基于锁相同步的并网变流器系统阻抗建模及其电压跟踪能力研究

发布时间：2020-04-27 08:16

【摘要】：可再生能源发电对解决能源危机和环境污染问题有重要的现实意义。并网变流器具有良好的可控性和多种灵活的运行模式,可以保证网侧电流正弦化、实现功率解耦控制、维持单位功率因数运行、实现能量双向流动,具有较强的功能和诸多的优点,是可再生能源接入的重要接口。因此在电力电子技术和电力电子装置渗透率逐渐快速提高的现代电力系统中,并网大功率电力电子变流器系统的安全可靠运行已成为电力系统安全可靠运行的重要保证。在电网发生故障或者受到扰动时,并网变流器保持良好的电压跟踪能力对并网变流器系统安全运行起到非常重要的作用。并网变流器系统的电压跟踪主要是通过锁相控制和内环电流控制来实现的。现有研究表明目前的锁相控制技术对并网变流器系统的稳定性和电能质量存在一定影响。因此研究基于锁相同步的并网变流器系统阻抗建模方法和锁相控制技术对并网变流器系统电压跟踪能力的影响将有助于并网变流器系统的安全可靠运行。本文在两项国家自然科学基金的资助下完成,开展了基于锁相同步的并网变流器系统阻抗建模及其电压跟踪能力研究。本文在同步参考系锁相环参数对并网变流器网侧电流的影响分析、考虑锁相环影响的并网变流器的序阻抗/导纳建模以及提升并网变流器电压同步跟踪能力的锁相环输出相角补偿策略等方面开展了探索和创新研究。论文完成的主要工作和成果如下:(1)研究了同步参考系锁相环的基本原理和数学模型,在此基础上,对发生单相电网电压跌落的三相电压型PWM整流器系统中同步参考系锁相环的输出相角进行了时域分析,推导出了计算锁相环输出相角的二阶非线性微分方程,并通过软件计算和仿真验证了方程的有效性。通过仿真分析了同步参考系锁相环PI环节不同的参数对输出相角和网侧电流的影响,总结了变化规律并通过数字物理混合实验验证了仿真的正确性,对电网电压发生不平衡跌落故障时同步参考系锁相环参数对并网变流器的网侧电流影响做出了定性分析。(2)给出了考虑锁相环影响的基于谐波线性化方法的并网变流器序阻抗/导纳建模方法。利用谐波线性化方法得到在三相平衡电压下并网变流器的小信号阻抗模型。当并网变流器不满足小信号稳定性条件时,并网变流器系统会出现谐振现象。然而现有的小信号阻抗稳定性分析方法对谐振发生的频率和幅值无法做出有效的估算。因此定义了并网变流器在大信号下的阻抗,通过仿真测得了并网变流器在大信号下的阻抗,给出了估算此谐振幅值和频率的方法。利用描述函数和谐波线性化方法对并网变流器在大信号下的阻抗进行了数学建模,深入分析了并网变流器的谐振现象。最后在三相不平衡电压建立了下考虑正负序分量耦合的并网变流器序导纳矩阵,进行了参数敏感性分析,仿真验证了所提出建模方法的有效性。(3)当电网是强电网时,锁相环对并网变流器的控制系统的影响可忽略不计。通过对PCC点电压的动态特性进行建模,说明了当电网是弱电网时,锁相环会使PCC点电压和并网变流器产生耦合,电网阻抗越大,耦合作用越明显。因此,需要通过改善锁相环的输出相角来减少PCC点电压和并网变流器之间的耦合作用,提高并网变流器的锁相控制能力,从而达到实现提高并网变流器电压同步跟踪能力的目的。并网变流器面临三相不平衡电网的工况时,会产生含有大量谐波的失真电流,使其工作性能恶化,影响其运行安全性。导致电流失真的主要成分是由基波负序电压引起的三次谐波电流。由基波负序电压造成的同步参考系锁相环的输出相角扰动是产生谐波电流的原因之一。通过分析谐波电流产生的机理,基于谐波线性化方法提出的不平衡电网电压下同步参考系锁相环的补偿策略。改进后的锁相环可以在三相电网电压不平衡时正常工作,同时具有良好的动态性能,改善了同步参考系锁相环的输出相角,提高了并网变流器的锁相控制能力,明显减少了并网变流器三次谐波电流的含量,并且没有削弱并网变流器的动态性能,提高了并网变流器的电流控制能力。因此所提出的锁相环补偿策略明显提高了并网变流器的电压跟踪能力,改善了并网变流器的运行安全性。通过逐周期仿真和控制器在环实时仿真实验验证了补偿方法的有效性。
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１．１．３锁相环对并网变流器安全运行存在影响逡逑由于可再生能源发电技术与传统能源发电技术机理的根本不同，并网变流器同步逡逑并网与同步发电机并网也有着较大区别。如图１．１所示，并网变流器的同步并网是实现逡逑新能源接入的关键技术。并网变流器需要通过同步并网装置准确的检测公共连接点处逡逑（Ｐｏｉｎｔ邋ｏｆ邋Ｃｏｍｍｏｎ邋Ｃｏｕｐｌｉｎｇ，邋ＰＣＣ）的电网电压同步信号，即电网基波正序电压的频率、逡逑相位和幅值等信息，才能够将新能源发电装置输出的电能转换为电网能够直接使用的逡逑电能。当同步并网装置提供的并网信息与公共连接点处的信息存在偏差时，严重时可逡逑能导致并网变流器无法正常工作，，同步并网装置的性能优劣会直接影响并网变流器的逡逑性能表现和运行稳定。逡逑Ｉ新能源发逦Ｉ并网变公共连接点ＰＣＣ逡逑电装置逦流器逡逑逦逦逦．邋．逦逦不逦逦廔：‘逡逑．＾＊－２逦同步信息逦公共大电网逡逑光伏阵列风力发电机逡逑图１．丨新能源同步并网原理图逡逑在目前使用较为普遍的同步并网装置或同步信号检测方法中，锁相环的结构相对逡逑简单、实现难度较小，同时具有检测精度较高、动态响应速度较快等优点，能适用于逡逑各种较为复杂的工况，被广泛的应用在并网变流器的同步并网中［３１，３２］。为了适应不同逡逑的系统需求和性能要求

Ａ＼｛ｔ）逡逑图１．２锁相环的基本结构逡逑锁相环是一个闭环的反馈控制系统，其基本结构［７８］如图１．２所示。它包含三个基逡逑本模块，分别是鉴相器（Ｐｈａｓｅ邋Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，邋ＰＤ）、环路滤波器（Ｌｏｏｐ邋ｎｉｔｅｒ，邋ＬＦ）和压控振荡逡逑器（Ｖｏｌｔａｇｅ邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＶＣＯ）。鉴相器的输出信号Ｗｐｄ（0与锁相环的输入信号逡逑ｗ办）和输出信号N希

本文编号：2642058