微网及含微网的配电网电能质量综合控制研究

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微网是一个弱惯性系统不再同于传统的大电网,其包含着众多电力电子变换器是一个高度非线性环境,不同电力电子变换器控制策略之间也互相耦合干扰。除了传统电网中的电能质量问题,微网电能质量问题具有其独特性,有必要对微网及含微网的配电网电能质量控制问题进行专门的研究。针对上述问题,本文分别从微源运行控制策略、微网及含微网的配电网电能质量主动治理法、被动治理法以及电能质量治理装置高精度控制策略四个角度进行了探讨和研究,具体工作和创新点体现在:针对传统微源逆变器控制算法需要在微网并网和孤岛运行时切换的弊端,本文提出一种适用于微网无缝切换的混合控制策略。该混合控制策略算法可以同时支持并网和孤岛运行状态,消除了在微网状态切换时由于软件进行切换所带来的冲击,并且该算法在并网阶段微源逆变器具有有源滤波器功能,消除非线性负载对电网带来的谐波电流,其电压环采用比例谐振控制器有效消除孤岛时微源逆变器输出的电压静差。接着当微网中由于条件关系电能质量补偿设备不能安装在每个关键节点处时,传统的就地补偿工作方式将不再适用。为了确保重要节点的电能质量得到保障,本文通过建立微网拓扑模型,得到电能质量补偿装置的输出指令电流和合理安装位置。对于多个重要节点的情况,本文通过数学规划模型将电能质量补偿装置配置问题分解为主问题和子问题,主问题负责处理电能质量补偿装置的安装位置,子问题负责处理电能质量补偿装置的输出指令电流问题,主问题和子问题反复迭代得到最优配置方法。通过对微源下垂控制在实现微源功率均分的同时可以从源头主动改善微源逆变电能质量。针对低压微网线路阻抗一般呈现阻感混合性,采用一种在传统电压电流双环上加入虚拟阻抗的方法,降低逆变器功率均分控制对输出线路阻抗的敏感性。此外,传统无功功率控制缺少积分环节,使得孤岛情况下输出电压有静差,采用一种改进的功率控制方法,使得最终实现微源输出电压无静差,并且无功输出与线路连接阻抗无关。针对低压微网中采用传统下垂控制器多微源之间功率分配精度不高和非线性负载影响的问题,通过虚拟阻抗的设计,将等效线路阻抗设计为在工频附近呈现阻性,满足低压微网的线路阻抗特点,同时降低了微源逆变器功率均分控制对输出线路阻抗的敏感性;等效线路阻抗在高频谐波段呈感性,有效抑制非线性负载造成的高频谐波。同时改进了功率控制环,避免了较大的阻性等效输出阻抗造成电压降低的问题,加入的并网自动跟踪相角控制器在计划并网前自动调整微源输出电压相角,保证并网过程平滑过渡。针对微网及含微网的配电网内大容量非线性负载谐波补偿问题,通过电能质量治理装置被动并联补偿。采用多台并联有源电力滤波器并列运行提高系统补偿容量,对多台有源电力滤波器联合运行的协调控制方案进行研究,采用比例和截断的限流方法,保证了每台有源电力滤波器的安全可靠运行。最后提出一种基于级联的分次谐波并列补偿方案。此外针对一种容错型有源电力滤波器拓扑电路,分别提出了新的直接电流控制和间接电流控制方法。由于三相四开关拓扑结构中有一相桥臂电流不能直接控制,基于α-β坐标轴下的滞环控制方法在两相静止坐标系下对三相电流整体控制;改进的SVPWM控制策略通过旋转α-β坐标轴省去了传统算法中三角函数运算,并且改变了基本矢量的输出顺序,最终简化了算法的同时降低了开关频率。讨论了直流侧电压参考值的选取并且给出了直流侧电容均压策略。为了进一步提高微网电能质量,研究了电能质量控制器高精度控制方案,分别从检测和控制提高了逆变器的控制精度。经典有源滤波器算法中的负载谐波电流检测环节只是一个电流前馈环节,而通过控制直流侧电压环的算法可以省去负载和输出电流检测单元。为了增强其动态性能,给出了基于自适应预测算法的无负载侧谐波检测有源滤波器控制方法。该方法自适应滤波器系数在线滚动迭代,步长实时更新,能够很好预测出网侧电流的下一拍的状态,提高了指令波的精确度。此外无差拍控制已被广泛应用在有源滤波器的控制当中,然而没有预测的无差拍控制实际上是差一拍或者差两拍控制。因此本文采用内置重复控制器的方法弥补无差拍算法和离散控制系统中的周期性误差,通过对内置重复控制器的设计保证了系统的稳定裕度和稳态精度。针对内置重复控制器动态性能差的缺点,本文采用基于空间矢量的滞环控制策略,结合双滞环控制思想,当误差电流落入内环时使用最优矢量调制得到精确的开关状态,当误差电流落入外环时使用最快矢量控制迅速减小误差电流到达新的稳态。
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