基于反馈线性化的单相逆变器及其无互联线并联控制技术研究

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电力电子技术作为电能控制与变换的主要技术手段,在当今社会提倡节能、环保以及低碳经济的主题下,被赋予了前所未有的重要使命。逆变器及其并联控制技术是电力电子技术的一个重要组成部分,是实现交流供电系统高质量和高可靠性的关键,在新兴的分布式发电及可再生能源系统中也均扮演了非常重要的角色,所以一直是工业界和学术界研究的热点。随着逆变器应用领域的日新月异以及数字控制技术的飞速发展,要求逆变器能够在各种复杂条件下均具有良好的动静态性能、抗扰动能力及冗余可靠性,这就对逆变器的独立运行和并联运行相关控制技术提出了更高和更全面的要求。本文针对单相逆变器的控制策略及其无互联线并联系统控制的关键问题进行了深入的研究与讨论。   本文在对传统电压源逆变器模型及其控制特性进行研究的基础上,指出了传统逆变器控制设计中依据稳态工作点附近线性化的小信号模型通常不能解决其在大信号下扰动的问题。通过对单相全桥逆变器的仿射非线性系统模型研究,从理论上证明了单相全桥逆变器能够通过反馈补偿实现系统的精确线性化.提出了一种基于逆变器大信号模型的反馈线性化设计方法,通过研究逆变器的动态方程设计并推导了其控制器模型,利用反馈线性化实现了系统各扰动变量的解耦,从而能够保证逆变器在大信号扰动下仍具有良好的动静态性能,并有效地解决了逆变器控制系统内部参数的摄动与外部参数的扰动对其输出性能的影响。   本文针对逆变器无互联线并联控制技术中仍存在的缺陷和问题展开研究,通过分析并联系统环流产生的机理,对传统下垂法中的启动控制、调节精度以及调节速度三个关键环节分别提出了改进控制策略。针对系统启动阶段的输出一致性要求,提出了一种全数字启动控制方法,不仅抑制了启动环流,还提高了下垂法在并联系统启动阶段控制的有效性。针对基于下垂法的频率调节误差对于逆变器并联系统中有功环流及无功环流的影响,提出了一种基于变斜率控制的下垂法调频方法,相比传统调频方法具有更高的精度和连续性,并能有效减小并联母线频率的波动。本文还通过过研究并联功率计算带宽对下垂法控制动态响应的影响,指出了功率计算环节是制约传统下垂法动态性能的“瓶颈”,提出了一种基于二阶广义积分器的数字功率算法,有效改善了线性负载下无互联线并联系统功率调节的响应速度和稳定性。   针对传统下垂法在连线阻抗不平衡时无法实现逆变器并联输出功率均衡的问题,本文研究了不同系统阻抗条件下逆变器并联时输出的有功功率和无功功率及其变化规律,提出了一种基于虚拟复阻抗的瞬时调节方法,并通过改造逆变器固有输出阻抗,提出了一种能够实现功率解耦的改进下垂法控制器,不仅实现了系统基波环流和谐波环流的有效抑制,而且能够明显减小系统因连线阻抗不均及复阻性所造成的功率调节误差。   最后,本文针对基于下垂法控制的无互联线逆变器并联系统小信号模型进行了研究,指出了传统逆变器并联小信号建模时由于忽略公共点电压特性而导致的模型准确度降低问题,提出了以公共点电压特性作为区分条件,并根据小信号扰动下母线电压刚性和非刚性两种情况,分别建立了相应的统一小信号模型,同时根据参数变化时系统特征方程根轨迹的变化情况,研究了并联系统的稳定性及动态性能。
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