交直流混合微网互联变流器协调控制技术研究

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随着新能源发电和电力电子技术的快速发展以及新型供用电设备的直流化,交直流混合微网的研究备受关注。其综合了交流微网和直流微网的优点,可灵活接入交直流电源与负荷,有效减小中间变换环节,降低系统成本,功率流动和控制方式也更加灵活,是未来重要的组网方式之一。互联变流器作为交流子网与直流子网连接的纽带,对实现交流子网与直流子网间功率的双向流动和相互支撑至关重要。因此,本文主要围绕交直流混合微网互联变流器协调控制策略展开研究,对并联环流抑制、不同运行模式下的功率协调控制策略和稳定性分析三个方面进行分析探讨,并通过仿真和实验进行验证。首先,以三电平TNPC互联变流器为研究对象,对其拓扑结构和工作原理进行简要分析,建立了数学模型,为后续章节的研究提供理论基础。针对互联变流器并联零序环流问题,建立了并联环流模型,对其产生机理进行分析,给出了产生环流来源及影响因素。针对高频环流,以一个开关周期为例,分析了在载波角度差为180o情况下高频环流的峰值变化规律,并给出了高频环流所带来的最大应力,指导硬件滤波器设计。针对低频环流,建立了其平均等效模型,通过对零序激励电压源进行傅里叶分解,推导并分析出低频环流分量的特性及构成。并基于分析的结果,提出了使用PIR控制器抑制低频环流的控制策略,最后通过仿真和实验对理论分析和所提控制策略进行了验证。其次,针对互联变流器功率协调控制技术展开研究,首先对交直流混合微网运行模式进行分析,归纳总结了不同运行模式下互联变流器控制需求。随后,重点对互联并网和互联离网两种运行模式下的功率协调控制策略进行研究。针对互联并网运行模式,提出了一种互联变流器交流功率-直流母线电压下垂的控制方法,并对功率分配原理和策略进行介绍,所提方法可以实现互联变流器按照预设曲线调节直流电压、跟踪调度指令和互联变流器间功率均分;针对互联离网运行模式,给出了基于P-ω、Q-u加虚拟阻抗的下垂控制实现互联变流器功率协调控制,分析了虚拟阻抗引入原因及影响,给出了虚拟阻抗的选取方法,最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的正确性。最后,针对互联变流器的稳定性分析展开研究。重点研究了互联变流器采用交流功率-直流电压下垂控制时直流母线的稳定性。建立了DC/AC互联变流器在直流母线侧小信号等效建模,并通过仿真对等效模型进行了验证。基于阻抗模型,分析给出了互联变流器控制参数变化时,其等效输出阻抗的变化规律。并采用阻抗比判据和奈奎斯特曲线揭示了互联变流器带恒功率负载时,互联变流器控制参数变化对级联系统稳定性的影响规律。当互联变流器电压环比例参数增大时,级联系统将趋于不稳定,并通过仿真进行了验证,为级联系统控制参数设计与工程调试提供了指导。
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