基于内模原理的分布式发电系统网侧变换器控制技术研究

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目前应用于分布式发电系统网侧变换器的控制方案多为比例积分、比例谐振以及线性状态反馈控制等常规反馈控制方案,其设计大都建立在控制对象或信号的精确建模基础上,然而实际中由于系统参数波动、“接口”电力电子变换器的非线性因素以及非线性负载或时变负载等不确定因素的存在,常规反馈控制方案难以对分布式发电系统中存在的谐波信号实现精确控制,也难以高效抑制系统扰动。为了解决这些问题,本论文提出了基于内模原理的分布式发电系统网侧变换器控制技术,该控制技术具有良好的在线迭代学习能力而且算法相对简单,能够对周期性信号及扰动实现精确的追踪或抑制,具有优异的稳态追踪精度,能够大大改善常规反馈控制方案在稳态控制中的不足。本论文针对该控制技术在分布式发电系统中的关键问题进行了研究,主要包含以下内容:  1)为了保证并网型分布式发电系统输出“纯净”的基波有功电流,同时对周边非线性负载造成的谐波电流进行补偿,要求其网侧变换器控制系统能够精确控制基波及谐波电流,根据该控制要求提出了基于内模原理的并网型分布式发电系统网侧变换器的电流控制技术。论文探讨了基于LCL型电力滤波器的并网型分布式发电系统的特性及等效模型,并在此基础上提出了比例谐振控制与常规重复控制相结合的复合电流控制方案,同时研究了采用多谐振控制作为谐波电流折中控制方案的可行性和有效性。此外,根据等效电路模型将基于内模原理的控制方案与虚拟谐波阻抗相等效,模拟重复控制器特性提出了一种具有带通特性的虚拟谐波阻抗的构造方案,并通过滑动离散傅里叶变换滤波器进行具体实现。实验结果表明,采用本论文所提电流控制策略的并网型分布式发电系统能够输出高正弦度的基波有功电流,也可以对配电网中存在的谐波电流实现精确补偿,提升配电网的电能质量。  2)在孤岛模式或微电网中,为了向电力网络提供坚强、稳定的电压支撑,同时消除非线性或不对称负载对公共连接点电压的影响,要求电压支撑型分布式发电系统网侧变换器能够精确输出期望的基波支撑电压以及谐波(或不对称)补偿电压,根据这些控制要求提出了基于内模原理的电压支撑型分布式发电系统网侧变换器的电压控制技术。论文分析了电压支撑型分布式发电系统的输出波形要求及其等效模型,在此基础上提出了线性反馈控制与常规重复控制相结合的复合电压控制方案。为了进一步提高电压支撑型分布式发电系统的输出性能,对所提方案的电压外环和电流内环进行改进,其中电压外环采用双同步旋转坐标系并对原常规重复控制器进行拆分将其配置于不同坐标系中;电流内环采用虚拟阻抗理论对其进行优化配置,改进后的复合电压控制策略能够大幅度提升系统的动态响应并且改善了对谐波电压的控制性能。此外,论文详细探讨了孤岛模式中,电压支撑型分布式发电系统与并网型分布式发电系统协同工作的相关特性和控制设计准则。实验结果表明,采用本论文所提电压控制策略的电压支撑型分布式发电系统能够精确输出各类电压波形,包括三相对称、不对称以及谐波合成电压波形,同时在不同负载或并网型分布式发电系统接入情况下均可以保证高性能、高质量以及高可靠性的支撑电压输出。  3)考虑实际配电网或微电网中存在的基波频率偏移现象,提出了一种基于拉格朗日线性插值法的频率自适应的分数阶重复控制技术。论文探讨了频率偏移情况下常规重复控制器的局限性,详细分析并推导了适用于频率偏移的分数阶重复控制技术的相关机理和控制特性,并对这种新型重复控制技术的稳定条件、低通滤波器设计准则以及相应的锁相技术作了系统阐述。最后将提出的分数阶重复控制器应用于分布式发电系统网侧变换器控制中,并与先前的控制技术及其实验结果进行了横向比较。比较结果表明,所提分数阶重复控制技术完全能够满足分布式发电系统的网侧变换器控制要求,在保持原有基于内模原理的电压/电流相关控制特性的同时,提升了分布式发电系统对基波频率偏移的自适应性。
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