大型光伏电站建模、控制及并网稳定性分析

本书总结了国内外大型光伏电站的运行现状及电网需求，重点阐述了大型光伏电站存在的主要技术难题及其解决方案；通过分析大型光伏电站的工作机理，建立了大型光伏电站的等效电路模型，提出了并网逆变器在正常电网下的电流环、电压环优化方案；为提高光伏电站并网电能质量，提出了并网逆变器在电网不平衡下的协调控制策略以及相应的正负序基波分量提取算法、并网同步算法，进而提出了并网逆变器在非理想电网下的综合控制方案；针对光伏电站电压波动越限问题，提出了无功补偿装置为主、光伏发电单元为辅的大型光伏电站无功调压控制策略及其优化方案；针对光伏发电系统谐波谐振问题，建立了考虑电网阻抗影响的大型光伏电站等效电路模型，分别从系统阻尼、闭环控制等角度揭示了大型光伏电站和电网之间的谐振交互机理；相关仿真与实验结果也验证了理论分析及控制方案的正确性和有效性。 

本书总结了国内外大型光伏电站的运行现状及电网需求，重点阐述了大型光伏电站存在的主要技术难题及其解决方案；通过分析大型光伏电站的工作机理，建立了大型光伏电站的等效电路模型，提出了并网逆变器在正常电网下的电流环、电压环优化方案；为提高光伏电站并网电能质量，提出了并网逆变器在电网不平衡下的协调控制策略以及相应的正负序基波分量提取算法、并网同步算法，进而提出了并网逆变器在非理想电网下的综合控制方案；针对光伏电站电压波动越限问题，提出了无功补偿装置为主、光伏发电单元为辅的大型光伏电站无功调压控制策略及其优化方案；针对光伏发电系统谐波谐振问题，建立了考虑电网阻抗影响的大型光伏电站等效电路模型，分别从系统阻尼、闭环控制等角度揭示了大型光伏电站和电网之间的谐振交互机理，进而提出了弱电网下基于复数滤波器的并网电压前馈控制策略；相关仿真与实验结果也验证了理论分析及控制方案的正确性和有效性。本书可供电气工程领域的高年级本科生、研究生、教师、科研人员和工程技术人员参考。

