（控制科学与工程专业论文）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.pdf

r e s e a r c ho np o w e r q u a l i t ya n di n t e r a c t i o ni nh i g hp e r m e a b i l i t y p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m k a n gz h e n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g c o n t r o ls i c e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u 0a n m a y , 2 0 1 l 5 1m 66 09 舢1舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 僦 ， 同期：忉，f 年s 月近同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或于i j 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上槲应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： f 1 期：7 , o r 年s 月返- 1 门期：g a l l 年f 月h 高渗透牢下光伏电源并嘲l 乜能质量问题及j e 交互影响研究 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、石油等同 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s v c 、d s t a t c o m 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，s v c 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t c r 产生的谐波，提高了光伏并网电能质量， 实现高品质供能；由d s t a t c o m 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 微源之问或光伏微源与电网之i 、只j 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2 k w 的单幸【l 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。 关键词：高渗透率；光伏发电；电能质量；孤岛效应；微网环流；并网逆变器 硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g y i s t h eb a s i so fh u m a ns u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a l n o n r e n e w a b l ee n e r g ys u c ha sc o a la n do i li sd i m i n i s h i n ga n di t w i l lb ed e p l e t e d s o m e d a v m o r e o v e r ，s e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n w i l lb e c a u s e db y u s i n g t r a d i t i o n a le n e r g y t h e r e f o r e ，l o o k i n gf o rr e n e w a b l ec l e a ne n e r g y i s i m p o r t a n tf o r h u m a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s o l a re n e r g yh a st h ea d v a n t a g e s o f a b u n d a n t r e s o u r c e s ，w i t h o u tg e o g r a p h i c a lr e s t r i c t i o n sa n dn o n - p o l l u t i o n ，a t t r a c t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nr e c e n t l y p r e s e n t l y ，p h o t o v o l t a i ce n e r g y t r a n s f e ra n dc o n v e r s i o na r eb a s e do np o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y s o ，a b u n d a n tp o w e re l e c t r o n i c sc o n v e n e r sw i l lb ei n t r o d u c e d i n t op o w e rs y s t e mb ye x t e n s i v ep