基于多电平变换技术的光伏并网发电系统优化设计与控制

太阳能光伏并网发电系统已成为可再生能源发电领域一个重要的研究方向，但价格高、效率低是影响其规模化应用的关键原因，亟待采取新的理论和技术予以突破。本课题首先基于支持向量机建立局部阴影条件下光伏阵列的模型，为最大功率跟踪、逆变器设计等提供基础；然后运用模型预测控制理论研究光伏阵列的配置与动态组态优化控制策略，提高光伏阵列的发电利用效率；基于多目标优化方法研究得到一种优化的混合箝位型多电平逆变器拓扑，结合改进的虚拟矢量电压独立控制算法，实现每个直流输入端光伏阵列的最大功率点独立跟踪，有效解决光伏发电系统中的阴影问题和光伏模块不匹配问题；最后基于最小简化的等效电路模型研究无隔离变压器光伏发电系统漏电流产生机理，得到有效的漏电流抑制措施，提高系统的可靠性。该项研究的预期成果，不仅对我国发展具有自主知识产权的多电平光伏发电技术具有重要的理论意义，而且对推动光伏发电的低成本规模化应用具有重要的现实意义。

太阳能光伏并网发电系统的高效率和高可靠性运行是其规模化应用的重要基础，对其涉及的理论和技术予以研究具有重要的意义。本项目按照立项时的申请书计划顺利执行，深入研究了多电平太阳能光伏发电系统的建模、拓扑结构和控制算法以及动态组态优化等关键问题，并取得如下研究成果：.（1）提出了基于支持向量机的局部阴影下光伏阵列建模方法。. 首先基于光伏阵列的工作原理，提出了一种快速建立局部阴影下光伏阵列数学模型的方法。然后，以建立数学模型的思想为基础，运用支持向量机理论，并通过交叉验证法和遗传算法对支持向量机中的未知参数寻优，得到能反映局部阴影条件下光伏阵列电气特性的伏安I-V曲线和功率电压P-V曲线。为最大功率点跟踪、光伏阵列优化配置、逆变器设计等提供了基础。.（2）提出了基于模型预测的光伏阵列动态组态优化控制策略。. 深入分析了光伏阵列的伏安特性和最大输出功率在太阳辐射强度、温度、阴影和旁路二极管的数目等外部因素作用下的变化，在此基础上总结了局部阴影条件下提高光伏阵列最大输出功率的方法。通过大量实验及分析，确立了局部阴影对光伏组件开路电压及输出特性的影响关系。在基于支持向量机建模和动态组态优化控制策略的基础上，运用模型预测控制理论研究光伏阵列的配置与动态组态优化控制策略，提高了光伏阵列的发电利用效率。.（3）提出了基于二极管-电容混合箝位式三电平无隔离变压器光伏逆变系统。. 提出了基于二极管-电容混合箝位式三电平无隔离变压器光伏逆变拓扑结构，将其分别应用于单相、三相三线、三相四线制光伏系统中。深入分析了箝位电容的充放电回路，给出了中点电位平衡的控制策略；提出了三相三线制逆变器的两相控制策略，在提高直流电压利用率的同时，有效降低逆变器的开关损耗；提出了一种基于3D-SPWM方式的混合箝位式三电平三相四线制光伏系统，不仅可以有效降低系统漏电流，保证中点电位平衡，并且可以提高抗三相不平衡能力。.（4）基于最小简化的等效电路模型探讨了无隔离变压器光伏发电系统漏电流产生机理，得到有效的漏电流抑制措施，提高了系统的可靠性。. 该项研究的成果不仅对我国发展具有自主知识产权的多电平光伏发电技术具有重要的理论意义，而且对推动光伏发电的低成本规模化应用具有重要的现实意义。