离网及并网型分布式发电系统谐振分析与控制技术

推动分布式发电技术发展、健全分布式发电产业的激励机制是推进我国能源供给侧结构性改革的重要手段。它有效解决了可再生能源发展的阶段性瓶颈、优化了能源产业结构、协调了农村电网改造升级、提高了能源协调发展效率、实现了多种资源时空互补。本文围绕分布式发电系统主动孤岛模式和并网模式这两大板块中的研究热点及难点问题铺陈开来:(1)主动孤岛模式下,独立自治系统缺少大电网的电压支撑,迫切需要集群分布式发电单元的高质量电压供给,从而确保公共连接点电压的稳定;(2)并网模式下,集群分布式发电单元之间存在一系列耦合谐振现象,使得低压配电网的电能质量备受影响;(3)当分布式电源大规模、集群化并入配电网时,分布式电站内部存在诸多宽频域谐波谐振交互问题,这对系统的稳定性提出了挑战。本文的具体工作及创新体现在:(1)提出针对离网型分布式发电单元逆变系统的自适应滑模全局鲁棒电压控制方案,以适应独立自治系统迫切需求高质量电压供给。分布式发电单元逆变系统内部滤波参数摄动以及外部非线性负载电流扰动是造成分布式发电系统无法实现高质量公共连接点电压支撑的主要原因。设计电压控制器对逆变系统负载电流扰动和滤波参数摄动的自适应观测律,不但消除运动状态的到达阶段,使得控制系统具备全局鲁棒性,而且限制了输出电压的抖振。通过对三种电压控制器的性能的对比仿真与实验,验证所提出的电压控制方案能够有效降低离网型分布式发电系统输出电压的抖振、谐波畸变率、稳态跟踪误差以及并联逆变器之间的环流,提高逆变系统输出电压的动态调节能力以及抵御滤波参数摄动的能力。(2)建立集群并网型分布式发电系统的统一谐波谐振模型,揭示集群并网型分布式发电单元的耦合谐振现象及其客观规律。选取的无差拍电流控制方式和比例准谐振电流控制方式作为逆变系统的控制方案。进而建立了不依赖具体控制方式的集群并网型分布式发电系统的统一谐波谐振模型。同时,借鉴高等数学对极值的描述的思路,分析了两种电流控制方式下谐振峰的频率分布表。将分布式发电系统谐振交互现象划分:本征谐振和非本征谐振。另外,统一谐波谐振模型揭示出逆变器并网电流涵盖自身谐振点、并联谐振点、串联谐振点,且本征非固定谐振点将随着并联逆变器台数的增多将向低频偏移。(3)从物理电路角度揭示了集群并网型分布式发电系统整体谐振点随并联逆变器台数增多向低频偏移的形成机理,提出采用三维空间图示法直观优化阻尼控制参数,为集群分布式电源低压并网电能质量问题的解决提供高效方案。低频段偏移现象的本质原因是:集群分布式发电系统的输出阻抗随并联逆变器台数增多而降低。接下来,对两种电流控制方式下的并网型逆变系统分别设计了有源阻尼控制方案,并推导出其实际物理意义。同时,建立阻尼反馈参数-谐波频率-谐振幅值的三维空间图,直观地选取阻尼参数的最优值,从而确保谐振峰的有效衰减。(4)建立分布式电站群落等效模型和整体等效模型,揭示分布式电站宽频域谐振带的生成机理及分布规律。从大型分布式电站的典型拓扑结构出发,以分布式电源逆变闭环控制系统的诺顿等效模型为基础,考虑分布式电站多传输线结构、分布式变压器杂散电容效应、传输线分布式电容效应,建立分析多回传输线耦合谐振现象的分布式电站群落等效模型,同时建立了用于分析电站出力效果的分布式电站整体等效模型。通过对模型的深入分析,发现分布式电站内部传输线母线侧电流存在滤波谐振带、环形谐振带,尤其是当传输线达到特定长度时,滤波谐振带和环形谐振带生成叠加效应,造成场内传输线上特定次谐波电流超标。另外,对群落等效模型和整体等效模型谐振点位置的同一性进行了探讨。(5)建立含混合有源电力滤波器的分布式电站群落等效模型和电站整体等效模型,分析所提方案对分布式电站宽频域谐振带的抑制效果,并建议在站内35kV母线侧因地制宜地设计并安装大功率混合有源电力滤波器。以典型48MW山地分布式风电场为案例,分析场内各条传输线母线侧电流稳态谐波出力特性。依据该案例,设计在升压站站内35kV汇集母线靠近主变侧安装相应的混合式有源电力滤波器,并据此分别推导出含混合式有源电力滤波器的分布式电站群落等效模型和整体等效模型,并对宽频域谐振带的抑制效果进行了理论分析。最后,通过仿真和实验对照分析,验证分布式电站宽频域谐波谐振交互机理分析的正确性和分布式电站谐波治理方案的有效性。(6)研制了低压分布式电源逆变器和适应于大型分布式电站的混合有源滤波实验装备。(1)研制了低压分布式电源逆变器,搭建了基于光伏屋顶的分布式发电系统实验平台,并对该系统中的逆变器采用不同控制算法(无差拍和比例准谐振电流控制方案)、不同一次能源供给(光伏阵列直流电源和二极管整流电源)条件下的并网电流质量进行了测试。(2)研制了适应大型分布式电站的混合有源滤波装备,搭建了常规柜式有源滤波和模块化箱式有源滤波实验平台。最后,以案例的形式将所研制的混合有源滤波系列装备在35kV、6kV、380V电压等级的应用场合进行了谐波治理效果测试。测试结果表明:所研制的混合有源滤波系列装备能够适应于低中高压配电网的宽频域谐波动态治理。