一种三相级联H桥光伏并网系...参与电网频率支撑的控制策略_李学庆.pdf
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1、第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号:1000-3673(2023)04-1407-08 中图分类号:TM 721 文献标志码:A 学科代码:47040 一种三相级联桥光伏并网系统参与电网频率支撑的控制策略李学庆1,原熙博2,柴建云3,黎明4,李梁冉1,由蕤1(1青岛大学电气工程学院,山东省 青岛市 266071;2中国矿业大学电气工程学院,江苏省 徐州市 221116;3清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 海淀区 100084;4中国海洋大学工程学院,山东省 青
2、岛市 266100)Grid Frequency Support Control Strategy of Three-phase Cascaded H-bridge Photovoltaic Grid-connected System LI Xueqing1,YUAN Xibo2,CHAI Jianyun3,LI Ming4,LI Liangran1,YOU Rui1(1.College of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,Shandong Province,China;2.School of Electric
3、al Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu Province,China;3.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;4.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China)1ABSTRACT:As a clea
4、n and safe energy resource,photovoltaiic(PV)power generation has become an effective way to solve the problems like energy crisis and environmental pollution.However,because the PV grid-connected inverter does not have inertia and damping characteristics,with the increased penetration of PV power ge
5、neration in the grid,the large-scale PV grid-connection has posed a challenge to the grid frequency stability.The cascaded H-bridge(CHB)inverter has become a promising candidate for the PV systems due to its advantages of having a modular structure and being able to directly connected to the grid wi
6、thout any power frequency transformers.An inverter control strategy with the function of supporting the grid frequency is proposed in this paper for the three-phase CHB PV grid-connected system.With the PV string active power reserve,the grid frequency dynamic characteristics are improved without an
7、y extra energy storage devices.In order to avoid the common three-phase power imbalance for the CHB topology,the power reserve distribution control is used in between the three phases and between the PV strings in each phase.Therefore,the three-phase power balance and the H-bridge input power balanc
8、e are maximized,the 基金项目:山东省重点研发计划项目(重大科技创新工程)(2019 JZZY010902);山东省自然科学基金项目(ZR2020ME197);国家自然科学基金项目(51761135014)。Project Supported by Shandong Provincial Key Research and Development Program(2019JZZY010902);Shandong Provincial Natural Science Foundation(ZR2020ME197);National Natural Science Foundati
9、on of China(51761135014)balanced three-phase current output is realized,and the over-modulation risk in the H-bridge module is reduced.Finally,simulation models are built in the Matlab/Simulink and a 10kW experimental platform is also built,verifying the effectiveness of the control strategy propose
