多功能并网逆变器若干关键技术的研究

发布时间：2020-06-18 14:46

【摘要】：随着化石能源的日益紧缺,及其带来的环境问题不断加剧,光伏、风电等清洁能源受到了越来越多的关注。作为新能源并网的关键设备,并网逆变器的控制技术已得到了长足的发展。随着电力电子器件性能的不断提升,控制器计算能力的不断加强,人们已经不满足于控制并网逆变器单纯向电网注入基波正弦有功电流,进而转向多功能并网逆变器的研究。多功能并网逆变器理论上可以在宽频域范围内,为电网提供辅助服务,这样就可以避免使用专用的设备,同时有助于电网的稳定、高质量运行,降低了成本。本文围绕基波和百Hz频域范围的无功电流、三相不平衡电流和低次谐波电流补偿的电能质量治理,以及在0.1～2.5Hz频域范围功率控制,模拟同步发电机摇摆方程为电网提供虚拟惯性支撑,两方面展开了研究,对多功能并网逆变器辅助功能实现的若干关键技术问题进行了探讨。首先,从理论分析的角度对多功能并网逆变器不同功能进行分析讨论。建立了并网逆变器的数学模型,并对其控制策略进行了分析,从电流环直接控制到电压环、功率外环控制介绍了逆变器的控制思路。分析了电流质量治理、电压质量治理型多功能并网逆变器在电压、阻抗、电流控制环中的统一控制模型。对具有虚拟惯量功能的多功能并网逆变器的物理特征进行了分析,指出虚拟惯量主要体现在功率外环的控制中,接着对下垂控制和虚拟同步发电机控制作了对比,然后介绍了几种常见的虚拟同步发电机控制的实现方法,为全文的分析提供了理论基础。然后,重点关注了电流质量治理型多功能并网逆变器的具体实现方法,以及多目标优化问题。考虑到单台并网逆变器有限的装机容量,协调发电和电能质量治理所需的容量使其效益最高是值得关注的问题。结合一种基于突变决策理论的综合电能评估方法,兼顾并网逆变器有限的装机容量,提出一种多目标最优的控制策略,即尽量同时满足综合电能指标最优、补偿容量最小两个优化目标的控制方案。在谐波电流检测方面,为了更好地配合电能质量各指标分开管理,采用了一种基于FBD功率理论的谐波、无功电流检测方案,并给出了详细的理论分析和实现方法。在多目标优化问题上,给出了基于Pareto优化理论的求解思路。从三相组式、三相两电平两种拓扑结构的角度,分析了多目标优化的问题,仿真和实验的结果证明了所提方案的可行性。接着,探讨了多台并联的多功能并网逆变器补偿容量合理分配的方法。针对多台并联的多功能并网逆变器协同合作共同改善并网点电流质量的问题,选择了分层的多机并联管理结构,将逆变器的本地控制器分成了跟踪层、补偿层、通讯层,对每层的功能和实现方法都给出了详细的设计过程。逆变器仅通过与邻近的逆变器进行通讯,实现了有限时间平均一致性的分布式控制,使每台多功能并网逆变器在没有中央控制器的情况下,能够按照剩余容量合理分配待补偿的电流。在限幅控制上,配合制定次谐波补偿的方案,选择了一种优先补偿指标最差谐波的控制原则。利用MATLAB搭建了多机并联的仿真模型,并且从多种不同的工况验证了所提分散式分层控制的冗余性、有效性。最后,对多功能并网逆变器的虚拟惯量功能进行了分析与改进。详细分析了虚拟同步发电机的数学模型、并联运行时的功率分摊特性、离并网切换过程等控制方法。推导了虚拟同步发电机的小信号模型,讨论不同的惯量、阻尼与逆变器功率输出之间的关系,给出了各项关键控制参数的取值方法。通过分析同步发电机功率变化暂态过程与转子惯量之间的关系,指出暂态过程按照频率、有功功率的变化趋势可分为不同区间并设定相应的转子惯量。充分利用多功能并网逆变器控制器的灵活性,给出了一种虚拟惯量自适应调节的方案,并给出了参数设计的具体方法,改善了虚拟同步发电机在暂态过程中的特性,实验结果显示有功功率和虚拟角频率的振荡峰值同时得到了抑制。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM464
【图文】：

并网发电,新能源,并网逆变器

一般情况下，并网逆变器按照结构特点可以分为单级结构和多级结构两种类型。由于逆变逡逑器的级数和逆变器系统效率、成本等有密切的关系，通常并网逆变器最多含有两级结构，逡逑如图１．２所示。图中最左侧列出了几种常见的分布式电源，接着是两级的并网逆变器，由逡逑？逡逑

虚拟同步,研究方向,发电机

逦１料逡逑术方向得到了深入地研究，如图１．７所示，接下来以不同的研究方向分析虚拟同步发电逡逑机技术的现状。逡逑微电源邋储能邋逆栙逡逑＾￣￣￣Ｖ－逦１—．逦ｒ７邋并网开关逡逑Ｓ邋＇逡逑W逦—邋Ｉ逦逦；［ｒ逦＿逡逑逦＾－ｆｐ—Ｍ逦Ｊ邋：参数设计：逦：频率同步控制ｉ逡逑：储能单兀设计：Ｗ邋ＡＬｋ逦虚‘同；Ｌ＿邋Ｐ邋，逦逦逡逑＇逦逦邋ＶＷ＼）邋ｒ￣发电机理论—ｑ谐振抑制：逡逑调制逦逦逡逑图１．７虚拟同步发电机研究方向逡逑１．参数设计逡逑逆变器为了模拟同步发电机的外特性，需要在控制回路中对有功调频系数、无功调压逡逑系数、虚拟转动惯量和阻尼４个关键参数进行精心设计。其中有功调频系数、无功调压系逡逑数主要由所接入的电网决定（电网允许的最大频率和电压幅值的偏差），在后文中会有详逡逑细的介绍。所以在参数设计方面，主要考虑的还是虚拟转动惯量和阻尼系数的设计与系统逡逑稳定之间的关系。文献［８８］从小信号模型的角度出发，建立了并网、离网两种工作模式下逡逑虚拟同步发电机的小信号模型，根据状态矩阵特征值及灵敏度计算，从影响系统稳定性的逡逑角度进行参数设计。文献［８９］通过对有功功率、无功功率线性模型的建立，构建了传递函逡逑数

【参考文献】