vm i c r o s o u r c e sc o n n e c t i n gt ot h eg r i d ，w h i c hw i l l b r i n gp o l l u t i o nt op o w e rs y s t e ma n d c a u s es e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m i na d d i t i o n ， i s l a n de f f e c ta n dm i c r o g r i dc i r c u l a t i o n ，w h i c hc a u s e db yp h o t o v o l t a i cc o n n e c t i n gg r i d c o s m i c a l l y ，a l s os e r i o u s l ye n d a n g e rt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m c o n s e q u e n t l y ，r e s e a r c ho fp o w e rq u a l i t yp r o b l e ma n ds t u d yo nc o n t r o ls t r a t e g yo fp v g r i d c o n n e c t e ds y s t e mw i t hh i g hp e r m e a b i l i t y i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs a f e t y o p e r a t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ee f f e c to ft h ep o w e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t e dn e t w o r kc a u s e db yp vc o n n e c t i n g t ot h eg r i dw i t hh i g hp e r m e a b i l i t yi sf i r s t l yr e s e a r c h e di n t h i sp a p e r a ni n d i c a t o r s y s t e ma n dac o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tm e t h o db a s eo nr a d a rc h a r ta r ep r o p o s e dt o i n s u r ei n t e g r a t e dc o n t r o lo f t h eh i g hp e r m e a b i l i t ys y s t e mp o w e rq u a l i t ys u c ha s v o l t a g el e v e l ，p o w e rl e v e l ，h a r m o n i cd i s t o r t i o nr a t e ，t h r e ep h a s ei m b a l a n c ed e g r e ea n d s oo n t h e n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np o w e rq u a l i t yc o n t r o ld e v i c e sa n dp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ne q u i p m e n t i sr e s e a r c h e d t h es t u d yo nc o n t r o lm e t h o da n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s i sd o n et ot h ep vg e n e r a t i o ns y s t e mc o n f i g u r i n gt y p i c a lp o w e rq u a l i t y d e v i c e ss v ca n dd s t a t c o ms e p a r a t e l y s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tp o w e rq u a l i t y c a nb ei m p r o v e db yt h ec o l l a b o r a t i o ns y s t e mc o n s i s to fp h o t o v o l t a i ca n dp o w e r q u a l i t yd e v i c e s t h eh a r m o n i c sb r o u g h tb yt h el o a da n dt c r c a nb es u p p r e s s e db y s v ca n dg i r dc o n n e c t e di n v e r t e rw i t hf i l t e rf u n c t i o n ，h i g hq u a l i t yp o w e rs u p p l yc a n b er e