LCL型并网逆变器的数字滤波器有源阻尼与自同步锁相研究

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作为连接可再生能源发电单元与电网的桥梁,LCL型并网逆变器凭借其谐波抑制能力强、体积小和功率密度高等优点,广泛应用于分布式发电系统中。为了保证并网系统安全稳定运行,本文对LCL型并网逆变器的数字滤波器有源阻尼策略和自同步锁相技术展开研究,主要研究工作如下:建立了基于网侧电流反馈控制和数字滤波器有源阻尼的并网逆变器数学模型,揭示了数字滤波器阻尼LCL谐振的本质,即通过数字滤波器提供的幅值或相位补偿改变环路增益在LCL谐振频率(fr)处的频率特性,使得环路增益在fr处的负穿越无效。推导了系统稳定对数字滤波器相位的定量要求,给出了数字滤波器的稳定相位区域。稳定相位区域表明,当fr小于1/6的采样频率(fs/6)时,合适的补偿方式只有滞后补偿;而当fr大于fs/6时,超前或滞后补偿均可使用。基于此区域,对比分析了现有数字滤波器阻尼策略的阻尼效果。结果表明,虽然这些数字滤波器都能将fr的稳定区间向低于fs/6的频段拓展,但都或多或少地恶化了系统的固有阻尼特性,无法保证fr大范围变化时系统始终稳定。LCL滤波器参数和电网阻抗变化都会导致fr在较大范围内波动。为了保证这些工况下并网逆变器的稳定性和鲁棒性,本文推荐了四种数字滤波器,即滞后滤波器、滞后超前滤波器、双二阶滤波器和准陷波器。提出了数字滤波器参数的优化设计方法,确保所设计的数字滤波器能够在不恶化系统固有阻尼特性的前提下,将系统的稳定区间拓宽到低于fs/6的频段,以实现并网逆变器应对fr大范围变化的强鲁棒性。研究了自同步锁相技术。针对数字滤波器有源阻尼的并网逆变器,本文阐述了自同步锁相的基本原理,分析了锁相误差的产生机理,建立了考虑锁相环后并网逆变器的输出阻抗模型。在此基础上,分析了自同步锁相环对并网逆变器稳定性的影响。结果表明,锁相误差与数字控制延时、数字滤波器、并网电流幅值给定和滤波电感参数都有关;在强电网下,只需保证锁相环和电流环稳定,并网系统便能稳定;在弱电网下,系统稳定性主要与并网电流幅值给定有关,锁相环带宽不再是影响系统稳定性的主因,这是自同步锁相技术与传统锁相技术的主要区别。最后,在6k W单相LCL型并网逆变器实验平台上进行了实验,实验结果验证了所提四种数字滤波器和参数设计方法的有效性,以及自同步锁相理论分析的正确性。
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