光伏微网电能质量控制技术研究

发布时间：2017-10-31 22:07

  本文关键词：光伏微网电能质量控制技术研究

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【摘要】：在一次非可再生能源面临枯竭、环境污染日益严重的今天,为了优化能源结构、解决能源危机,世界各国都在大力发展可再生能源。将光伏发电技术应用于微型电网中,不仅实现了分布式清洁可再生能源的大规模利用和灵活控制,而且通过减少煤、石油等化石能源的使用量来达到环境保护的目的,成为未来电网向智能化方向发展的必要途径。微网作为未来主要的供电方式之一,以其灵活性、即插即用性等优点而得到了迅猛发展,与微网相关的技术逐渐成为国内外学者研究的重点。与传统能源不同,太阳能、风能等可再生能源作为微源接入至微型电网中,微源输出功率所存在的间歇性和不确定性、大量的电力电子装置、复杂的控制策略并网等,都会给微网带来新的电能质量问题,如微网电压波动、电压电流波形畸变、三相电压不平衡等。因此,为了保证光伏微网的高效、安全、稳定运行,需要对光伏微源产生的电能质量问题展开相应的研究,并提出有效的解决途径,以满足用户日益严格的用电需求。本文主要从光伏特性与控制、混合储能、有源电力滤波器三个方面展开研究,将微网系统中的可再生能源并网接入技术与电能质量问题的治理技术相结合,主要围绕绕光伏并网逆变技术、混合储能及有源电力滤波器在微网电能质量治理等方面展开研究,论文的主要研究内容如下：(1)在综述了大量中外文献的基础上,分析和阐述了光伏微网中谐波、电压波动、电压闪变等电能质量产生的原因及其研究现状,总结了储能技术的特点及其在改善微网电能质量方面的作用及研究现状。(2)首先对光伏微源的数学模型进行了阐述和验证,并根据光伏阵列厂商给出的5个参数对光伏微源进行仿真建模,验证了数学模型的准确性。为了使光伏微源能够在一定自然条件下运行在最大功率点,文中探讨了MPPT点的三种算法,即恒电压跟踪法、电导增量法、扰动观察法,在分析了每种算法的优缺点,确定采用扰动观察法,并通搭建Boost仿真电路,验证了MPPT算法中扰动观察法的有效性。本课题的光伏微源采用一种基于电网电压的定向并网方案,该方案以电网电压为基准将三相电流在dq旋转坐标系下进行控制,不仅可以达到无静差的效果,还可以完成有功和无功功率的解耦控制。本章最后完成了对光伏微源底层控制方案的设计,使得并网运行时微网中的光伏微源能够以最大或可控的有功功率(在容量范围内)对外输出能量,功率因数也可灵活调节。(3)对储能元件及蓄电池、超级电容混合储能系统的数学模型进行了阐述和分析,通过理论证明混合储能系统可以克服传统蓄电池储能系统的缺陷,提高储能系统削峰填谷、平抑功率波动的能力,大幅增加大容量蓄电池的使用寿命；随后建立了混合储能系统的主电路拓扑,分析了双极性直流-直流变换器的工作原理及控制策略；最后利用Matlab/Simulink软件搭建了光储模型,仿真结果表明超级电容和蓄电池混合储能系统能够大幅度提高系统平抑输出功率波动的能力,实现光伏微电网系统的高压直流侧电压稳定,从而有利改善光伏微网的输出电能质量。(4)为了解决微网谐波电能质量问题,本研究提出采用被动治理法,通过在重要节点布置APF去治理微网电能质量问题。APF治理的主要原理是在公共耦合并网点(PCC点)注入与微网谐波电流相反的电流去改善电能质量,同时本研究提出了利用瞬时无功理论检测微网中的谐波。在APF控制方法的选择上,考虑到重复控制器具有稳态时可以完全消除静差的内核,所以本文从研究重复控制器内核传递函数着手,设计了一种基于重复控制和比例积分控制结合的复合控制策略,将两者的优点相结合,新的控制策略拥有良好稳态控制精度及跟踪性能。为了验证重复控制算法在APF中应用的可行性与正确性,搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型,为了简化模型,略去微网间歇性发电设备,将微网整体看做一个非线性负载,将APF以并联方式连接在微网并网PCC点,用以抑制并网电流中的谐波成份。仿真结果证明重复控制法对于抑制谐波电流效果明显。论文的主要成果如下：(1)本章完成了对光伏微源底层控制方案的设计,使得并网运行时微网中的光伏微源能够以最大或可控的有功功率(在容量范围内)对外输出能量,功率因数可灵活调节。(2)利用Matlab/Simulink软件搭建了光储模型,通过本文研究的控制算法利用超级电容和蓄电池混合储能系统能够大幅度提高系统平抑输出功率波动的能力,并且提高光伏微网电能质量。(3)设计了一种基于重复控制和比例积分控制结合的复合控制策略,将两者的优点相结合,新的控制策略在拥有良好稳态控制精度的时候具有良好的跟踪性能。最后基于MATLAB/Simulink的仿真验证了本文设计基于重复控制的APF控制策略的正确性。