a l i z e d a l s o ，p h o t o v o l t a i cm i c r o s o u r c ec a np r o d u c el a r g ec a p a c i t yr e a c t i v ep o w e r w h i l ep r o v i d ep o w e rs u p p l yi nt h ec o l l a b o r a t i o ns y s t e mw i t hd s t a t c o m ，t h ec o s to f 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 t h ep o w e rq u a l i t yd e v i c e si sr e d u c e da n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi s i m p r o v e d t h ec o n t r o lm e t h o do fs u p p r e s s i n gm i c r o - g r i dc i r c u l a t i o na n dt h e c o n t r o l s t r a t e g yo fm u l t i i n v e r t e r so p e r a t i o ni np a r a l l e lc o n n e c t i o na r ea l s os t u d i e di nt h e t h e s i s as o l u t i o nt os o l v ep o w e rc o u p l i n gp r o b l e mi sp r o p o s e d d u m m yv fc o n t r o l s t r a t e g yc o n s i d e r i n gr e s i s t a n c ea n dr e a c t a n c eb a s e do nr o t a t i n gf r a m ei sa d o p t e d ，a n d d e c o u p l i n go fa c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ri sr e a l i z e d p a r a l l e lo p e r a t i o nc o n t r o la n d l o a d 。s h a r i n gc o n t r o la m o n gd i f f e r e n tm i c r o s o u r c e so rb e t w e e np h o t o v o l t a i ca n dt h e g r i da l s oc a nb er e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o na n df u n c t i o nd e m a n do fp vc o n n e c t i n gt ot h eg r i d ，a 2 k w s i n g l ep h a s ep h o t o v o l t a i eg i r d - c o n n e c t e di n v e r t e ri s d e v e l o p e db yt h ep r o j e c t t e a m i n d e p e n d e n t l y t h ed e t a i l s o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no ft h ec o n t r o l l e r , m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，d e v e l o p m e n to fi n v e r t e rs y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s y s t e mm o d u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t et h a tt h ei n v e r t e rc a nr u ns t e a d ya n d t h ec o n t r o lm e t h o dc a nf u l f i l lt h ed e m a n do fp v c o n n e c t i n gt ot h eg i r d k e yw o r d s ：h i g hp e r m e a b i l i t y ；p h o t o v o l t a i c ；p o w e rq u a l i t y ；i s l a n de f f e c t ；m i c r o g r i d c i r c u l a t i o n ；g i r d c o n n e c t e di n v e r t e r i v 硕上学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要：i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义一l 1 2 光伏发电的现状和发展3 1 3 光伏发电并网电能质量治理研究现状4 1 