基于虚拟阻抗的并网变流器并联控制策略的研究
发布时间：2020-08-04 17:23
【摘要】：微电网作为清洁的可再生能源的一种并网应用方式，由于其对区域供电和新能源消纳等问题提供了新思路，目前正在被广泛而深入的研究。作为清洁能源并网接口的并网变流器，通常采用下垂控制来为孤岛运行的微电网提供电压支撑、实现并联变流器之间无通信同步和按容量比例分配负荷、电源的“即插即用”等功能。然而由于微电网的弱电网特性，变流器并网线路较大的阻感比会导致变流器输出功率不能近似解耦，从而影响其下垂控制的精度。另外变流器并网线路阻抗的不确定性还会导致变流器之间分担的无功负荷不按设备容量比例，甚至会在变流器间出现较大无功环流。本课题为了克服上述问题，对传统下垂控制进行了改进。首先建立了变流器的主电路和控制部分的数学模型，并设计了下垂控制以及电压电流双环控制器的参数。基于所建立的并网变流器的系统模型，分析出了导致输出功率不能近似解耦、变流器间存在无功环流以及无功负荷不能按容量分配的原因，分别为：变流器线路阻抗阻性成分较大，总阻抗值与设备容量不匹配。针对这些原因，在变流器的控制环路中引入虚拟阻抗，并建立了包含变流器输出阻抗、线路阻抗以及虚拟阻抗的系统阻抗模型。通过合理设计虚拟阻抗完成对变流器的系统阻抗频率特性补偿，使系统阻抗能同时满足功率解耦、抑制无功环流和改善无功分配精度的要求。此外，针对虚拟阻抗会导致的变流器输出电压的幅值跌落，又在改进下垂控制中加入电压频率和幅值的调整环节，使变流器的输出电压符合电网要求。在Matlab/Simulink下搭建仿真模型对所提改进下垂控制策略进行仿真验证。搭建基于TMS320F28335控制器的三相电压源变流器并联实验平台，对该控制策略完成实验验证。仿真和实验结果都证明了本文给出的基于虚拟阻抗的改进下垂控制的有效性。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：
西安理工大学工程硕士专业学位论文根据图 2-6 可以得出电流控制环的开环传递函数如下：1 13 2)(()pwm p pwm iif f fkfK K s K KG sL Ts +L R T s R s=+ ++（2-13）在实际工程中，根据电流控制环开环传递函数频率特性的穿越频率和相位裕度确定合适的 PI 参数。如图 2-7 所示，采用控制变量法，分别绘制电流 PI 控制器比例系数 Kp1与积分系数 Ki1取不同值时对应的系统开环传递函数频率特性。当 Kp1分别取 5，10，15，20 与 25，随着系数增大：穿越频率变大，幅频特性在高频段轻微上移，但处于 0dB线以下；相频特性下移，相位裕度减小，但仍然大于 45°，因此最后取 Kp1=20。Ki1分别取 50，100，150，200 与 250，随着系数增大：只有低频段幅频特性上移，有利于消除静差，中频段与高频段不受影响，因此最后取 Ki1=200。
图 2-8 电流控制环开环传递函数 Bode 图-8 The Bode plot for open-loop transfer function of current contr环参数选取流器控制框图可以得出电压控制环的结构框图如图 2=Kp2+Ki2/s，1/ Cfs 为滤波电容等效传递函数，滤波电相同。+G2(s) G1(s)Rf +Lf s1C+__iLuuiLKpwm1+T s图 2-9 电压控制环结构框图Fig.2-9 The block diagram of voltage control loop图可以得出电压控制环的开环传递函数如下：21 2 1 2 2 1 1 25 4 3 1 ( )( ) ( ) ( pwm p p pwm i p i p pwm i if f f f f f f pwm p f pwmK K K s K K K K K s K K Ks C L C R T s T C R C K K s C K + + ++ + + + + +
(a)比例系数 (b)积分系数图 2-10 比例系数与积分系数对变流器电压控制环开环传函特性的影响Fig.2-10 The influence of proportional and integral coefficient on the open-loop transfer characteristics of theconverter voltage control loop如图 2-11 所示，分别取电压 PI 控制器中的比例项 Kp2=0.1，积分项 Ki1=250。引入电压 PI 控制器后，低频段幅频特性上移，利于消除静差，高频段幅频特性下移，利于减小高频干扰。系统穿越频率由 1000Hz 减小至 300Hz，小于电流控制环 800Hz，使得内环带宽大于外环，同时相位裕度为 65°，提高了系统稳定性。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：
西安理工大学工程硕士专业学位论文根据图 2-6 可以得出电流控制环的开环传递函数如下：1 13 2)(()pwm p pwm iif f fkfK K s K KG sL Ts +L R T s R s=+ ++（2-13）在实际工程中，根据电流控制环开环传递函数频率特性的穿越频率和相位裕度确定合适的 PI 参数。如图 2-7 所示，采用控制变量法，分别绘制电流 PI 控制器比例系数 Kp1与积分系数 Ki1取不同值时对应的系统开环传递函数频率特性。当 Kp1分别取 5，10，15，20 与 25，随着系数增大：穿越频率变大，幅频特性在高频段轻微上移，但处于 0dB线以下；相频特性下移，相位裕度减小，但仍然大于 45°，因此最后取 Kp1=20。Ki1分别取 50，100，150，200 与 250，随着系数增大：只有低频段幅频特性上移，有利于消除静差，中频段与高频段不受影响，因此最后取 Ki1=200。
图 2-8 电流控制环开环传递函数 Bode 图-8 The Bode plot for open-loop transfer function of current contr环参数选取流器控制框图可以得出电压控制环的结构框图如图 2=Kp2+Ki2/s，1/ Cfs 为滤波电容等效传递函数，滤波电相同。+G2(s) G1(s)Rf +Lf s1C+__iLuuiLKpwm1+T s图 2-9 电压控制环结构框图Fig.2-9 The block diagram of voltage control loop图可以得出电压控制环的开环传递函数如下：21 2 1 2 2 1 1 25 4 3 1 ( )( ) ( ) ( pwm p p pwm i p i p pwm i if f f f f f f pwm p f pwmK K K s K K K K K s K K Ks C L C R T s T C R C K K s C K + + ++ + + + + +
(a)比例系数 (b)积分系数图 2-10 比例系数与积分系数对变流器电压控制环开环传函特性的影响Fig.2-10 The influence of proportional and integral coefficient on the open-loop transfer characteristics of theconverter voltage control loop如图 2-11 所示，分别取电压 PI 控制器中的比例项 Kp2=0.1，积分项 Ki1=250。引入电压 PI 控制器后，低频段幅频特性上移，利于消除静差，高频段幅频特性下移，利于减小高频干扰。系统穿越频率由 1000Hz 减小至 300Hz，小于电流控制环 800Hz，使得内环带宽大于外环，同时相位裕度为 65°，提高了系统稳定性。
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4 张鹏;罗t
本文编号：2780853
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