应用于低压微电网的LCC逆变系统及控制策略研究

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微电网技术为分布式能源发电接入配电网提供了一种可靠有效的方式,是未来能源链的关键技术之一。逆变器是连接分布能源和微电网的重要组成部分,根据微电网运行要求,研究合适的逆变器控制策略是微电网可靠运行的关键。微电网孤岛运行时,相对于单台大容量电源,采用多台电源并联提供电压和功率支撑,具有更高的供电可靠性,下垂控制适合于多逆变器的并联运行,能将功率动态分配给各个逆变器承担且不依赖于通信联系,但是其应用还存在很多问题。针对低压线路的阻抗特性以及期望的控制目标,应设计下垂控制的适用方法;另外,微电网中非线性因素及三相负载不平衡的存在,对逆变系统输出电压质量提出了更高要求。  为了提高逆变系统输出电压质量,本文设计了LCC电路(电感-电容-电容,inductor-capacitor-capacitor),将其作为逆变器的输出环节。首先通过建立LCC电路输入、输出电压之间的关系,给出电压型LCC的参数设计方法,使其稳态输出电压基波仅由输入的基波电压决定,而不受负载电流的影响,探讨了LCC电路的性能,并说明其在参数选择合理的情况下还具有良好的滤波性能;研究了基于电压型LCC的逆变系统的电压控制策略,根据LCC特性,用一种简单的电压前馈的控制方法,即可实现输出电压的快速控制,另外,提出了一种由电流谐波决定的电压谐波控制方法,通过在输入电压中增加谐波电流的补偿项,来消除输出电压畸变,从而使LCC逆变系统能够在非线性负载下依然具有良好的输出电压质量;最后将所设计的电压控制策略应用于三相LCC逆变系统,通过仿真对所设计的LCC逆变系统和控制方法进行了验证,结果表明LCC逆变系统在负载变动时能快速恢复输出电压、在非线性负载下具有良好的输出电压质量,而且在三相负载不平衡时仍然能保持输出电压对称。  LCC逆变系统在并联运行时,需要有效限制其相互之间的环流,下垂控制方法能够使电源间环流得到抑制,并实现功率的均匀分配,考虑到非线性负载因素,在设计LCC逆变系统的下垂控制时,不但要考虑LCC电路的特点,还需要消除谐波电流的影响。针对低压微电网输电线路,选择阻性线路下推导的下垂控制方程,分析了通过虚拟电阻来进一步提升等效线路阻性的可行性,提出了一种抑制电流谐波的虚拟电阻设计方法,在进一步限制环流的同时,避免引入谐波电流对输出电压带来不利影响;采用调整电压相角的下垂控制方法,使孤岛运行时稳态频率不产生偏移,从而更好地保证LCC电路的性能;提出一种相电流有功量和无功量的提取电路,来代替功率计算,该方法针对每相电流的基波量进行计算,不会受谐波及不对称电流的影响,逆变系统将根据实际有效功率进行下垂控制,从而使功率分配在非线性负载下依然有效。  孤岛运行时,下垂控制的逆变系统输出电压与电网一定会有偏差,孤岛到并网切换时,电压偏差会带来电流冲击,因此在下垂控制的基础上,增加dq坐标下的同步控制环节,在并网时,调节微电网母线电压的幅值、相位,使其与电网电压基本一致,实现孤岛到并网的稳定切换。  最后,在Matlab/Simulink中搭建了含有两个LCC逆变系统的微电网仿真模型,进行了不同情况下的仿真分析。孤岛运行时,LCC逆变系统在电源投切、负载变动以及非线性负载情况下均可以保证功率分配,并且在非线性负载下仍具有良好的输出电压质量;孤岛向并网切换时,设计的同步控制环节能够保证系统平滑过渡,LCC逆变系统能够满足不同运行模式要求。仿真结果验证了所设计的逆变系统及控制策略的正确性。
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