【关键词】：光伏发电系统 微网 电能质量 最大功率跟踪 混合储能
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-17
• 1.1 光伏发电技术的研究现状12-13
• 1.2 光伏微网产生背景13-14
• 1.3 光伏微网中的电能质量问题研究现状14-15
• 1.4 储能技术在微网中的应用15
• 1.5 本文的主要工作15-17
• 第二章 光伏系统控制原理17-35
• 2.1 太阳能电池的基本原理和电路特性17-18
• 2.1.1 太阳能电池基本原理17
• 2.1.2 光伏微源的Ⅰ-Ⅴ特性曲线17-18
• 2.2 光伏微源的工程特性和建模18-22
• 2.2.1 光伏微源特性分析和最大功率点跟踪问题18-20
• 2.2.2 光伏微源工程模型20-21
• 2.2.3 光伏微源工程模型的仿真实现21-22
• 2.3 光伏微源的MPPT算法22-26
• 2.3.1 恒电压跟踪法22-23
• 2.3.2 电导增量法23-24
• 2.3.3 扰动观察法24-26
• 2.4 光伏微源的最大功率点跟踪实现方案26-28
• 2.5 光伏微源的底层并网控制策略28-34
• 2.5.1 光伏并网系统数学模型28-29
• 2.5.2 光伏微源基于电网电压定向的并网控制29-31
• 2.5.3 基于dq坐标系下的电流解耦控制31-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 基于储能改善光伏微网电能质量控制的研究35-47
• 3.1 储能元件数学模型35-39
• 3.1.1 超级电容的数学模型35-36
• 3.1.2 超级电容的荷电状态估算36-37
• 3.1.3 蓄电池的数学模型37-38
• 3.1.4 混合储能系统的数学模型38-39
• 3.2 混合储能系统的构成及其基本工作原理39-43
• 3.2.1 光储系统主电路拓扑39-40
• 3.2.2 双向DC-DC变换器工作原理40-42
• 3.2.3 双向DC-DC变换器控制42-43
• 3.3 容量配置43-44
• 3.3.1 蓄电池定容43-44
• 3.3.2 超级电容定容44
• 3.4 混合储能系统仿真结果分析44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 基于重复控制器的微网电能质量控制研究47-62
• 4.1 微网中的电能质量问题47-50
• 4.1.1 间歇性能源并网47-48
• 4.1.2 微网切换暂态48-49
• 4.1.3 小型DG或负载的单相接入49
• 4.1.4 接入点并联、串联谐振49
• 4.1.5 电流谐波注入49-50
• 4.2 基于APF改善微网电能质量50-54
• 4.2.1 基于APF改善微网电能质量原理50-52
• 4.2.2 基于瞬时无功理论的电能质量谐波检测算法52-54
• 4.3 基于重复控制的APF控制方法54-60
• 4.3.1 重复控制原理54-58
• 4.3.2 重复控制模型58
• 4.3.3 基于重复控制的APF微网电能质量治理仿真58-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 总结62
• 5.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-67

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本文编号：1123953