光伏逆變器在低電壓穿越過程中，控制策略的實時性和適應(yīng)性還需進(jìn)一步提高。實驗過程中，由于實驗設(shè)備和環(huán)境限制，部分參數(shù)的設(shè)置和優(yōu)化仍有待完善。對于大規(guī)模光伏電站，如何實現(xiàn)低電壓穿越控制策略的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，以提高