4 论文的主要研究内容及组织架构6 第2 章光伏发电配电网系统电能质量分析和评估方法8 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8 2 1 1 大功率光伏并网对配电网电能质量的影响一8 2 1 2 储能环节对电网电能质量的影响分析1 l 2 1 3 并网离网模式切换带来的电能质量问题1 2 2 2 光伏并网发电系统弧岛效应一l 2 2 3 高渗透率下并联微源环流机理和危害分析1 4 2 4 光伏并网系统电能质量综合评估方法l6 2 4 1 电能质量综合评估指标体系一1 6 2 4 2 基于雷达图法的电能质量评估方法1 8 2 5 本章小结19 第3 章光伏发电与电能质量治理装置的交互影响2 0 3 1 高渗透率下光伏并网需配备电能质量治理装置2 0 3 2 光伏发电系统与s v c 的优化配置及其交互影响2 3 3 2 1 配置s v c 的高品质光伏发电装置的基本结构2 3 3 2 2s v c 递推积分p i 控制器一2 4 3 2 3 仿真验证2 6 3 3d s t a t c o m 与光伏发电的联合控制系统一2 7 3 3 1 系统拓扑结构及无功补偿原理一2 7 3 3 2 联合系统的控制方法2 8 3 3 3 仿真验证3 0 3 4 本章小结3l 第4 章多逆变器并网控制及单相逆变器工程设计实例3 2 v 高渗透牢下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究 4 1 高渗透率下光伏微网环流控制3 2 4 1 1 抑制光伏微网环流控制策略3 2 4 1 2 传统的v f 下垂控制策略一3 6 4 1 3 基于旋转坐标的虚拟v f 控制策略3 7 4 2 高渗透率下光伏发电系统多逆变器并网控制3 9 4 2 1 并网逆变器的结构及其简化等值电路模型一3 9 4 2 2 带前级升压电路的并网逆变器工作原理4 0 4 2 3 多逆变器并联运行控制策略4 0 4 3 单相光伏并网逆变器工程设计实例4 6 4 3 1 光伏并网设计方案及其系统构成4 6 4 3 2 光伏并网逆变器控制策略及其仿真4 7 4 3 3 光伏并网逆变器硬软件设计5 l 4 3 4 系统调试与实验结果5 6 4 4 本章小结5 9 结论和展望6 0 参考文献6 2 致 谢6 6 附录a 攻读学位期间主要研究成果6 7 v l 硕士学位论文 第1 章绪论 本章概括介绍了“高渗透率下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响 课 题研究的背景及意义，光伏发电的现状及本课题的主要工作内容。 1 1 课题研究的背景及意义 能源是人类赖以生存和发展的基础，是世界经济的命脉。随着人类生活水平 的提高和社会经济的发展，对能源的需求日益增长。目前，世界范围内的能源利 用主要以传统的煤炭、石油等不可再生能源为主。本世纪初的世界能源调查报告 中显示：石油还可采3 9 9 年，天然气还可采6 1 年，煤炭还可采2 2 7 年。可见， 化石能源同趋减少，总归会枯竭。 此外，这些传统能源的大量使用已经给人类的生存环境带来了严重的污染， 如温室效应、臭氧层破坏等。化石能源的燃烧使得有害物质排入大气中，甚至使 得局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。可见，人类社会需要可持续发展，能 源紧缺和环境污染成了最重要的两大制约因素。依靠科技进步，大规模的开发利 用可再生清洁能源成为解决能源紧缺的必然途径。目前，全世界都在开发可再生 能源如风能、太阳能、海洋能、地热能等，这些能源不仅用之不尽，而且不排放 有害物质，可以用来替代传统能源，实现可持续发展。 太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，每4 0 秒太阳传送给地球的能量相 当于2 l o 亿桶石油的能量，地球每年接收的太阳辐射达到1 8 1 0 l s k w h ，相当于 当前全球能源消耗的数万倍。具有资源丰富，不受地域限制等优点，受到世界能 源专家们的青睐，成为2 1 世纪最重要的能源之一。开发利用太阳能的主要途径 是光伏发电。无论从能源还是环境的角度考虑，太阳能发电最终将以替代能源的 角色进入电力市场。 目前以大机组，大电网，高电压为特征的单一式供能系统占全世界供能系统 的9 0 以上。但是由于传统能源的枯竭加上人们对环境保护的同益重视。环保、 高效、灵活的分布式发电方式已经被世界各国所重视。因此，电力系统将发生巨 大的改革，分布式发电将成为未来电力系统的重要研究方向。分布式光伏发电可 以充分开发利用各地的太阳能，将分布式光伏发电并入配电网是太阳能发电进入 电力市场的必由之路i lj 。 欧美许多国家已经对分布式发电方式开展科学研究，我国近年来也对分布式 发电展开了一些基础性的研究。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中明确提出要丌展“可再生能源低成本规模化丌发利用”以及“间歇式电 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 源并网及输配技术”。并且在我国“十一五”期间“分布式能源系统微电网技术研 究”获得了国家8 6 3 高技术基金的资助，“分布式发电供能系统相关基础研究”获得 了9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目的资助，分布式发电理论和技术将成为我 国能源领域的热点研究课题。 