新型比例积分多谐振控制及其并网逆变器应用研究

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基于可再生能源的分布式发电已经成为促进可再生能源利用的重要途径,逐渐受到各国的普遍重视。LCL型并网逆变器作为分布式发电单元与电网之间能量交换的接口设备,其性能对分布式发电系统的安全、稳定和高质量运行具有重要影响。然而,逆变器开关器件死区产生的低频谐波和实际电网中含有的背景谐波,严重影响并网逆变器输出入网电流的质量,因此,研究LCL型并网逆变器入网电流谐波抑制方法具有重要意义。本文针对单相LCL型并网逆变器,研究入网电流的谐波抑制方法。首先分析了传统重复控制(repetitive control,RC)的原理、稳定性、谐波抑制能力,并对比分析了RC与比例积分(proportional integral,PI)控制构成的串联和并联两种结构下的复合控制策略的优缺点,指出尽管RC并联PI复合控制策略能够抑制谐波,但是仍需要进一步提高谐波抑制性能。针对LCL型并网逆变器输出滤波器谐振峰问题,提出一种基于陷波器的有源阻尼策略,可以省去传统有源阻尼的高精度的传感器,不需要增加任何硬件成本,同时,在弱电网情况下,网侧电感存在波动时,提出的有源阻尼策略具有良好的鲁棒性。针对RC并联PI复合控制策略的特性与不足,提出一种新的基于RC并联比例增益的PIMR控制策略。研究了PIMR控制策略的稳态性能,并给出了PIMR控制器参数的设计方法,仿真和实验验证了提出的PIMR的稳态和动态性能。PIMR控制不仅同时抑制多个频率的谐波信号,同时还具有良好的动态特性。PIMR控制中的比例增益扩大了RC增益的选择范围,进而提高了系统的误差收敛速度。与现有的PIMR控制相比,新的控制器不仅克服了PIMR控制仅能够并联有限多个谐振项的缺点,而且简化了传统PIMR复杂的设计。分布式发电系统中,电网频率常存在波动的情况。传统RC只能处理采样频率与电网电压基波频率比值为整数的情况,否则,系统信号跟踪和谐波抑制性能显著下降。为此,提出采用分数延迟RC,并将其应用于PIMR控制中。对比分析了基于FIR滤波器的分数延迟和基于IIR滤波器的分数延迟。研究了当电网频率在49.5Hz~50.5Hz之间某一频率值时,分数延迟PIMR控制的控制效果;进一步,当电网频率在49.5Hz~50.5Hz之间波动时,提出一种自适应PIMR控制方法,仿真和实验验证了提出的自适应PIMR方法能够在电网频率波动的情况下,仍能够在基波及其整数倍频率处提供高增益,从而具有优秀的谐波抑制能力。相位超前补偿RC在高采样频率(10kHz及以上)时可以取得良好的效果,但是,采样频率降低时(4kHz及以下),传统相位超前补偿将不能满足系统稳定性的需要,因此,提出分数相位超前补偿的概念,将传统相位超前补偿拍数由整数扩展至分数。根据分数延迟的实现方法,设计了分数相位超前环节,并将分数相位超前补偿应用到PIMR控制中,研究了系统的稳定性,并给出了详细的参数设计过程,仿真和实验表明:分数相位超前补偿PIMR控制在低采样频率下可以使系统具有优秀的信号跟踪能力和谐波抑制能力。
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