含多逆变器微网的电能质量控制若干关键技术研究

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微网是协调分布式发电与大电网矛盾,提高分布式发电供能效益的有效方式。微网具有电源类型多样、运行模式多变以及微源的间歇波动性等特点,使得其电能质量问题呈现出许多与传统电力系统截然不同的特性。微网逆变器作为连接分布式电源和大电网的接口电路,其具有与传统电能质量补偿装置相似的拓扑结构,为微网逆变器的电能质量控制技术提供了便利。因此,开展含多逆变器微网的电能质量控制技术研究对于构建高电能质量、高可靠性的微网具有极其重要的理论研究价值和现实意义。本文在国家自然科学基金重点项目(51237003)“微网多逆变器并联及电能质量控制方法研究”和国家自然科学基金面上项目(51477045)“含微源的典型用电负荷电能质量发射特性研究”资助下,对微网逆变器并网模式下的谐波控制、电网电压不平衡情况下的功率控制、离网模式下的并联均流控制以及微网逆变器与有源滤波器的电能质量混合控制方法进行研究,主要工作和创新点体现在:1)大量非线性负荷和电力电子装置加入到电力系统中,给微网带来了谐波问题。对此,本文提出一种无需谐波检测的三相并网逆变器灵活谐波控制方法,该方法将本地谐波补偿和抗背景谐波电压扰动在三相并网逆变器控制中予以统一考虑。通过控制结构的巧妙设计,使得电流跟踪控制兼具谐波检测功能,可实现无需谐波检测的谐波补偿和谐波抑制控制,避免谐波检测环节带来的控制负担和时延影响,同时提高了并网逆变器对电网背景谐波电压的抗干扰能力。推导了同步旋转坐标系下控制器到静止坐标系的通用等效变换模型体系,通过对不同频率输入信号和不同类型控制器的控制表现,验证了该模型体系的正确性和通用性,可为包含同步旋转坐标系下控制器的闭环控制系统在静止坐标系的频域特性分析和稳定性能分析提供重要的模型理论支撑。基于等效变换模型体系构建了闭环控制系统在静止坐标系的频域模型,通过闭环系统的幅频特性分析证实闭环跟踪传递函数具备的谐波检测特性,通过稳定性能分析验证了控制参数选取的合理性以及控制系统拥有足够的稳定裕度。仿真和实验进一步验证了本文所提控制方法的有效性。2)不平衡的三相电网电压环境会导致逆变器输出电流畸变、输出功率震荡,影响电网的安全稳定运行。针对三相四线制并网逆变系统的结构特点,分析了不平衡电压环境下三相四线制并网逆变系统的功率流输出特性。利用三相四线制系统拥有零序分量的特点,推导了不平衡电压环境下依靠负序电流分量和零序电流分量共同维持三相四线制并网系统有功功率恒定且单位功率因数并网的充分条件。为使并网逆变器工作在最优状态,实现控制目标的多元化,对维持有功功率恒定控制目标下的三种单一控制策略参考指令获取策略进行解析,在此基础上,利用权重思想提出负序-零序协调控制和负序-无功波动协调控制两种三相四线并网逆变器恒定有功功率控制策略,通过改变协调指令系数,可以在保证传送到电网的有功功率始终恒定无波动的同时,实现各控制目标的过渡和相互转化,合理兼顾不同的控制效果,提高并网控制的灵活性。通过双闭环电流控制策略中参数对系统性能的影响分析,选取了合适的闭环参数,提高了LCL型并网逆变器的稳态与动态性能。3)通过引入虚拟阻抗来改变逆变器的下垂外特性,从而提高并联逆变器的功率均分精度是常用的方法。针对虚拟阻抗的实现,提出一种三阶广义积分交叉对消电流反馈控制方法,避免对输出电流求导,减少了运算量,提高了系统动态响应速度。所提方法由交叉对消反馈网络和多级基于三阶广义积分器的正交发生器环节两部分构成,分别实现带通效果和滤波功能,能较好地抑制输出电流中的直流分量和谐波分量对输出电压的影响,改善输出电压波形,减小其畸变率。分析了该方法对系统输出总阻抗幅频特性的影响,结果表明仅影响系统基波频率处附近的输出阻抗,谐波处几乎不受影响,避免了虚拟阻抗引入带来的谐波放大问题。4)针对微电网中非线性负荷往往功率较小且分散难以集中治理的特点,提出一种基于分频域理念的微网逆变器与有源电力滤波器的电能质量混合控制策略。在谐波域,微网逆变器和有源滤波器通过阻抗协调控制,实现对微电网谐波问题的优化治理,降低公共连接点的电压畸变率,改善微网逆变器自身输出的电流质量。在基波域,微网逆变器和有源滤波器通过无功功率的协调运行,改善微电网母线电压的输出精度,提高微网逆变器的功率分配效果。通过有源滤波器和微网逆变器的有机配合,减少微网逆变器在电能质量补偿方面的控制负担,实现微网逆变器与电能质量补偿器优势互补和优化运行。针对谐波虚拟阻抗的实现,提出一种基于三阶广义积分交叉对消电流反馈控制方法,可以实现各次谐波和基波之间的交叉解耦提取,方便构造任意次谐波的阻性、感性、阻感性虚拟阻抗,避免了微分环节的引入,极大程度地限制了信号的微分噪声,确保了阻抗构造的精确度。为了消除公共连接点电压与滤波器输出电流的耦合关系,提出一种基于滤波电容电压前馈的有源滤波器电流跟踪控制策略,有效克服公共连接点电压和LCL型滤波器滤波电容对有源滤波器输出电流的影响,提高间接控制方式输出电流的跟踪精度。
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