近年来，分布式光伏发电得到了全世界广泛的关注【2 j 。美国、德国、西班牙 等各国政府相继推出了如电价补贴、税收抵扣等鼓励政策和政府计划，推动了光 伏产业的迅速发展。2 0 0 9 年全球新装置的太阳能发电容量为7 2 g w ，其中欧盟占 了5 8 g w ，德国全年新增的太阳能发电容量有3 8 g w ，约占全球的1 2 。 我国经济正处在飞速发展时期，能源需求量在未来几十年将迅速增加，因此， 发展新能源对我国经济发展十分重要。我国土地广阔，太阳能资源及其丰富，具 有很好的开发潜力。2 0 0 8 年中国光伏安装总量是4 0 m w ，累计安装总量只有 1 4 0 m w ，而2 0 0 9 年全年安装量就有1 6 0 m w ，2 0 2 0 年的光伏发电目标从原先的 1 6 g w 提高到2 0 g w 。一系列的政策支持和长远规划表明各国政府对光伏发电的 认可度非常高。 分布式光伏发电并网，有助于分布式发电技术的大规模推广应用。不仅有助 于提高供电品质，还有助于提高电力系统的可靠性，防止大面积停电，增强电力 系统抵御自然灾害的能力，对国家有重要的安全和经济意义p j 。 然而，当分布式光伏电源接入配电网后，电力系统呈多电源的弱环网络结构 1 4 】。少量的分布式发电并网对整个电网系统的影响不大。伴随着大比例或大功率 分布式光伏电源的引入，电能质量问题不可避免。高渗透率下光伏并网将产生特 殊电能质量问题。 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，随着电力电子技术的 广泛应用和发展，大量的非线性负载也加入到了供电系统中，因此，大规模光伏 发电的引入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p j 。现 在较为常见的电能质量问题有：电压波动和闪变、三相不平衡、谐波污染、无功 功率不平衡等。另外，大规模光伏并网发电引起的微网环流和孤岛效应将在电网 中引入新的电能质量问题，严重危害着电力系统的安全性和稳定性。 针对传统电力系统电能质量问题的检测与评估，国内外一直都十分关注，许 多电力系统专家和学者已经进行了广泛深入的研究，在降低电压波动和闪变、解 决三相不平衡、抑制谐波方面，目前技术己相当成熟1 6 】。但由于光伏发电并网产 生的电能质量问题具有特殊性，传统的电能质量治理技术都不再适用，传统的检 测和分析方法也很难适应于电能质量问题的研究。 虽然大规模光伏发电的引入给系统带来了很多的危害，引进大量谐波，造成 系统扰动，导致系统电能质量恶化，但是分布式光伏电源也能改善电能质量1 7 j 。 硕士学位论文 改善电能质量的技术是建立在电力电子技术，计算机控制技术的基础上的，而分 布式光伏发电也正是建立在这些技术上。这样使得光伏发电系统复用自身的电力 电子转换器成为可能，利用自身的电力电子设备吸收或释放有功、无功，不仅实 现了电能转换，还可以担当一定的电能质量调节任务，通过相关的控制策略，可 以尽快地投入使用，使得系统故障减少，减低了电能质量治理装置容量，减少了 电力系统的额外投资1 8 j 。 因此，在分布式光伏发电大量引入配电网的条件下，揭示高渗透率下光伏电 源并网系统的特殊电能质量问题机理，建立相应的评价指标和评估方法，研究电 能质量的综合控制方法及相应的新设备，对实现含大比例光伏微网的配电网稳定 供能，保障其在复杂工况下安全高效运行有十分重要的意义。 1 2 光伏发电的现状和发展 全球能源危机和大气污染问题同益突出，传统的燃料能源在日趋减少，全世 界把目光投向了可再生能源，希望它们能改变人类的能源结构，实现可持续发展。 丰富的太阳辐射能以其独有的优势成为人们重视的焦点。光伏发电作为开发利用 太阳能的主要途径最受瞩目。 2 0 世纪9 0 年代后，光伏发电发展迅速，1 9 9 0 2 0 0 5 年世界光伏组件年平均 增长率约为1 5 ，2 0 0 6 年，世界上已经建成了l o 多座m w 级光伏发电站。国外 发达国家掀起了发展并网太阳能光伏发电系统的高潮。 美国是最早制定光伏发电发展规划的国家。2 0 世纪8 0 年代初，美国就已经 开始了并网太阳能光伏发电的努力，制定了p v - u s a ，即太阳能光伏发电规模应 用计划，主要是建立1 0 0 k w 以上的大型并网太阳能光伏发电系统。只本于1 9 9 2 年就启动了新阳光计划，2 0 0 3 年日本光伏组件生产占世界的5 0 ，世界前十大厂 商有4 家在日本p j 。1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司认 可的10 0 0 项屋顶计划，现在实际建成的屋顶并网太阳能发电系统已经超过5 0 0 0 座。新的可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏发电市场和产 业的发展，成为了继r 本之后光伏发电发展最快的国家。意大利、芬兰、法国等， 纷纷制定光伏发展计划，并投巨资大力发展光伏发电技术和加速其工业化的进程。 我国的太阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧 洲、同本优越很多，有巨大的开发潜能。我国太阳能电池的研究始于l9 5 8 年，l9 5 9 年研制成功第一个有实用价值的太阳能电池，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳能电 池。我国光伏产业的发展经历了两次跳跃。2 0 世纪8 0 年代中、后期，我国的改 革开放正处于蓬勃发展时期，由中央政府、国家工业部委、地方政府和国家大型 企业投资。