智能微型电网系统孤岛模式中逆变器并联控制技术的研究

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在微型电网孤岛模式中,采用多台电压源型逆变器并联可以使微型电网具有更好的冗余性、稳定性和可靠性,但是各台逆变器输出电压之间的微小差异会在并联系统中产生环流,引发逆变器输出的有功功率和无功功率不平衡,严重时会导致逆变器过载甚至并联系统的崩溃。因此,如何根据微型电网中每一个逆变器单元的功率容量,精确的实现按任意比例均分用户负载功率,并且有效的抑制系统内部的环流,避免任何一个单元因为过载或者过流受到损害,对于智能微型电网的能量管理系统的设计来说是一个很大的挑战。有鉴于此,本文将工作重点放在微型电网孤岛模式中逆变器并联系统控制技术的研究,通过对多台电压源型逆变器并联系统的数学建模分析,设计一套行之有效的控制系统,以实现智能微型电网能量管理系统在孤岛模式中的设计需求。首先,本文简要介绍了智能微型电网的定义,拓扑结构,运行模式和控制系统,并对电力电子技术在智能微型电网中的应用以及智能微型电网中逆变器的工作模式进行了探讨。在此基础之上,本文对传统的逆变器并联控制技术进行了分析和总结,提出了结合有线并联和无线并联二者优势的改进方向。其次,本文对多台电压源型逆变器并联系统进行数学建模分析,提出了多台电压源型逆变器按照任意比例分担负载功率情况下逆变器并联系统的统一数学模型。随后通过对并联系统中连线阻抗的优化设计,本文提出了优化的多台电压源型逆变器并联系统的数学模型,包括优化并联系统的稳态模型,优化并联系统的环流数学模型,优化并联系统的环流小信号模型。同时,本文还对优化的逆变器并联系统的动态特性进行了研究。第三,在优化的逆变器并联系统数学模型基础上,本文从以下几方面对逆变器连线阻抗进行了分析,包括:(1)逆变器连线阻抗对并联系统环流的影响;(2)逆变器连线阻抗对交流母线电能质量的影响;(3)逆变器连线阻抗对并联系统功率损耗的影响。随后,本文基于以上分析,对优化的并联系统中逆变器连线阻抗参数的设计原则进行了总结。第四,在优化的逆变器并联系统数学模型基础上,本文提出了逆变器并联系统的环流功率数学模型,描述了在多台电压源逆变器并联系统中按照任意比例均分负载功率时环流功率与各台逆变器输出电压幅值差和相位差的数学函数关系。在环流功率数学模型的基础上,本文对传统下垂法抑制环流的机制建立了数学模型,并对传统下垂法的优点和缺点进行了总结。随后针对传统下垂法的缺点,本文提出了一种基于环流功率的并联控制策略(ω-Pcir和V-Qcir控制),并对其进行数学建模分析,从理论上验证了改进并联控制策略的优势。第五,本文结合有线并联的优势,以及智能微型电网的应用背景,尤其是根据并网/孤岛模式切换过程的设计需求,对改进的并联控制策略进行修正,提出了一种应用于智能微型电网孤岛模式的包括稳态电压控制器和并网前再同步控制器在内的控制策略。第六,根据本文的理论研究成果和设计的控制策略,对微型电网孤岛模式中逆变器控制系统的实现方案进行了细化分析,随后对微型电网中逆变器单元的离散控制系统和功率电路涉及的参数进行分析和设计。在此设计过程中,本文针对传统功率算法的优缺点进行了分析,提出了一种基于p-1瞬时功率理论的改进功率算法。最后,本文通过仿真和实验对本文提出的研究成果进行了验证:(1)通过PLECS仿真平台对优化的多台电压源型逆变器并联系统数学模型,环流功率数学模型,改进的并联控制策略以及微型电网孤岛模式控制系统进行仿真验证;(2)搭建了三台单相逆变器样机,组建逆变器并联系统,用于模拟微型电网的孤岛运行模式,对本文设计的控制系统进行实验验证。根据PLECS软件仿真结果,验证了本文提出的电压源逆变器并联系统的优化数学模型和环流功率数学模型的正确性以及可行性。同时根据仿真和实验结果证明,本文提出的基于环流功率数学模型的改进并联控制策略(即ω-Pcir和V-Qcir控制),能够有效地抑制并联系统中的有功环流和无功环流,相比于传统下垂法控制策略有更佳的稳态性能和良好的动态性能,是一种非常适合应用于智能微型电网孤岛模式中多台电压源型逆变器并联系统的控制策略。
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