光伏电站经直流电网接入交流系统的建模与仿真

摘要

近年来，全球光伏装机容量不断增长，而集中型电站可以发挥资源优势，降低发电成本，在光伏电站占比中优势明显，集中型电站主要分布在西北地区，电能难以就地消纳，需要进行并网输送。与交流输电相比，直流输电不存在频率抖动、相位同步的问题，且在输电损耗和无功补偿方面也具有优势，故本文以光伏电站经直流电网并网作为研究对象，详细研究并网变换器的变换器拓扑及其控制策略。　　首先，本文采用具有有源箝位功能的全桥隔离型直流升压变换器，将光伏组件出口电压进行升压，接入±30kV的直流配网；采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)实现交直流系统的互联，MMC每相桥臂由多个子模块级联构成，解决了电压源型变换器中开关器件耐压问题，在此基础上，本文针对目前具备隔离直流故障能力的子模块开关器件数量较多，造成工程设计成本较高的问题，设计了电容互补子模块（Capacitance Complementary Submodule，以下简称CCSM），并详细阐述了CCSM的工作原理。　　其次，本文对光伏电池的物理模型及其输出特性进行了分析，推导了光伏阵列的数学模型；对全桥隔离升压变换器的工作模态进行了详细分析，根据状态空间平均法建立了数学模型，并实现了进行最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）和定直流电压控制；对MMC的三相静止坐标系及两相同步旋转坐标系下的数学模型进行了推导，并分析了 MMC 的双闭环控制策略、最近电平调制及子模块电容电压均衡控制策略。　　再次，本文搭建了光伏电站直流电网接入交流系统的稳态仿真模型，通过对稳态下直流升压变换器的MPPT、开关管占空比、直流电压值仿真波形，证明了直流侧电路的合理性与控制器的有效性；通过对 MMC 变换器直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流、控制器有功、无功等仿真结果证明MMC控制器的有效性。　　最后，为了验证CCSM的稳态运行效果，采用CCSM与双箝位子模块(Clamp Double Sub-Module，CDSM)两种子模块仿真，进行了CCSM与CDSM的子模块电容电压均衡效果对比；为了验证直流双极短路故障下CCSM的隔离故障能力，对半桥子模块(Half Bridge Sub-Module，HBSM)、CDSM、CCSM进行了隔离直流故障能力对比，证明了CCSM隔离直流故障的能力和降低工程成本的实际意义。

目录

1 绪 论

1.1.1选题背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1光伏并网系统中DC/DC变换器的研究现状

1.2.2光伏并网系统中DC/AC变换器的研究现状

1.3本文主要研究内容

2 光伏电站经直流电网接入交流系统的变换器拓扑

2.1引言

2.2光伏电站经直流电网接入交流系统的DC/DC变换器

2.2.1 Boost隔离升压拓扑的工作原理

2.2.2带有源箝位的Boost隔离升压拓扑的工作原理

2.3光伏电站经直流电网接入交流系统的DC/AC变换器

2.3.1 MMC基本单元工作原理

2.3.2 MMC桥臂电抗器

2.3.3典型MMC子模块工作原理

2.3.4电容互补子模块工作原理

2.3.5三相MMC工作原理

2.4本章小结

3 光伏电站经直流电网接入交流系统的建模与控制

3.1引言

3.2.1光伏阵列特性

3.2.2光伏阵列控制策略

3.3.1 DC/DC变换器数学模型推导

3.3.2 DC/DC控制策略

3.4 DC/AC变换器建模与控制

3.4.1三相静止坐标系下的MMC数学模型

3.4.2 MMC的整体控制策略

3.4.3 MMC的双环控制策略

3.4.4 MMC的三相桥臂环流抑制控制

3.4.5 MMC的子模块电容电压均衡控制

3.5系统启动与整体控制策略

3.6本章小结

4 光伏电站经直流电网接入交流系统的变换器仿真

4.1引言

4.2光伏电站经直流电网接入系统的仿真模型及参数

4.2.1光伏模块仿真模型及参数

4.2.2直流升压模块仿真模型及参数

4.2.3 MMC型逆变模块仿真模型及参数

4.3稳定运行状态下的系统仿真结果图

4.3.1光伏最大功率跟踪仿真结果

4.3.2直流升压变换器仿真结果

4.3.3 MMC逆变仿真结果

4.4子模块隔离直流故障能力测试

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1论文主要结论

5.2后续研究展望

参考文献

附录

A.学位申请人在攻读学位期间发表的论著、取得的科研成果

B.学位论文数据集

致谢

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