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光伏并网系统中的非线性现象分析

许方圆  
【摘要】:随着我国可持续发展对清洁能源需求的不断增加,光伏发电规模不断扩大,并网容量越来越大,光伏并网发电系统的非线性行为对稳定性的影响日益突出,严重影响光伏并网发电系统的大规模发展。因此,对光伏并网发电系统中的非线性行为进行深入研究具有重要的现实意义。 本文针对光伏并网发电系统的结构特点,深入研究光伏并网发电系统非线性行为的运行机理。运用非线性动力学的相关理论对系统进行建模,提出相应的控制结构,建立基于状态空间的平均模型。基于MATLAB/SI-MULINK模型库,建立光伏并网发电系统的时域模型。通过平均模型和时域模型的对比,发现研究系统非线性行为的有效方式,提出提高系统稳定性的措施。具体研究内容如下: (1)本文通过分析光伏并网发电的技术现状,结合电力电子变换器和非线性动力学的理论知识,分析阻碍光伏并网发电技术发展的瓶颈问题。根据直流电力电子变换器非线性行为的研究成果,指导三相交流系统的非线性行为研究,有效地改善光伏并网发电系统的运行条件,有助于设计更加合理的光伏并网发电系统。 (2)根据三相DC-AC变换器主电路拓扑结构,建立三相DC-AC变换器主电路的开关模型。对开关模型进行状态空间平均,得到基于状态空间的平均模型。同时实现对系统性能的频域分析,更直观地看出参数变化对系统稳定性的影响,可以定量得出系统的稳定裕度,进而确定系统参数的稳定范围,为系统设计提供理论依据。 (3)利用MATLAB/SIMULINK模型库,建立光伏并网发电系统的时域模型。由时域模型分析结果可以看出,光伏并网发电系统的直流侧电容电压能够快速跟踪光伏阵列所能提供最大功率点电压,并网电流的频率和相位均能与电网参数一致,实现顺利并网。同时,控制系统中采用单位功率因数控制,光伏并网发电系统可以以单位功率因数向电网输送功率,提高了系统的利用效率,稳态运行时系统的并网波形质量良好,抗干扰能力较强。 通过仿真结果和理论分析结果比较,验证了数学建模和控制系统结构及参数的正确性和合理性。从时域模型分析结果和平均模型结果的对比可以看出,平均模型比较容易预测系统参数变化对系统稳定性的影响,可以从宏观上把握系统的运行特性,而时域模型则可以详细观察系统运行过程中物理量的变化过程,便于对系统的运行特性做细致的研究。不同的分析手段各有优缺,分析的结果也会略有不同,工程实际中要具体情况具体分析,合理选择合适的分析手段。 (4)光伏并网发电系统的非线性行为大部分来自于电力电子变换器。DC-AC逆变器在控制系统的作用下有规律地切换,因此,光伏并网发电系统是一类强非线性电路,它具有电力电子系统所特有的非线性现象。分析和仿真表明,当系统控制参数变化时,系统会发生分岔现象,这将使系统的运行特性变差,甚至导致系统失去稳定。 因此在系统设计过程中,要充分考虑系统发生分岔行为的可能性,通过合理整合参数,使系统具有足够的稳定裕度,防止分岔行为的发生。 (5)针对光伏并网发电系统的结构特征,区分如下:直流部分、DC-AC变换器和负荷部分。这三部分相互作为输出和输入的级联关系,相互之间的影响直接关系系统的稳定运行。本文中,DC-AC变换器采用双闭环控制结构。电流内环时间常数较小,能快速跟踪系统的变化。相对而言,电压外环的时间常数较大,因此可以认为在电压外环的时问常数内,电流内环的输出等于其参考输入。由于这-特性的存在,大大减小了直流侧和负荷侧的相互影响。通过仿真分析发现,当系统负荷变化时,直流电容电压基本没有变化。 本文结合光伏并网发电系统的实际情况,分析电力电子变换器的非线性特性对系统稳定运行的影响,并提出响应的控制策略。平均模型和时域模型的分析结果的一致性表明分析结果的正确性和有效性。本文的研究成果可以作为设计高性能光伏并网发电系统的理论依据。


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