第1章绪论1

1.1概述2

1.2大型光伏电站研究背景概述3

1.3大型光伏电站存在的主要技术问题5

1.3.1并网电能质量问题6

1.3.2无功与电压控制问题7

1.3.3并网稳定性问题8

1.4大型光伏电站主要技术问题研究现状9

1.4.1并网电流控制技术研究现状9

1.4.2无功与电压控制技术研究现状17

1.4.3并网稳定性研究现状21

参考文献23

第2章大型光伏电站工作机理分析32

2.1大型光伏电站的拓扑结构及特点33

2.2大型光伏电站的等效建模35

2.2.1光伏阵列电路模型35

2.2.2并网逆变器电路模型37

2.2.3输电网络电路模型41

2.2.4大型光伏电站的等效电路模型42

2.3并网逆变器主电路关键技术参数设计43

2.3.1三相LCL滤波器参数设计44

2.3.2直流支撑电容参数设计46

2.4并网逆变器电流控制技术研究46

2.4.1并网逆变器控制系统47

2.4.2控制系统参数设计48

2.5仿真及实验验证54

2.5.1仿真验证54

2.5.2实验验证56

2.6本章小结58

参考文献59

第3章大型光伏电站并网逆变器协调控制策略61

3.1电网不平衡时并网逆变器协调控制策略62

3.1.1瞬时功率特性62

3.1.2正负序电流控制指令65

3.1.3协调控制策略68

3.2非理想电网下逆变器并网同步算法的设计70

3.2.1传统SRF-PLL的基本原理及缺点70

3.2.2正负序基波分量提取算法的设计73

3.2.3并网同步算法的实现76

3.2.4仿真及实验验证77

3.3并网逆变器在非理想电网下控制策略的具体实现81

3.3.1电流控制器在电网基频偏移较大时的改进方案81

3.3.2具体实现方式81

3.4仿真及实验验证83

3.4.1仿真验证83

3.4.2实验验证86

3.5本章小结90

参考文献90

第4章大型光伏电站静态电压稳定性分析92

4.1大型光伏电站并网电压越限机理93

4.1.1并网电压影响量化分析93

4.1.2并网电压越限机理分析95

4.2大型光伏电站静态电压稳定性分析97

4.2.1大型光伏电站特征值分析98

4.2.2光伏发电单元对电压稳定裕度的影响100

4.2.3静态电压稳定性分析流程101

4.3算例分析102

4.3.1运行功率因数的影响102

4.3.2光照强度的影响102

4.3.3阻抗的影响103

4.3.4光伏发电单元无功输出的影响104

4.4本章小结105

参考文献106

第5章大型光伏电站无功与电压控制策略107

5.1大型光伏电站无功容量的配置108

5.1.1并网逆变器无功容量108

5.1.2无功补偿装置无功容量110

5.2无功与电压协调控制策略的研究111

5.2.1光伏电站无功补偿规定111

5.2.2具体实现方式112

5.2.3无功分配方案115

5.2.4光伏发电单元无功优化116

5.3算例仿真118

5.3.1算例说明118

5.3.2光照强度渐变时120

5.3.3光照强度突变时121

5.4本章小结122

参考文献122

第6章大型光伏电站谐振机理及稳定性分析124

6.1电网阻抗影响建模125

6.1.1并网逆变器电路模型125

6.1.2大型光伏电站等效电路模型127

6.2谐振机理及稳定性分析131

6.2.1等效阻抗对系统阻尼的影响133

6.2.2等效阻抗对系统谐振、稳定性的影响135

6.2.3抑制等效阻抗影响的相关对策137

6.3仿真与简化实验验证138

6.3.1装机容量增加时138

6.3.2电网阻抗变化时141

6.3.3简化实验验证142

6.4本章小结144

参考文献145

第7章大型光伏电站并网逆变器谐波谐振抑制策略146

7.1比例前馈控制及其影响分析147

7.2基于复数滤波器的并网电压前馈控制策略150

7.2.1实现方案150

7.2.2串联复数滤波器对系统谐振、稳定性分析的影响152

7.3仿真验证153

7.4本章小结156

参考文献156

近年来，随着全球环境污染问题和化石能源危机的不断加剧，太阳能等清洁可再生能源越来越受到关注，光伏发电产业得到了快速发展。中国作为能源消耗大国，新能源开发得到了更多重视，我国光伏发电主要遵循“集中开发、中高压并网”和“分散开发、低压就地接入”相结合的原则。

随着光伏发电建设成本的逐渐降低和发电效益的不断增加，在我国中西部荒漠地区建设大型光伏电站是大规模利用太阳能的有效方式，也是优化能源配置和缓解雾霾天气的重要途径。但大型光伏电站通常建立在远离负荷中心、光照资源丰富的荒漠地区，光伏发电系统经过长距离输电线路与负荷连接。光伏电站存在并网电能质量低、电网电压波动越限等问题，而且当变压器与长距离输电线路等构成的电网阻抗较大时或者装机容量增加时，易引起光伏发电系统产生谐振，限制了光伏电站的规模化应用。

本书以大型光伏电站中的并网逆变器为研究对象，主要研究了并网逆变器在非理想电网下的协调控制策略、无功与电压控制策略以及并网稳定性分析等关键问题。本书共7章。第1章主要阐述了大型光伏电站的发展历程和运行概况，重点分析了大型光伏电站存在的主要技术问题以及国内外研究现状；第2章讨论了大型光伏电站的拓扑结构及其等效建模、主电路关键技术参数设计、并网逆变器电流控制方案等问题；第3章提出了并网逆变器在电网不平衡下的协调控制策略以及相应的正负序基波分量提取算法、并网同步算法，进而提出了并网逆变器在非理想电网下的综合控制方案；第4章分析了大型光伏电站的静态电压越限机理、稳定判据及其稳定裕度，进一步分析了光伏发电单元无功输出等因素对大型光伏电站静态电压稳定性的影响；第5章依据电力系统无功补偿与电压控制的基本思想，提出了适用于大型光伏电站的无功与电压控制策略，并对具体实现方式、无功分配方案、光伏发电单元无功优化等关键问题进行了研究；第6章将电网阻抗因素考虑到大型光伏电站并网逆变器电流控制中，分别从系统阻尼、闭环控制等角度揭示了大型光伏电站和电网之间的谐振机理;第7章分析了比例前馈环节降低系统稳定裕度的原因，提出了弱电网下基于复数滤波器的并网电压前馈控制策略来提升系统稳定性的方法，并通过分析与搭建仿真模型进行了验证。

本书由河南理工大学电气工程与自动化学院的杨明（第2章、第3章、第6章、第7章）、韦延方（第1章、第4章、第5章）和郑征（负责全书的统筹安排和统稿工作）共同撰写。本书在撰写过程中得到了河南理工大学电气工程与自动化学院领导的大力支持，在此表示感谢。

本书及相关研究工作得到了国家自然科学基金项目(U1804143、61703144)、河南省教育厅高等学校重点科研项目（17A470010）、河南理工大学博士基金(理工类)（B2016-19）、河南省矿山电力电子装置与控制创新型科技团队、河南理工大学“2015年校特色专业提升行动计划项目”(电气工程及其自动化、自动化)的支持。本书的出版得到了河南理工大学电气工程与自动化学院的资助和支持。谨在此表示感谢。

限于作者水平和经验有限，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请读者给予批评指正。

著者

2018年5月