一种三相级联H桥光伏并网系...参与电网频率支撑的控制策略_李学庆.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1407-08 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 一种三相级联桥光伏并网系统参与电网频率支撑的控制策略李学庆1，原熙博2，柴建云3，黎明4，李梁冉1，由蕤1（1青岛大学电气工程学院，山东省 青岛市 266071；2中国矿业大学电气工程学院，江苏省 徐州市 221116；3清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084；4中国海洋大学工程学院，山东省 青岛市 266100）Grid Frequency Support Control Strategy of Three-phase Cascaded H-bridge Photovoltaic Grid-connected System LI Xueqing1,YUAN Xibo2,CHAI Jianyun3,LI Ming4,LI Liangran1,YOU Rui1(1.College of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,Shandong Province,China;2.School of Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu Province,China;3.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;4.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China)1ABSTRACT:As a clean and safe energy resource,photovoltaiic(PV)power generation has become an effective way to solve the problems like energy crisis and environmental pollution.However,because the PV grid-connected inverter does not have inertia and damping characteristics,with the increased penetration of PV power generation in the grid,the large-scale PV grid-connection has posed a challenge to the grid frequency stability.The cascaded H-bridge(CHB)inverter has become a promising candidate for the PV systems due to its advantages of having a modular structure and being able to directly connected to the grid without any power frequency transformers.An inverter control strategy with the function of supporting the grid frequency is proposed in this paper for the three-phase CHB PV grid-connected system.With the PV string active power reserve,the grid frequency dynamic characteristics are improved without any extra energy storage devices.In order to avoid the common three-phase power imbalance for the CHB topology,the power reserve distribution control is used in between the three phases and between the PV strings in each phase.Therefore,the three-phase power balance and the H-bridge input power balance are maximized,the 基金项目：山东省重点研发计划项目(重大科技创新工程)(2019 JZZY010902)；山东省自然科学基金项目(ZR2020ME197)；国家自然科学基金项目(51761135014)。Project Supported by Shandong Provincial Key Research and Development Program(2019JZZY010902);Shandong Provincial Natural Science Foundation(ZR2020ME197);National Natural Science Foundation of China(51761135014)balanced three-phase current output is realized,and the over-modulation risk in the H-bridge module is reduced.Finally,simulation models are built in the Matlab/Simulink and a 10kW experimental platform is also built,verifying the effectiveness of the control strategy proposed.KEY WORDS:photovoltaic power generation;cascaded H-bridge inverter;frequency support;active power reserve 摘要：光伏发电具有清洁、安全等特点，是解决能源危机和环境污染的有效途径。