10、d.KEY WORDS:photovoltaic power generation;cascaded H-bridge inverter;frequency support;active power reserve 摘要:光伏发电具有清洁、安全等特点,是解决能源危机和环境污染的有效途径。然而,光伏并网逆变器不具有转动惯量和阻尼,随着光伏发电在电网中的渗透率不断提高,大规模光伏并网对电网的频率稳定提出了挑战。级联 H 桥逆变器因具有模块化结构、无需工频变压器等优点,在光伏发电领域具有广阔的应用前景。针对三相级联 H 桥光伏并网系统,提出了一种具有支撑电网频率功能的逆变器控制策略,利用各光伏组串的
11、有功功率储备,在不增加储能装置的情况下,实现了对电网频率动态特性的改善。针对级联 H 桥拓扑常见的相间功率不平衡问题,利用提出的储备功率在各相间和相内各模块间的分配方法,可实现对各光伏组串输出功率的平衡控制,最大限度保证了相间和相内各模块间的功率平衡,从而保证了系统三相电流的平衡输出,并降低了 H桥模块过调制的风险。最后,在 Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型和 10kW 模拟实验平台,通过仿真和实验对提出的控制策略的有效性进行了验证。关键词:光伏发电;级联 H 桥逆变器;频率支撑;有功功率储备 DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0677 140
12、8 李学庆等:一种三相级联 H 桥光伏并网系统参与电网频率支撑的控制策略 Vol.47 No.4 0 引言 可再生能源在环境保护和可持续发展方面发挥着关键作用。根据国家能源局 2022 年的最新报道,截至 2021 年底,我国可再生能源发电装机达到 10.63 亿 kW,占总发电装机容量的 44.8%;其中,光伏发电装机 3.06 亿 kW。为实现碳排放达峰和碳中和的目标,可再生能源将在未来成为我国能源增量的主体,光伏装机规模将稳步扩大。随着光伏发电在电力系统中的比例不断增加,传统的同步发电机容量占比相对减少1,这引起了系统转动惯量的减小,从而导致电力系统应对功率波动和系统故障的能力下降,给电
13、网的稳定运行带来了潜在风险2-4。与风力发电机不同,光伏发电系统不含机械旋转装置5,因此,无法像风力发电机通过释放存储于风轮和传动链中的动能参与电网频率支撑6。另外,由于光伏组串通常运行于最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)模式,当电网频率发生跌落时,无法继续增加有功功率输出对电网频率变化做出响应7。为解决上述问题,提高光伏并网友好性,国内外学者对光伏并网系统参与电网频率支撑进行了研究,通过控制其输出功率的快速改变,实现了对电网频率动态特性的改善8。文献9通过控制光储并网逆变器模拟同步发电机的惯性和阻尼,实现了一次调频和一次调压。文献10提出了一
14、种应用于光伏微网的虚拟同步发电机结构及控制策略,减小了储能装置故障对逆变器的影响,提高了系统的稳定性。然而,上述方案中逆变器输出功率的增加均来自于储能,储能装置的使用增加了系统的体积和重量。随着光伏发电在电网中的渗透率越来越高,改变光伏组件的工作点并留有一定功率储备,使其具有支撑电网频率的功能,具有广阔的应用前景。在控制策略研究方面,文献11提出了一种估算光伏组串最大功率点的方法,在单个控制周期内快速将有功功率指令转化为直流电压指令,实现了电网频率跌落时储备功率的快速释放。文献12基于光伏出力曲线提出了一种光伏虚拟同步机多模式运行的控制策略,在离网和并网模式下利用光伏组件的功率储备,均可根据负
15、载或调度功率需求提供有效的功率匹配。文献13提出了一种有功备用式光伏逆变器控制方法,利用间断 MPPT 控制获知短期内最大功率点,通过备用的有功功率参与电网频率支撑。为使光伏发电系统直接并入中压电网,可采用级联 H 桥(cascaded H-bridge,CHB)多电平逆变器作为并网接口,光伏组串作为 CHB 逆变器的直流电源,满足了 CHB 拓扑所需独立电源供电的要求14。CHB 多电平技术减小了开关器件的应力,提高了逆变器输出电压和电流质量,将光伏组串与直流母线直接相连,省掉了 DC/DC 变换器,进一步降低了系统的损耗与体积,通过 3 次谐波注入等控制策略改进,可有效抑制各直流母线电容的
16、二倍频波动,从而降低对电容容值的要求15-16。目前,仅有少量文献对 CHB 光伏并网系统参与电网频率支撑控制进行了研究。文献17在单相 CHB 光伏并网系统中增加了一个 H 桥模块,将其通过 DC/DC 变换器连接储能装置,保证了系统稳定运行并使其具备了同步发电机的惯性与阻尼特性,但系统输出功率的增加仍来自于储能。文献18提出了一种能实现有功功率储备的单相 CHB 光伏逆变器控制策略,控制输出功率最大的光伏组串偏离其最大功率点运行,并将其设置为功率储备单元,当电网频率发生跌落时,增加该光伏组串的输出功率,参与电网频率支撑,但该方法增大了其他光伏组串对应的 H 桥模块过调制的风险。上述文献中光
17、伏并网系统均为单相CHB 拓扑结构,而在更常见的三相系统中,由于光照不均匀或表面灰尘等因素的影响,各光伏组串的最大功率跟踪控制带来了 H 桥模块间功率不平衡问题,进而导致三相传输功率和系统三相输出电流的不平衡;尽管可以通过零序电压注入的方法改善三相输出电流的不平衡,但由于直流母线电压的限制,当三相传输功率不平衡度过高时,仍无法实现三相电流的平衡输出19。为了使得三相 CHB 光伏并网系统在正常运行期间最大限度捕获太阳能,特别是在功率储备和支撑电网频率过程中尽可能保证三相传输功率的平衡,既能实现对电网频率的有效支撑,又能始终保证并网电流质量,这是与常规逆变器相比 CHB 光伏并网系统进行电网频率
