湖南大學塗春鳴等:具備同步電機特性的級聯型光伏發電系統

2021-02-18 中國電機工程學報

　　1）級聯型光伏發電系統

　　

　　如圖1所示，級聯型光伏發電系統中，逆變器由n級串聯的H橋模塊及相應的電容和輸出濾波電感組成，光伏陣列和儲能單元分別接入級聯H橋模塊的直流埠，光伏陣列直接接入，儲能通過DC/DC變換器接入。

圖1  級聯型光伏發電系統結構圖

　　2）基於虛擬同步電機的控制策略

　　級聯型光伏系統VSG控制的核心是滿足光伏陣列最大效率的同時，具備同步發電機運行特性，控制器主要實現以下控制目標：

　　① 各級聯H模塊的光伏陣列進行獨立的MPPT控制，H橋模塊的直流側電壓控制在光伏陣列的最大功率點，確保每個光伏陣列的最大功率輸出。

　　② 模擬同步發電機特性，利用VSG的慣性和阻尼平抑光伏隨機性功率波動對電網的影響，並響應電網頻率變化，按下垂特性調整輸出功率。

　　③ 維持系統穩定，保持整體功率平衡，儲能通過吸收或釋放相應的緩衝功率，協調VSG與光伏陣列的不平衡功率。

　　系統總體控制策略如圖2所示。

圖2  系統控制框圖

　　3）VSG控制中機械轉矩給定方式

　　通過儲能的功率緩衝，可以平抑光伏輸出功率的波動。不同的機械轉矩給定方式，影響系統對儲能容量的需求。如圖3分析，紅色陰影面積表示儲能釋放的功率，黑色陰影面積表示儲能吸收的功率。由此可知，機械轉矩跟蹤各光伏組件的最大功率點，可以大大減少所需的儲能容量。

圖3  不同機械轉矩給定的系統功率輸出曲線

　　4）穩定運行範圍分析

　　根據文中推導的級聯逆變器模型可知，各H橋模塊傳輸的有功功率與無功功率由各級聯模塊輸出電壓u1、u2、u3及其與電網電壓ug的相位角決定。為保證系統穩定運行，需推導H橋模塊的直流電壓範圍，圖4給出了系統在3種運行模態下向量圖，根據各三角形之間的比例關係可以得到該範圍。

圖4  不同模態下的向量圖

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