基于级联多电平变换器的光伏发电系统的模块不匹配运行技术研究

基于级联多电平变换器的光伏发电系统的模块不匹配运行技术研究分布式能源的互联大幅提高电网的效能、可靠性、安全性等。为实现可持续发展,可再生清洁能源正在被优先地开发利用。因此,大规模分布式光伏发电系统的安装总量获得了迅速的增长。得益于电网技术标准的引导以及用户对于高效率的追求,光伏发电技术的飞速发展。现代电网技术规范要求大规模分布式光伏发电系统必须保证所注入电能的质量,残酷的市场竞争则要求光伏发电系统本身的效率越高越好。级联光伏系统无需笨重的工频变压器即可并入中高压的区域电网,这将有助于功率密度的提高;级联光伏系统具有与级联模块的个数成正比例的等效开关频率,这将能以有限的模块开关频率获得高的输出电流质量;级联光伏系统的多个模块共同承担大功率与高电压,这将有助于降低模块选型的难度、降低所选模块的成本。除此之外,级联光伏系统还具备模块化、规模化以及可分布实施的最大功率点跟踪能力等优点。然而,模块不匹配对级联光伏系统的稳定、高效的运行带来了新的挑战。一方面,模块传输的有功功率的不匹配会直接引起模块的交流侧电压的不对称分布,这会导致H桥逆变器的过调制。另一方面,由直流-直流变换器捕获的最大功率点有功功率不能及时、平顺地向电网传输,将会导致直流母线电压过高或过低。当模块不匹配时,为了维持系统稳定,常见的过设计包括增加额外的能量储存或者能量变换环节、增大系统的电压与功率设计裕量,以及舍弃系统的最大功率跟踪功能。过设计的做法会提高系统的造价、降低系统的运行效率。为使系统兼具高效性与稳定性,有学者提出了基于调制策略的解决方案,根据有功的分配来调整各模块的驱动脉冲,但现有的解决方案仅基于传统的基于载波的调制方法,所涉及的模块不匹配程度往往较轻。鲜有学者给出能应对较严重的模块不匹配情况下的调制策略。为了能应对较严重的模块不匹配,有学者提出了向电网注入无功或者从电网吸收无功以补偿模块输出电压不平衡的策略。然而,无功补偿因受限于电网的需求而不能完全自主,再者,过多的无功会增加系统的负担、降低系统的运行效率。为此,本文将寻求更高效的、能应对更严重的模块不匹配的解决方案。本文的主要工作有:1对模块不匹配问题进行了详细的分析级联光伏系统固有模块不匹配问题。在模块不匹配工况下,会引入诸多的问题如:直流侧过/欠压、交流侧电流畸变等,严重时,系统会失去稳定。目前少数文献给出了解决方案,但这些文献并未详细给出模块不匹配的对于系统产生影响的机理。因此,本文将首先分析级联光伏系统的功率-电压分布关系,依此,将详细地给出模块不匹配的影响机理,同时,展现传统方案的不足之处。2提出了一种改进的基于载波层叠的脉冲宽度调制(Carrierlevel-shiftedpulsewidthmodulation,LSPWM)策略在电力电子系统中,脉冲宽度调制(Pulsewidthmodulation,PWM)能被用来解决一些传统控制所不能克服的问题。本文首先分析了传统LSPWM能允许模块不匹配的特性及其局限性,其次罗列了级联H桥变换器的开关状态并且分析了它们的特点,对开关状态进行了优化的排布,最终形成了开关事件消耗少、能实时调整模块直流电压利用率的开关切换模式,即一种改进的LSPWM调制策略。所提改进的调制策略能使得系统一直工作在综合性能的优化区域。3提出了一种基于改进LSPWM和无功注入的模块不匹配补偿策略为了进一步拓展级联光伏系统的运行区间,本文提出了一种基于改进LSPWM和无功注入的模块不匹配补偿方案。本文首先分析了无功补偿的机理,其次结合改进的LSPWM策略,对无功补偿的过程进行了优化,形成了所提的无功补偿策略。相比较传统策略,所提策略能很大程度地节省无功补偿量、减少开关切换次数以及自发地进行无功的最优分配,使得级联光伏系统能高效地运行于更宽广的区间。4提出了一种三相功率平衡策略与模块不匹配补偿策略的协调机制本文还给出了级联光伏系统的三相