国内引进了多条太阳能电池生产线和多台太阳能电池生产设备，初步 形成生产能力达到4 5 m w 的太阳能光伏产业。2 0 世纪9 0 年代中、后期，由于受 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 到国际项目、政府项目的启动和市场的拉动等国际大环境的影响，太阳能电池组 件产量逐年稳步增加，光伏发电产业进入稳步发展时期，迅猛发展的势头日渐明 朗。2 1 世纪初，我国光伏发电产业迎来了快速发展的新阶段。2 0 0 7 年底，中国太 阳能光伏发电系统累计装机容量达到1 0 0 m w ，从事太阳能电池生产的企业达到 5 0 家，太阳能电池年产量达到1 1 8 8 m w 。 当前影响太阳能光伏发电大规模应用的主要障碍是它的制造成本太高，在众 多发电技术中，太阳能光伏发电仍是成本最高的一种，因此，开发新颖的电池材 料，设计新的电池结构、改进现有的制造工艺等降低制造成本的方式成为发展太 阳能光伏发电技术的主要目标。近年来，光伏工业产量增加、转换效率提高、成 本降低，应用领域不断扩大，呈现稳定发展的趋势，可以预料，随着太阳能电池 成本的下降，技术的进一步发展和市场的拓展，太阳能光伏发电技术将进入大规 模的发展时期。 1 3 光伏发电并网电能质量治理研究现状 随着光伏发电近年来的迅速发展，光伏发电并网所产生的电能质量问题引起 了国内外专家的关注，揭示分布式光伏发电引起的单一的电能质量问题机理的研 究较多。在如何经济高效的解决这些问题，实现光伏发电系统稳定运行的方面， 国内外也有一定的研究。 国内很多高校如天津大学、合肥工业大学、西安交通大学、华中科技大学等 以及南方电网都开展了高渗透率下微网与配电网相互作用机理研究、分白式储能 对微网安全稳定运行的作用机理、含微网配电系统的规划、微网及含微网配电系 统的保护原理与技术、并网控制及多分布式电源协调控制、微网经济运行理论与 能量管理等的研究。 目前国内外关于光伏发电系统电能质量的研究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 电能质量问题机理和检测研究 光伏电源与传统的电网电源不同。传统的电网电源可看作频率和电压可维持 恒定的无穷大电源，而光伏微源受外界条件影响明显，输出功率不稳定，带来电 压波动和闪变等电能质量问题。研究光伏发电模型，归纳出其有功功率变化特性、 无功电压特性、频率响应特性、功角稳定特性、故障响应特性，这有助于解决光 伏发电系统电能质量问题的根源。文献【10 】研究了光伏阵列的输出特性，并在此 基础上开展了最大功率点跟踪控制的理论和仿真研究，能最大限度的利用_ 太阳能， 并且保持系统稳定，表现出良好的动态特性。 为了对光伏并网发电系统的电能质量进行有效控制，国内外专家一直很重视 电能质量的检测问题，并且进行了较为深入的研究。孤岛现象作为分布式光伏发 电系统的特有现象，对于电力系统和人员安全有极大的危害性，也影响着系统的 4 硕上学位论文 电能质量，孤岛检测对维持电力系统的安全稳定运行尤为重要。文献【1 l 】在具有 无功补偿功能的单级三相光伏并网逆变器的基础上，提出了一种将逆变器的有功 和无功分开独立控制，而将最大功率跟踪与有功扰动综合控制的孤岛检测方案。 ( 2 ) 电能质量控制装备应用在光伏发电系统中 传统的电网电能质量治理装置在光伏发电系统中依然适用，例如a p f 、 d s t a t c o m 和s v c 等同样可用于大规模的光伏电站中作为无功补偿和谐波治理 装置。而且，光伏微源本身具有功率响应积极，有功无功分别可调等优点，可以 担当一定的电能质量调节任务，与电能质量治理装置联合使用，可以改善系统的 电能质量。 目前，针对光伏微源对不同电能质量指标的影响研究较多。伴随着光伏发电 系统的渗透率提高，电能质量的控制难度也增加，传统的电能质量治理点如无功 补偿结点、有源滤波器的投入结点、电能质量的检测点等都需要重新确定。传统 的电能质量治理方法也需要改进。文献【12 n 用光伏并网逆变主电路的特点，将光 伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波相结合，在有效地进行光伏并网发电的同 时，还可以对电网中的无功和谐波进行补偿或抑制，进而提高电网供电质量。 ( 2 ) 逆变器技术研究 逆变器作为光伏发电系统的主要构件，光伏模块需要借助逆变器输出符合要 求的电能，其大量使用会造成严重的谐波问题。逆变器根据所采用的电力电力技 术的不同而产生不同水平的谐波，在高渗透率的环境下，系统的谐波水平也会上 升，可能导致电力系统设备的损毁。 然而，考虑逆变器的有益作用，也可以为电能质量治理提供良好的条件。由 于并网逆变器和有源滤波器具有相同的主电路结构，文献【1 3 】提出在并网逆变器 的控制算法中加入滤波环节，使其在供能的同时具备滤波的功能。文献【1 4 】提出 一种光伏并网功率调节系统，将并网指令电流与无功指令电流合成，系统跟踪合 成指令电流即可实现光伏发电和无功补偿的统一控制。该系统将光伏并网发电控 制与无功补偿、有源滤波控制相结合在进行光伏发电的同时有效地提高了供电质 量。 改变逆变器的控制策略，可以提高逆变器输出电能质量。文献 15 】介绍了一 种分布式发电逆变器控制技术，在非线性负荷或者网络失真的情况下，可以使输 出电压低谐波失真，从而改善谐波问题。文献【16 】提出基于同步发电机模型的逆 变器控制策略，适用于所有使用逆变器的场合，并且尤其适合微网逆变器的控制， 这只是对控制方法一个替换，并不带来额外的硬件开销，这种控制策略应用于微 网逆变器控制，采用频率电压下垂特性调节有功无功输出，仿真得出此种控制 策略具备积极的功率追踪性能。