18、支撑控制的主要挑战。基于上述分析,本文针对三相 CHB 光伏并网系统,提出了一种具有支撑电网频率功能的逆变器控制策略。系统限功率运行时,协调控制各光伏组串的输出功率,满足功率储备要求;系统参与电网频率支撑时,根据电网频率变化增加系统输出功率,实现对电网频率动态特性的改善。与常规三相功率出现不平衡后控制三相输出电流平衡的思路不同,针对上述 2 种工况,本文的主要贡献为提出了一种控制相间和相内模块间功率平衡的方法,仅通过对各模块直流母线电压目标值修正,实现储备功率在各模块间的分配,最大限度保证各相间的传第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1409 输功率平衡和三相并网电流平衡,降低了 H 桥
19、模块过调制的风险,提高了并网电流质量。最后,通过仿真和实验对提出的控制策略的有效性进行了验证。1 系统拓扑及限功率单元运行分析 1.1 CHB 光伏并网系统拓扑结构 三相 CHB 光伏并网系统拓扑如附录 A 图 A1所示。图中,H 桥逆变器与光伏组串直接相连构成H 桥模块;每相由 n 个 H 桥模块级联,采用星型连接构成三相系统;C 和 L 分别为直流侧滤波电容和网侧滤波电感;IPVxj和 Udcxj分别为 x 相第 j 个 H 桥模块光伏组串的输出电流和直流母线电压(x=a,b,c;j=1,2,n,下同);ux和 ix分别为三相电网电压和电流。各 H 桥模块可输出三种电平,逆变器交流侧可输出
20、 2n+1 电平的电压。当逆变器稳定运行时,其交流侧输出电压为 Ndc1nxxjxjjUm U(1)式中 mxj为各 H 桥模块的调制系数。根据基尔霍夫电压和电流定律,该系统电压和电流的关系可表 示为 adcaaabbdcbbcccdccddjjjjjjm UiuLim Uutium U (2)dcPVd/dxjxjxj xC UtIm i(3)当某一相对应的光伏组串由于遮挡、表面灰尘等因素导致输出功率下降时,三相传输功率的不平衡易引起逆变器三相电流的不平衡输出,使并网电流质量变差。尽管可以采用基频零序电压注入、加权最小最大零序电压注入、三次谐波注入、最优零序电压注入等零序电压注入方法,实现各
21、相功率不平衡时输出三相平衡电流,然而,由于直流母线电压的限制,即使采用平衡能力最好的最优零序电压注入法,也只能处理 20%以内的相间功率不平衡问题20。因此,调节各相光伏组串的输出功率使相间和相内模块间功率尽可能平衡,是解决并网电流不平衡问题的最根本途径。1.2 限功率单元稳定运行区域分析 光伏组串的P-U特性曲线如附录A图A2所示,可以看出,光伏组串的输出功率范围为 0 至最大可输出功率 Pmpp。因此,可以通过控制光伏组串的工作点偏离其最大功率点,使其具备一定容量的功率储备。当参与电网频率支撑时,通过移动其工作点增加输出功率,将储备的功率释放出去。由于光伏组串输出功率与其端电压呈非线性关系
22、,除最大功率点以外,任一功率值均存在 2 个电压与之对应。在最大功率点的左侧区域,光伏组串电压 Udc和输出功率 Ppv的关系为 dPPV/dUdc0;在右侧区域,dPPV/dUdc0。当光伏组串限功率运行时须对其运行区域进行选取,以保证系统稳定运行。根据文献21,由电容两侧功率流动关系可得光伏组串输出功率方程:PVoutCCdcdcd/dPPPPU C Ut(4)式中:Pout为 H 桥模块输出功率;PC为电容的充放电功率。设(U0,P0)为光伏组串运行曲线上任意一点,当该点电压变化为 Udc时,经线性化处理后光伏组串输出功率变化 PPV的表达式为 PVPVdcdcddPPUU(5)将式(4
23、)代入式(5),考虑负载为恒定值的情况,则 Pout=0,因此可以得到:dcPVC0ddUPPU Ct (6)设 Udc为状态变量,由式(5)和式(6)可得:dcPV0dcdcdd0ddUPU CUtU(7)该方程特征根为 PV0dcd1dPU CU(8)由于当系统特征方程的特征根全部为负实数或具有负实部的共轭复数时才能稳定运行,因此,当控制光伏组串限功率运行时,须使其运行于dPPV/dUdc0 对应的最大功率点的右侧区域。2 三相 CHB 光伏并网系统总体控制 三相 CHB 光伏并网系统的总体控制框图如附录 A 图 A3 所示。该系统采用电压电流双闭环控制,电压外环实现所有直流母线电压之和的
24、稳定,保证所有光伏组件输出功率之和与该系统输出功率平衡。首先,利用滑动平均值滤波器(moving average filter,MAF)滤除直流母线电压中二倍电网电压频率的脉动,然后将所有 3n 个直流母线电压目标值Udcxj*与实际值 Udcfxj分别相加求和后计算平均电压Udc-ref*和 Udc-avg,利用 PI 调节器使得 Udc-avg跟踪Udc-ref*并求得输出电流有功分量目标值 Id*,根据电网对该系统输出无功功率的需求,确定输出电流无功分量目标值 Iq*。由于准比例谐振(proportional resonant,PR)控制器可以对交流信号实现零稳态误1410 李学庆等:一
25、种三相级联 H 桥光伏并网系统参与电网频率支撑的控制策略 Vol.47 No.4 差控制,本文采用准 PR 控制器在坐标系下对电流进行闭环控制,简化了坐标变换和解耦控制,并且提高了系统的动态性能。坐标变换所需的角度基于测得的电网电压,利用锁相环(phase locked loop,PLL)求取22。为了减小电网电压突变对逆变器控制性能的影响,采用电压前馈控制,将准 PR 调节器求取的滤波电感上的电压目标值与电网电压相加,最终求得逆变器各相电压正弦调制波 ux*。各 H 桥模块正弦调制波可通过 ux*除以每相级联模块数 n 求得。为了实现各 H 桥模块传输功率不同时系统的稳定运行,必须对各 H
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- 一种 三相 级联 桥光伏 并网 参与 电网 频率 支撑 控制 策略 李学庆
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