【摘 要】
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伴随着能源结构的变革,传统电力系统正逐步向以新能源主体的新型电力系统转变。作为新能源发电单元与电网之间的能量变换接口,并网逆变器将直流电转化为高质量的交流电并馈入电网,对电力系统的安全、稳定和高质量运行起着至关重要的作用。本文针对LCL型并网逆变器的谐振抑制展开研究,实现其在弱电网下的强鲁棒性,保障电力系统的安全稳定运行。典型的LCL谐振抑制技术包括零极点对消和状态变量反馈有源阻尼。零极点对消技术
【基金项目】
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国家重点研发计划“高比例可再生能源并网的电力系统规划与运行基础理论(项目编号:2016YFB0900100)”; 国家自然科学基金项目“分布式发电系统中多逆变器并联并网控制技术研究(项目编号:51477062)”,2015.6-2018.6;
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伴随着能源结构的变革,传统电力系统正逐步向以新能源主体的新型电力系统转变。作为新能源发电单元与电网之间的能量变换接口,并网逆变器将直流电转化为高质量的交流电并馈入电网,对电力系统的安全、稳定和高质量运行起着至关重要的作用。本文针对LCL型并网逆变器的谐振抑制展开研究,实现其在弱电网下的强鲁棒性,保障电力系统的安全稳定运行。典型的LCL谐振抑制技术包括零极点对消和状态变量反馈有源阻尼。零极点对消技术是通过零点配置消除从基准量到被控量的谐振极点,从而保证被控量的稳定性。LCL型并网逆变器的被控电流可以是逆变器侧电流、并网电流或者它们的加权量。本文建立了兼容不同电流控制方式的统一数学模型,从并网电流稳定性的角度对零极点对消技术展开研究。分析发现,当被控电流并非并网电流时,零极点对消技术不能消除从电流基准到并网电流环路中的谐振极点;即使被控电流为并网电流,该技术也不能消除从电网电压扰动到并网电流环路中的谐振极点。因此,采用零极点对消技术时,并网电流仍存在振荡的风险。进一步建立了不同电流控制方式的等效电路模型,从物理层面阐明了并网电流振荡风险的内在产生机理,指出零极点对消技术只是“隐藏”了LCL谐振,并没有从本质上将其消除。研制了一台6k W单相LCL型并网逆变器原理样机,通过实验验证了上述结论的正确性。与零极点对消技术不同,状态变量反馈有源阻尼技术通过合适的状态变量反馈在滤波器中虚拟出一个电阻,以将虚轴上的LCL谐振极点移至左半平面,从而保证并网电流的稳定性。本文聚焦于电容电流反馈有源阻尼方法,研究了考虑数字控制延时后电容电流比例、积分、微分三种基本反馈形式的阻尼特点,指出它们的等效虚拟电阻都只能在一定的频段内呈现正阻特性,不能保证对LCL谐振的有效阻尼。鉴于此,本文系统研究了这三种反馈的组合形式,提出了电容电流比例积分正反馈有源阻尼方法,并给出了电容电流反馈系数与电流调节器参数的设计方法,实现了几乎在全频段内其等效虚拟电阻恒为正值,保证了对LCL谐振的有效阻尼。在6k W单相LCL型并网逆变器的原理样机上,通过实验验证了所提出的电容电流比例积分正反馈有源阻尼及控制参数设计方法的有效性,显著提高了LCL型并网逆变器对电网阻抗和滤波器参数波动的鲁棒性。公共耦合点(Point Common Coupling,PCC)电压比例前馈策略可以有效抑制电网电压背景谐波对并网电流的影响,改善并网电流质量。本文研究发现,该前馈策略还具有潜在的阻尼能力,与电容电流积分正反馈有源阻尼等效,其等效的虚拟电阻与电网阻抗相关,电网阻抗越大,虚拟电阻值越小,阻尼能力越强。受数字控制延时的影响,等效的虚拟电阻仅在三分之一的采样频率范围内呈现为正值。为了保证在全频段内对LCL谐振的有效阻尼,本文将PCC电压比例前馈与电容电流比例反馈结合起来,并提出了电容电流反馈系数的优化设计方法,实现了复合阻尼的虚拟电阻在系统谐振频率处恒为正值。进一步提出了分裂电流的复合阻尼实现方案,节省了检测电容电流的传感器。在6k W单相LCL型并网逆变器的原理样机上,通过实验验证了PCC电压比例前馈与电容电流比例反馈的复合阻尼能力以及分裂电流复合阻尼实现方案的有效性。实验结果表明,该复合阻尼不仅改善了并网电流质量,而且显著提高了LCL型并网逆变器对电网阻抗和滤波器参数波动的鲁棒性。
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