文献【17 】设计了采用电流脉宽调制调节方法的电 压型逆变控制器，其核心采用含有电流电压波动前馈补偿的双环串级p l 结构，有 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 功、无功可以分开独立调节。仿真表明，该控制系统响应速度快、设计灵活，可 以提高系统电能质量。 文献【1 8 】提出了一种逆变电源无线并联控制方案，有效的实现了逆变电源的 并联同步运行，该控制技术通过检测逆变电源本身的输出功率来对输出电压幅值 和频率进行下垂控制，均分负载电流的效果很好，逆变电源之间的环流很小。 ( 5 ) 运行模式对电能质量问题的影响研究 光伏并网发电系统存在两种运行模式：正常情况下，光伏模块并联接入配电 网运行，称为联网模式；当配电网故障或者电能质量不满足要求时，光伏模块断 开独立运行，称为孤岛模式。联网模式下，光伏模块服从配电网的调度，输送电 能。孤岛运行时，光伏模块单独运行供电。储能装置及必要的用户电力装置是维 持微网无功和电压平衡、实现模式平滑切换、降低并退冲击的重要措施。 1 4 论文的主要研究内容及组织架构 本文对含大比例光伏并网发电的配电网电能质量问题及其交互影响进行了研 究。揭示了高渗透率下光伏并网发电系统特殊电能质量问题，提出一种电能质量 评估方法，深入研究了光伏发电与电能质量治理装置的交互影响以及多逆变器并 网控制方法，关注系统整体电能质量，以保障高渗透率光伏分布式发电供能系统 运行的安全性、经济性和可靠性。 第2 章，本章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。伴 随着分布式光伏电源接入，各种扰动同时引入配电网，从而对系统的电能质量产 生严重影响，主要会造成供电电压不稳定、谐波污染、三相电压不平衡以及无功 功率不平衡等方面的问题。给出了一种可供评判大规模光伏发电系统电能质量的 指标体系。该指标体系包含了电压偏差指标、频率偏差指标、三相不平衡指标、 谐波畸变指标、电压波动指标和电压闪变指标六大稳态指标。在指标体系的基础 上，本文提出了一种基于雷达图法的电能质量综合评估方法。 第3 章，本章首先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。然后对配置典型的电能治理装置如s v c ，d s t a t c o m 的光伏发电系统进行 了控制方法的研究和仿真分析。s v c 和增加滤波功能的并网逆变器设计可同时抑 制并网节点处的电压波动和补偿负载和t c r 产生的谐波，提高了光伏并网电能质 量，实现高品质供能。由d s t a t c o m 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。 第4 章，本章研究了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，使光伏发电系统中各模块输出电压的幅值、相位尽量一致。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 硕：仁学位论文 考虑在内，能实现有功功率和无功功率盼解耦。在不同光伏微源之间或光伏微源 与电网之问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2 k w 的单相光伏并网逆变器。本章详细介绍了逆变器的软硬 件设计，系统调试和实验结果。逆变器的实际稳定运行表明逆变器设计合理。 总结和展望，介绍了本论文研究的特点和创新之处，对本文进行了总结和展 望，指出进一步研究工作的重点和方向。 高渗透牢下光伏电源并网电能质量问题及其交互影响研究 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 当多个分布式光伏电源接入电力系统后，电力系统将由单电源放射型网络结 构转换成了多光伏微源的弱环网络结构。一般而言，在电网中引入少量的分布式 光伏电源对整个电网不会构成太大的影响。但是，当电网中存在着较多的光伏电源 或存在着大容量光伏电源时，此时这些光伏电源将会对系统特性【l9 1 ，例如：电压形 态、短路电流、有功及无功潮流等，有较大的影响，其影响程度和光伏电源与系 统连接的具体位置、光伏电源容量大小以及网络拓扑结构有着密切关系。 伴随着大比例分布式光伏电源接入，各种扰动也同时引入配电网，从而对系 统的电能质量产生严重影响，主要会造成供电电压不稳定、谐波污染、三相电压 不平衡以及无功功率不平衡等方面的问题1 2 。 2 1 1 大功率光伏并网对配电网电能质量的影响 ( 1 ) 对电网电压的影响 太阳能发电受外界环境如日光照射的影响较大，具有间歇性，发电量也有波 动。如果配电网系统中含有大比例的光伏发电时，会使得线路上的负荷潮流发生 波动且变化较大。而电网中很少具有动态无功调节设备，仅靠投切电容电抗器进 行电压调节。从而，电网电压的调整难度加大，调节不好会导致电压偏差、电压 波动和闪变等问题的发生1 2 1 1 。光伏发电系统的容量大小和安装位置决定了对供电 系统电压的影响程度。 分布式光伏电源的不稳定性对并网接入点的影响是最大的，因此，以此点来 评估电压变化，图2 1 为并网接入点的戴维南等效电路。 - ：= 图2 1 含分布式光伏电源的系统在其接入点上的戴维南等效电路 当光伏电源注入系统的功率发生改变时，线路上的电流变化值。当发电量 硕上学位论文 波动时，接入点的电压变化值为p 。由图估算如f ： u p v p = ( 足+ j 【珏) ( ，p + ，q ) = i z s l