基于减小延时和采样补偿的LCL型并网逆变器有源阻尼研究

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随着人类社会的飞速发展,人们对能源的需求与日俱增,面对即将枯竭的传统能源和一次能源的使用过程中产生的环境污染问题,基于新能源的可再生能源引起人们的极大关注。并网逆变器作为新能源发电和电力系统网络两者间的链接装置得到了极其广泛的应用。滤波器的不同会导致逆变器特性不同,LCL型并网逆变器在降低变换器的重量和体积以及抑制高频开关纹波方面相对于单L型变换器有独特的优势,因而备受青睐。本文研究了LCL型并网逆变器控制延时和延时补偿的相关问题。首先以模拟控制时电容电流反馈有源阻尼单相LCL型并网逆变器为例,采用控制框图等效变换的方法,说明了模拟控制时电容电流反馈有源阻尼和滤波电容两端并联电阻的无源阻尼是等效的。然后对于数字控制时的情况,采用前述方法,指出了此时电容电流反馈这种阻尼策略和滤波电容两端并联一个阻抗等价,该阻抗可分解为电阻和电抗的并联,电阻和电抗的值会随着频率的变化而变化。其中等效并联电阻为系统提供阻尼起到抑制谐振尖峰的作用,并且当采用采样和计算一拍延时这种控制方式时,1/6采样频率为其正负分界频率点;一拍延时情况下,等效并联电抗的正负分界频率点在1/3采样频率位置,在小于1/3采样频率时其为正值,等效为电感,会减弱滤波电容的作用,使系统谐振频率增大,大于1/3采样频率位置时其为负值,等效为电容,会增强滤波电容的作用,使系统谐振频率减小。对于数字控制时电容电流反馈有源阻尼单相LCL型并网逆变器,等效为在滤波电容两端并联一个阻抗,电容电流采样和计算环节的延时会影响等效阻抗中电阻和电抗的正负分界频率点的值,随着电容电流采样和计算延时的减小,电阻和电抗的正负分界频率点逐渐增大,当采样和计算延时为零时系统的等效并联电阻和电抗在整个Nyquist频率内,恒为正值;并网电流采样和计算的延时主要影响逆变器的相角裕度,随着并网电流环延时的减小逆变器的相角裕度逐渐增加。然而只要等效并联电阻存在正负分界频率点,当逆变器的谐振频率刚好处于分界频率点时逆变器是无法稳定的,因此由于某些原因导致的逆变器参数改变会影响系统的稳定性。并且在分界频率点附近,系统的阻尼特性和谐振频率相关性很强,谐振频率的微小变化会使有源阻尼对逆变器谐振尖峰的阻尼效果产生很大变动。电容电流与并网电流的采样和计算环节采取半拍延时的方式可以使等效并联电阻的正负分界频率点提高到1/4采样频率位置,与一拍延时时相比提高了分界频率点并且增大了系统的相角裕度;采用采样和计算半拍延时与电容电流采样环节加入补偿函数的方法可以进一步提高等效并联阻抗中电阻的正负分界频率至1/2采样频率位置,即等效并联电阻在整个Nyquist频率范围内恒为正值。这种方法使并网逆变器系统不存在无法阻尼的位置,而且不会因为谐振频率的改变而使系统由稳定状态过渡到不稳定状态,消除了系统实际运行时的安全隐患。并且在这种阻尼方式下系统的等效并联电阻成为一个不随频率变化的量,从而使系统的阻尼效果不会随逆变器谐振频率变化而产生很大变化。结尾,在MATLAB中搭建一个Simulink仿真模型验证了所提方法的有效性,并且在实验台架上验证了本文提出的阻尼方法的正确性和可行性。
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