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伴随着人类的开发和利用,传统化石能源已逐步走向枯竭,为了满足人类社会发展的需要,以风能和太阳能等为主的可再生能源走进了人们的眼中。分布式发电技术作为新能源的主要利用途径,具有输电损耗少,环境友好且安全的特点,近年来得到了大力的发展。而并网逆变器作为新能源发电与电网的关键接口设备,具有电能转换的关键作用,因而其性能的优劣对于并网系统的稳定运行以及电网的安全可靠具有重要影响。LCL型并网逆变器具有更好的开关频率次谐波衰减能力,近年来受到了广泛的关注和研究,然而,LCL型滤波器作为三阶系统存在的固有谐振峰会使得系统输出电流出现谐振现象,严重时甚至导致系统解列,同时,公共耦合点处由于其挂接有大量非线性设备而呈现出弱电网特性,一方面会产生大量的背景谐波,其通过功率回路使系统输出电流出现谐波谐振,另一方面使电网表现出弱电网的特点,存在着宽范围变化的电网阻抗严重威胁着系统的稳定性。除此之外,并网逆变器一般采用数字控制,而数字控制下由于计算和调制产生的数字控制延时会改变系统在频域的特性,从而降低系统的相位裕度和动态响应能力,显著削弱了系统的稳定范围。本文以单台单相LCL型并网逆变器为研究对象,对其在数字控制与弱电网条件下的谐振抑制技术进行深入的研究,以有效提高系统在复杂工况下的适应性和稳定性。
逆变器侧电流反馈控制由于其实现简单且更符合实际工况从而在分布式发电系统中得到了广泛的应用,然而数字控制延时和弱电网条件下宽范围变化的电网阻抗限制了基于单电流反馈的控制策略的稳定区间,削弱了系统的鲁棒性,且逆变器侧电流反馈控制策略未对LCL滤波器的谐振峰进行抑制,因此入网电流的质量可能会受到影响。与此同时,当电网中存在大量的电网背景谐波时,通常在逆变器侧电流反馈控制中附加电容电压比例前馈来进行抑制,然而本文的分析表明,该方法在数字控制下的开环频率特性中存在一个反向谐振峰,其谐振频率随电网阻抗时时变化,在该反向谐振峰处系统的相位大幅度降低,致使系统的稳定区间显著降低,严重时甚至会导致系统失稳。为此,本文提出一种基于全通滤波器的前馈相位补偿方法,通过在电容电压前馈通道中附加相位补偿环节来提高系统在反向谐振峰范围内相位,提高了系统的稳定性,同时本文给出其相应的补偿器参数的系统性设计方法。在所搭建的3kW单相LCL型逆变器并网平台获得的仿真结果充分验证了所提控制策略的有效性。
并网电流反馈控制策略是另一类基本的逆变器控制结构,其是对并网电流的直接控制,具有更小的控制误差。与单逆变器侧电流反馈控制类似,数字控制延时和弱电网条件下宽范围变化的电网阻抗限制了其稳定区间和控制性能,同时未抑制的LCL滤波器谐振峰可能导致系统输出电流质量受到影响。附加PCC电压前馈的电容电流反馈有源阻尼策略是基于此类控制结构提出的且受到较多应用的方法,但其较多的状态量反馈通道使系统的控制复杂度和参数设计复杂度均进一步提高,同时所需传感器也较多,经济性较差。为此,本文在前述控制策略的基础上通过框图等效变换和合理设计提出了一种基于电容电压比例前馈和并网电流比例微分反馈的控制策略,同时抑制了LCL滤波器谐振和PCC电压谐波的影响,此外,其在电网阻抗宽范围变化的条件下具有一定的适应性。所搭建的3kW单相LCL型逆变器并网平台充分验证了所提控制策略的有效性。
逆变器侧电流反馈控制由于其实现简单且更符合实际工况从而在分布式发电系统中得到了广泛的应用,然而数字控制延时和弱电网条件下宽范围变化的电网阻抗限制了基于单电流反馈的控制策略的稳定区间,削弱了系统的鲁棒性,且逆变器侧电流反馈控制策略未对LCL滤波器的谐振峰进行抑制,因此入网电流的质量可能会受到影响。与此同时,当电网中存在大量的电网背景谐波时,通常在逆变器侧电流反馈控制中附加电容电压比例前馈来进行抑制,然而本文的分析表明,该方法在数字控制下的开环频率特性中存在一个反向谐振峰,其谐振频率随电网阻抗时时变化,在该反向谐振峰处系统的相位大幅度降低,致使系统的稳定区间显著降低,严重时甚至会导致系统失稳。为此,本文提出一种基于全通滤波器的前馈相位补偿方法,通过在电容电压前馈通道中附加相位补偿环节来提高系统在反向谐振峰范围内相位,提高了系统的稳定性,同时本文给出其相应的补偿器参数的系统性设计方法。在所搭建的3kW单相LCL型逆变器并网平台获得的仿真结果充分验证了所提控制策略的有效性。
并网电流反馈控制策略是另一类基本的逆变器控制结构,其是对并网电流的直接控制,具有更小的控制误差。与单逆变器侧电流反馈控制类似,数字控制延时和弱电网条件下宽范围变化的电网阻抗限制了其稳定区间和控制性能,同时未抑制的LCL滤波器谐振峰可能导致系统输出电流质量受到影响。附加PCC电压前馈的电容电流反馈有源阻尼策略是基于此类控制结构提出的且受到较多应用的方法,但其较多的状态量反馈通道使系统的控制复杂度和参数设计复杂度均进一步提高,同时所需传感器也较多,经济性较差。为此,本文在前述控制策略的基础上通过框图等效变换和合理设计提出了一种基于电容电压比例前馈和并网电流比例微分反馈的控制策略,同时抑制了LCL滤波器谐振和PCC电压谐波的影响,此外,其在电网阻抗宽范围变化的条件下具有一定的适应性。所搭建的3kW单相LCL型逆变器并网平台充分验证了所提控制策略的有效性。