计及电网背景谐波的并网逆变器稳定性分析及控制策略研究

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在全球能源危机的背景下,人们提高了对风能、太阳能等可再生能源的开发力度。并网逆变器因为控制性能良好且运行模式灵活多变,常被用于电网与可再生能源之间功率转换的接口。然而随着新能源在电网中渗透率的逐渐增加,电网表现出弱电网特性。电网阻抗的大范围变化可能引起系统的稳定性问题,此外,电网背景谐波也会影响并网电流的波形质量。本文分别针对与电网直接耦合的逆变器和通过变压器并网的逆变器,提出改进前馈控制策略,提高系统稳定性的同时保证了对电网背景谐波的抑制能力。首先,本文对比了三相LCL型并网逆变器在dq旋转坐标系和αβ静止坐标系下的控制策略,并建立了αβ静止坐标系下的并网逆变器数学模型;其次,以消除电网背景谐波为目标推导出电网电压全前馈传递函数,在此基础上分析了电网电压全前馈控制策略下控制延时对逆变器稳定性的影响,指出控制延时不仅会导致逆变器输出阻抗产生负相移,从而严重恶化系统稳定性;而且会降低逆变器的输出阻抗,减弱对背景谐波的抑制能力。针对与电网直接耦合的并网逆变器,本文提出了基于多谐振环节的电网电压前馈控制策略。在前馈通道中引入多谐振环节并以完全消除谐波频率处相位延时为目标设计了多谐振参数,有效地降低了控制延时对逆变器输出阻抗的影响。理论分析表明系统的稳定裕度得到了保证,谐波抑制能力也得到了有效地提升。在PSCAD平台上的仿真验证了提出的前馈策略对电网背景谐波的抑制能力。针对通过变压器接入电网的逆变器,首先分析了引入变压器而引起的电网电压前馈点变化的问题,提出电容电压全前馈控制策略。前馈函数包括比例项、一阶微分项和二阶微分项;其中一阶微分项与电容电流反馈有源阻尼项互相抵消。且前馈函数的剩余项可以等效为并联在电容两端的虚拟阻抗。LCL滤波器的谐振峰由虚拟阻抗提供阻尼。针对虚拟阻抗实部在特定频率范围内为负可能引起系统失稳的问题,本文提出了虚拟阻抗重塑的方法,在前馈函数中设计低通滤波器使虚拟阻抗实部在控制频率范围内为正,保证了系统的稳定性。最后在PSCAD仿真平台搭建模型验证了提出的阻抗重塑方法的有效性。
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