光伏发电系统谐波特性分析及谐波治理技术研究

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新能源发电并网认证是监督和考核大规模站质量、保障新能源发电安全运行的重要手段。其中光伏并网逆变器的谐波特性仿真分析评估和谐波治理问题也是电能质量领域的长期挑战之一。本文致力于构建一种光伏并网逆变器基于实测和仿真数据的详细暂态模型并提出相应的谐波治理方案,进而对光伏发电系统的并网认证等提供参考。一方面,大量电力电子设备投入所引起的谐波问题是光伏电站输出谐波的主要来源,因而导致光伏电站谐波的产生机理十分复杂,仅靠发电单元谐波检测的简单叠加来分析电站的特征谐波不够充分和准确。另一方面,光伏电站谐波频次分布广泛,含有大量高次谐波,且多采用LC型滤波器,该滤波器引入的谐振点容易造成逆变器某次输出谐波的放大,使得高频谐波的治理变得更加困难。基于以上提出的两点问题,本论文聚焦于光伏发电单元的谐波特性分析和谐波治理,这一类问题新能源电站通常不采用变压器而直接由电力电子装置并网发电从而更加突出。解决这两类问题依赖于研究光伏电站集发电单元、光伏逆变器、滤波器等于一体的光伏发电系统动态谐波模型。在基于对光伏发电系统的谐波特性和谐波影响因素的分析上,本文提出了一种用于解决高频谐波的新型有源滤波器结构,该滤波器可以对光伏逆变器输出的高频谐波进行有效治理。论文主要包含以下三个部分:第一部分首先概括了谐波问题发生的机理和产生的本质原因,对各个机理产生的谐波幅值和具体的次数进行了总结,包括调制、死区、直流侧波动等因素,并归纳了其中含量较高、需要重点处理的部分。然后对影响光伏发电系统谐波输出的各个因素进行了分析总结,外部因素包括发电单元出力,电网电压畸变以及元器件参数是如何对逆变器输出谐波进行影响,内部控制因素则对低逆变器输出功率和高逆变器输出功率两种情况分别进行了讨论分析。第二部分就如何建立光伏电站的动态谐波模型展开了研究。首先对双级式光伏电站各个环节的基本原理进行阐述,并根据第二章控制参数分析部分的数学模型,确定了光伏发电系统的控制策略,然后在以上基础下建立了的光伏逆变器详细暂态模型,并就模型的准确性就行了验证,最后与合作项目平台完成了光伏逆变器输出谐波工程测试,再次验证了前文理论分析的正确性,并且根据实际数据对模型进行了修正。第三部分主要针对光伏电站的特征次高频谐波的治理问题。该部分首先对电网中高次谐波的劣化进行了分析总结,并在有源滤波器的基础上,提出了一种基于SiC开关器件的新型高频有源滤波器(SiC-APF),改进了其控制结构,保证其在谐振频率附近良好的幅频响应。对其在典型工程应用场景中的应用进行了分析:首先从阻抗模型的角度针对实际工程应用搭建了应用该新型有源滤波器的仿真模型,并在PSCAD仿真平台对各个母线的电压电流治理进行了仿真验证,最后通过RT-LAB半实物仿真平台开展对应于仿真分析的实验验证,再次验证本文提出装置的有效性。光伏发电系统的谐波特性分析、谐波域建模以及相应的高频谐波治理技术是制约光伏及并网逆变器大规模推广应用的关键问题,我们相信通过以上分析和技术对于未来的光伏逆变器的并网认证及谐波治理问题有着良好的指导意义。
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