微电网三电平逆变器多参数协同自适应VSG控制策略研究

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微电网逆变器作为分布式电源(Distributed Generation,DG)与交流母线或者电网连接的纽带,其控制策略对微电网系统的稳定至关重要。传统的微电网逆变器控制策略如恒功率控制、恒压恒频控制、传统下垂控制并不能够为系统提供“惯量”和“阻尼”特性。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略不仅能够实现微电网的调频调压,而且能够为系统提供所需的惯性和阻尼,是一种较为理想的微电网逆变器控制策略,然而当负荷突变时逆变器输出频率稳定性差,严重影响电能质量。此外,逆变器并联是实现功率扩容的主要途径,而基于传统虚拟阻抗控制的逆变器在线路阻抗不匹配时无法实现功率均分。如何实现基于VSG控制的微电网逆变器并联功率均分,保障微电网系统优良的频率性能,近年来已成为国内外学者和产业界的研究热点。为此,本文重点围绕微电网逆变器的频率稳定性提升和线路阻抗失配时并联系统功率精确分配方法展开研究。首先,本文采用中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平作为微电网逆变器的拓扑结构,详细介绍了 NPC三电平逆变器的工作原理,推导了静止坐标系以及旋转坐标系下的数学模型。分析了基于VSG的NPC三电平逆变器控制策略,主要包括功率外环、电压电流内环控制策略和三种零序注入高效调制方式,为后续章节的理论分析奠定基础。其次,针对孤岛运行时微电网逆变器采用传统固定参数VSG控制的系统频率稳定性差的问题,文中首先分析了惯性系数(J)和阻尼系数(D)变化对系统频率的影响,其次将频率变化率和频率偏移量信息同时引入惯性系数和阻尼系数的取值中,同时设定频率信息的阈值,让分段的J参数与指数型的D参数根据功率扰动大小实时改变,从而增强了孤岛微电网系统的抗扰动能力,提升系统频率稳定性。最后通过仿真验证了所提控制策略的有效性。再次,针对并联VSG系统线路阻抗不匹配造成的功率分配不均以及环流问题,提出一种多参数协同自适应控制策略。文中首先分析了并联VSG系统中下垂系数、惯量阻尼系数、线路阻抗参数的匹配方式,建立并联系统小信号模型,为关键参数的取值提供理论依据。其次,利用线路首末端电压和输出功率信息准确反算线路阻抗,有效避免因线路测量等外界因素造成的误差。在保证逆变器等效输出阻抗按照容量反比配置的前提下,利用自适应虚拟阻抗实时修正并联VSG逆变器的线路阻抗,实现功率的精确分配。此外,为了避免并联系统的功率振荡,提升频率稳定性,提出了基于J、D)和虚拟阻抗三参数协同自适应的微电网逆变器控制策略,有效提升了微电网逆变器并联功率均分和系统频率稳定性。最后利用仿真进一步验证了该策略的可行性。最后,基于TI公司的DSP控制器TMS320F28335与远宽能源有限公司的实时仿真器HIL搭建硬件在环实验平台,对本文的理论分析进行实验验证。实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。
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