然而，光伏并网逆变器不具有转动惯量和阻尼，随着光伏发电在电网中的渗透率不断提高，大规模光伏并网对电网的频率稳定提出了挑战。级联 H 桥逆变器因具有模块化结构、无需工频变压器等优点，在光伏发电领域具有广阔的应用前景。针对三相级联 H 桥光伏并网系统，提出了一种具有支撑电网频率功能的逆变器控制策略，利用各光伏组串的有功功率储备，在不增加储能装置的情况下，实现了对电网频率动态特性的改善。针对级联 H 桥拓扑常见的相间功率不平衡问题，利用提出的储备功率在各相间和相内各模块间的分配方法，可实现对各光伏组串输出功率的平衡控制，最大限度保证了相间和相内各模块间的功率平衡，从而保证了系统三相电流的平衡输出，并降低了 H桥模块过调制的风险。最后，在 Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型和 10kW 模拟实验平台，通过仿真和实验对提出的控制策略的有效性进行了验证。关键词：光伏发电；级联 H 桥逆变器；频率支撑；有功功率储备 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0677 1408 李学庆等：一种三相级联 H 桥光伏并网系统参与电网频率支撑的控制策略 Vol.47 No.4 0 引言 可再生能源在环境保护和可持续发展方面发挥着关键作用。根据国家能源局 2022 年的最新报道，截至 2021 年底，我国可再生能源发电装机达到 10.63 亿 kW，占总发电装机容量的 44.8%；其中，光伏发电装机 3.06 亿 kW。为实现碳排放达峰和碳中和的目标，可再生能源将在未来成为我国能源增量的主体，光伏装机规模将稳步扩大。随着光伏发电在电力系统中的比例不断增加，传统的同步发电机容量占比相对减少1，这引起了系统转动惯量的减小，从而导致电力系统应对功率波动和系统故障的能力下降，给电网的稳定运行带来了潜在风险2-4。与风力发电机不同，光伏发电系统不含机械旋转装置5，因此，无法像风力发电机通过释放存储于风轮和传动链中的动能参与电网频率支撑6。另外，由于光伏组串通常运行于最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)模式，当电网频率发生跌落时，无法继续增加有功功率输出对电网频率变化做出响应7。为解决上述问题，提高光伏并网友好性，国内外学者对光伏并网系统参与电网频率支撑进行了研究，通过控制其输出功率的快速改变，实现了对电网频率动态特性的改善8。文献9通过控制光储并网逆变器模拟同步发电机的惯性和阻尼，实现了一次调频和一次调压。文献10提出了一种应用于光伏微网的虚拟同步发电机结构及控制策略，减小了储能装置故障对逆变器的影响，提高了系统的稳定性。然而，上述方案中逆变器输出功率的增加均来自于储能，储能装置的使用增加了系统的体积和重量。随着光伏发电在电网中的渗透率越来越高，改变光伏组件的工作点并留有一定功率储备，使其具有支撑电网频率的功能，具有广阔的应用前景。在控制策略研究方面，文献11提出了一种估算光伏组串最大功率点的方法，在单个控制周期内快速将有功功率指令转化为直流电压指令，实现了电网频率跌落时储备功率的快速释放。文献12基于光伏出力曲线提出了一种光伏虚拟同步机多模式运行的控制策略，在离网和并网模式下利用光伏组件的功率储备，均可根据负载或调度功率需求提供有效的功率匹配。文献13提出了一种有功备用式光伏逆变器控制方法，利用间断 MPPT 控制获知短期内最大功率点，通过备用的有功功率参与电网频率支撑。为使光伏发电系统直接并入中压电网，可采用级联 H 桥(cascaded H-bridge，CHB)多电平逆变器作为并网接口，光伏组串作为 CHB 逆变器的直流电源，满足了 CHB 拓扑所需独立电源供电的要求14。CHB 多电平技术减小了开关器件的应力，提高了逆变器输出电压和电流质量，将光伏组串与直流母线直接相连，省掉了 DC/DC 变换器，进一步降低了系统的损耗与体积，通过 3 次谐波注入等控制策略改进，可有效抑制各直流母线电容的二倍频波动，从而降低对电容容值的要求15-16。目前，仅有少量文献对 CHB 光伏并网系统参与电网频率支撑控制进行了研究。文献17在单相 CHB 光伏并网系统中增加了一个 H 桥模块，将其通过 DC/DC 变换器连接储能装置，保证了系统稳定运行并使其具备了同步发电机的惯性与阻尼特性，但系统输出功率的增加仍来自于储能。文献18提出了一种能实现有功功率储备的单相 CHB 光伏逆变器控制策略，控制输出功率最大的光伏组串偏离其最大功率点运行，并将其设置为功率储备单元，当电网频率发生跌落时，增加该光伏组串的输出功率，参与电网频率支撑，但该方法增大了其他光伏组串对应的 H 桥模块过调制的风险。上述文献中光伏并网系统均为单相CHB 拓扑结构，而在更常见的三相系统中，由于光照不均匀或表面灰尘等因素的影响，各光伏组串的最大功率跟踪控制带来了 H 桥模块间功率不平衡问题，进而导致三相传输功率和系统三相输出电流的不平衡；尽管可以通过零序电压注入的方法改善三相输出电流的不平衡，但由于直流母线电压的限制，当三相传输功率不平衡度过高时，仍无法实现三相电流的平衡输出19。为了使得三相 CHB 光伏并网系统在正常运行