储能逆变器的无源控制及其性能研究

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随着新能源发电渗透率日益增加,以及碳达峰碳中和战略的提出,可再生能源得到大力发展,储能迎来发展机遇。储能逆变器作为连接储能系统与电网的关键设备,从运行角度看,其稳态与动态性能指标尤为重要,因此研究逆变器的控制策略是提高逆变器性能指标的重要途经。由于逆变器模型结构强耦合、高阶、非线性的特点,传统控制很难保证逆变器具有良好的动态性能,无源控制作为一种非线性控制策略,提高了系统的动态性能和抗干扰能力。本文以并网模式运行的储能逆变器为对象展开研究。本文基于传统的有源阻尼控制和欧拉-拉格朗日(EL)无源控制,建立LCL型逆变器的数学模型和EL模型,详细设计PI控制器参数和有源阻尼系数,通过阻尼注入设计无源控制器,验证了EL模型的无源控制不能有效地改善系统的动态性能指标和提高抗扰能力。针对EL模型无源控制存在稳态误差大、响应速度慢,抗扰性能弱等问题,本文采用互联和阻尼配置无源控制(IDA-PBC)方法;针对控制模型多变量相互耦合和控制结构复杂等问题,对IDA-PBC控制模型进行等效处理,建立IDA-PBC的去耦等效控制模型,基于该模型提出了一种注入阻尼参数设计方法,通过闭环特性分析和仿真验证了采用IDA-PBC能够减小动态超调,加快动态响应速度以及提高系统抗扰动能力,但仍存在稳态误差。为了消除稳态误差,在IDA-PBC基础上引入积分控制器,提出积分IDA-PBC控制策略及参数设计方法,功率切换的动态过程并网电流采用阻尼控制具有IDA-PBC的良好动态抗扰性能,稳态时并网电流采用积分控制器具有良好的稳态性能,大大减小了稳态误差,提高了系统的全局稳定性。最后,利用搭建的MATLAB/Simulink仿真模型和实验平台对本文研究的控制策略进行验证。分别对平台的软硬件进行介绍,基于该平台分别进行了传统有源阻尼控制、IDA-PBC、积分IDA-PBC控制等实验。仿真和实验结果验证了理论分析和研究成果的正确性与有效性。
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