基于线性自抗扰的虚拟电阻型光伏逆变器研究

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随着“碳达峰”、“碳中和”目标的提出,电力系统的光伏渗透率也会逐步增大,而光伏逆变器作为光伏并网发电的关键接口将在其中发挥着重要的作用。然而目前光伏逆变器基本上仅具备有功、无功输出功能,不仅少有电能质量治理功能,还可能向电网输出谐波、造成三相不平衡等问题。实际上光伏逆变器拥有与有源滤波器类似的拓扑结构和电流控制方法,拥有进行电能质量治理的硬件基础,只是常规有源滤波器需要检测非线性负载的输出电流,并不适用于光伏逆变器。本文致力于挖掘光伏逆变器的电能质量治理潜力,引入虚拟电阻控制方法,其仅需检测并网点电压,控制逆变器在谐波频域对外表现为电阻特性,实现谐波抑制功能。本文为提高光伏逆变器的电流跟踪性能,提出采用线性自抗扰电流控制器,建立了LCL型光伏逆变器在αβ坐标系上的数学模型和Boost电路的数学模型,并分别设计了三阶自抗扰控制器和一阶自抗扰控制器,同时为提高控制器的控制带宽,采用梯形法对线性自抗扰控制器进行离散化,通过仿真验证了所提控制器的有效性。针对传统有源滤波器只能就近补偿负载谐波电流的缺陷,本文根据并联电阻对谐波的抑制作用提出了虚拟电阻型光伏逆变器控制思想。结合并网电压和输出电流中的谐波分量引起逆变器直流侧电压波动的机理,提出了基于镜像电阻的光伏逆变器直流侧电压波动抑制控制策略,保证其在高三相不平衡度和高谐波含量的电网条件下稳定并网运行。为进一步发挥光伏逆变器对电网电能质量的治理作用,本文提出了基于谐波功率最大化和基于最大谐波阻尼的虚拟电阻控制策略,前者通过快速傅里叶变换和扰动观察法控制光伏逆变器吸收的各次谐波功率始终维持在最大值,降低电网谐波含量的同时提高用户参与谐波治理的积极性。后者可在电网需要时尽可能地增大光伏逆变器的谐波阻尼,同时维持光伏逆变器直流侧电压稳定。为进一步验证本文所提控制策略的有效性,搭建了基于TMS320F28335的光伏并网逆变器实验平台和实时仿真平台,验证了虚拟电阻型光伏逆变器的可行性,推动了多功能光伏逆变器技术水平的发展。
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