【摘 要】
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为了应对能源危机和环境污染,降低碳排放,我国提出了“碳达峰·碳中和”战略目标。在能源领域,可再生能源发电技术代替传统煤炭发电是实现“双碳”目标的必经之路,光伏发电系统因其清洁能源属性,成为实现“双碳”目标的重要手段。为此,本文以T型三电平光伏并网逆变器为研究对象,解决并网逆变器的并网电流控制、零序环流抑制、自适应谐振抑制等关键技术问题,达到光伏并网逆变器“高效率、模块化、低并网电流谐波、强自适应能
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(51577155、51877176); 陕西省自然科学基金重点项目(2018JZ5006);
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为了应对能源危机和环境污染,降低碳排放,我国提出了“碳达峰·碳中和”战略目标。在能源领域,可再生能源发电技术代替传统煤炭发电是实现“双碳”目标的必经之路,光伏发电系统因其清洁能源属性,成为实现“双碳”目标的重要手段。为此,本文以T型三电平光伏并网逆变器为研究对象,解决并网逆变器的并网电流控制、零序环流抑制、自适应谐振抑制等关键技术问题,达到光伏并网逆变器“高效率、模块化、低并网电流谐波、强自适应能力”等性能要求,为进一步推动光伏发电技术进步打下坚实的理论基础。论文的主要研究内容如下:首先,分析了现有三相光伏逆变器并网电流控制策略的优缺点,针对现有电流控制策略的并网电流控制算法与LCL滤波器谐振抑制算法的单独处理,导致整个控制算法较为复杂、计算量较大等问题,本文提出一种基于双分解-求和(Dual-Division-Summation,D-D-Σ)算法、并网电流控制和谐振抑制一体化的LCL型三相T型三电平逆变器并网电流控制策略。通过对LCL滤波器的两侧电感同时采用电流分解及求和的过程,推导出兼顾并网电流跟踪以及LCL滤波器谐振峰抑制的占空比表达式。所提出的基于D-D-Σ算法的并网电流控制方法具有各相独立控制、同时兼顾并网电流跟踪和谐振抑制、计算量较小、动态响应速度快等优点。通过实验验证了基于D-D-Σ算法的LCL型三相T型三电平并网逆变器并网电流控制策略的有效性。其次,弱电网的短路比低,电网阻抗不可忽略,且随负荷波动而变化,电网阻抗的变化以及滤波电感的精度都会影响谐振频率的偏移,但滤波电感的精度问题往往被忽略。针对此,本文提出一种基于D-D-Σ电流控制的弱电网下LCL型单台T型三电平并网逆变器自适应谐振抑制策略,同时兼顾滤波电感和电网阻抗变化带来的谐振频率偏移问题。所提出的自适应谐振抑制策略利用一种计算量较少的改进劳斯判据得到满足稳定性要求的控制增益范围,结果表明控制增益的范围与滤波电感以及电网阻抗相关。因此,本文提出一种基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)全电感在线估计方法,同时估计出滤波电感和电网阻抗的变化量。通过实验验证了基于D-D-Σ算法的弱电网下LCL型单台T型三电平并网逆变器自适应谐振抑制策略的可行性。再者,单台并网逆变器不满足发电容量时,多台模块化并网逆变器并联运行是提高光伏发电系统容量和发电效率的有效手段。针对弱光即低负载率下同容量并联并网逆变器系统的并网电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)较高、逆变器启停和功率突变等过程中的动态环流以及滤波电感精度对控制效果的影响等问题,本文提出一种混合功率型多台并联逆变器(Multiple Hybrid Power Parallel Inverters,MHPPIs)结构同时兼顾发电效率以及低负载率时并网电流THD。在此电路结构上提出一种基于虚拟阻抗的稳、动态零序环流抑制策略,引入模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System,MRAS)对滤波电感进行实时在线估计来消除滤波电感精度对控制效果的影响。通过实验验证了MHPPIs电路结构、基于虚拟阻抗的零序环流抑制策略以及MRAS在线估计滤波电感参数的正确性。最后,假设光伏电站是以MHPPIs为单元的逆变器集群系统,此时可以将一个MHPPIs单元等效视为一台逆变器,当N个参数相同的逆变器单元并入公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)会导致逆变器单元的等效电网阻抗扩大N倍,会导致更加严重的谐振频率偏移问题。利用对数幅频特性曲线的导数函数,本文详细分析了弱电网下逆变器集群的谐振特性。针对等效阻抗扩大N倍后的谐振特性,提出一种基于D-D-Σ电流控制的弱电网下逆变器集群的谐振抑制策略,通过简易劳斯判据得到谐振抑制策略的控制增益,能够兼顾更宽范围的电网阻抗变化带来的谐振频率偏移问题。通过实验验证了基于DD-Σ电流控制的弱电网下逆变器集群的谐振抑制策略的有效性。综上所述,本文重点围绕单台逆变器并网电流控制策略、弱电网下自适应谐振抑制策略、MHPPIs电路结构下稳、动态零序环流抑制策略以及弱电网下逆变器集群的谐振抑制策略四方面展开了深入研究,取得了一些卓有成效的研究成果,为保障三相光伏并网逆变器并联系统的安全稳定运行和推进“双碳”目标提供了一定的理论支撑。
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