电网不平衡情况下并网逆变器多目标优化控制研究

发布时间：2020-09-04 18:37

　　随着我国在清洁能源如太阳能、风能等发电领域的大力支持和投入,人们对并网逆变器的适应性和和稳定性提出了更高的要求。合理的并网逆变器控制策略是将这些清洁能源送入电网的前提。理想情况下,电网都处于平衡状态,但是由于负载或者系统参数设定等原因,电网不平衡也会发生。在电网不平衡情况下,传统的控制策略会导致逆变器输出三相电流不平衡,输出有功功率和无功功率发生波动。由此可见,传统的控制策略已不再适用于电网不平衡的情况。在电网不平衡情况下,不平衡电压和电流可以表示为正负序分量之和。为了实现正负序的分离,论文对陷波法、延时法和二阶广义积分法等几种正负序分离方法进行理论分析和仿真对比,最后采用了二阶广义积分法对不平衡电量进行正负序分离。接着,论文以并网逆变器为研究对象,利用分离出的电网电压的正负序分量得到电网电压不平衡度和电网相位,为后续并网逆变器控制策略提供了基础。通过对逆变器瞬时功率分析,得到实现逆变器输出三相电流平衡、抑制有功功率波动和抑制无功功率波动目标下的参考电流表达式,然后引入优化因子得到统一参考电流表达式,最后构造出含优化因子的多目标函数。针对多目标函数寻优,论文介绍了遗传算法和果蝇算法,通过仿真对比分析得出果蝇算法在精度、收敛速度和算法实现的难易程度上优于遗传算法。最后,在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型,重点对电网不平衡对锁相环和功率控制所产生的影响、正负序分离方案、并网逆变器3种不同控制目标以及不同目标之间的协调控制、寻优算法对多目标优化函数寻优环节以及基于果蝇算法的并网逆变器多目标优化控制策略环节进行验证。同时基于仿真模型搭建了一台三相并网逆变器实验平台,在实验平台上对文中所提控制策略的正确性和可行性进行验证。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O231;TM464
【部分图文】：

波形图,直流分量,不平衡,电网

q dqQ e -ei 2.4 电网不平衡对并网逆变器控制策略的影响根据三相电压表达式（2.12）与正负序 3s/2r 转换矩阵式（2.17）（2.18），进一步化简得到电网不平衡时dq 坐标系下的表达式：3 cos( ) 3cos(2 )2 sin( ) 2sin(2 )dm mqe tE Ee t （2.22）由式（2.22）可知，在电网不平衡时，电网电压按照正序方向转换到正序同步旋转坐标系中时，正序分量变换为直流常量，而负序分量则表现为二倍频率谐波。所以综合来看，de、qe 分量均为在直流分量上叠加上一定的二倍频的正余弦波动。图 2.9 为在 MATLAB/Simulink 环境下仿真得到的基于dq坐标系的电压直流分量波形图。

波形图,锁相,不平衡,电网

2.4.1 电网不平衡对锁相器的影响由上述分析可知，当电网不平衡时，de、qe 分量均为在直流分量上叠加上一定的二倍频的正余弦波动。根据软件锁相器的原理可知，波动的将导致锁相器的波动，无法准确跟踪电网相位与频率。如图 2.10 是仿真所得到的锁相频率波形图。从图中可以看出，在 0.2s 前电网处于平衡状态时，锁相频率为 50Hz，无明显波动；在 0.2s-0.4s 时，A 相电压跌落为 0.5pu ，电网出现不平衡，锁相频率出现较大幅度的波动，波动频率为二倍电网电压基准频率，与图 2.8 的波动频率一致；在 0.4-0.5s 时，电网电压变为 0.8pu，由图 2.8 可知，此时的波动相对 0.5pu 的电网不平衡时变小，也直接导致锁相频率波动幅值有所下降，波动频率仍与一致，也是二倍电网电压基准频率。由此可知，锁相器输出的锁相频率为电网电压的基准频率上叠加一个100Hz 的波动，其波动频率和波动大小与的波动呈现一致性，故电网电压的不平衡会直接导致锁相的不准确。

波形图,电网,不平衡,无功功率

锁相频率/Hz 稳定（50）有波动（波动幅值为 0.8，波动频率为二倍电网电压基准频率）有波动（波动幅值为 0.35，波动频率为二倍电网电压基准频率）2.4.2 电网不平衡对恒功率控制的影响根据 2.3.2 小节的恒功率控制原理，在功率控制模块中，因输入的de、qe会含有两倍频波动将直接导致电流参考值也存在二倍频波动，同时，在电流控制模块中， PI控制器也无法实现对输入的二倍频波动的正弦信号的无静差控制，所以基于电网平衡时的恒功率控制策略也将不再适用电网不平衡情况。图 2.11 为仿真所得到的电网不平衡时有功功率 P 和无功功率 Q 的波形图，电网情况和图 2.9 的相同。由图中可以看出，在电网平衡时，PQ 都处于平衡状态，分别为 P=5000W，Q=0Var；在 0.2s-0.4s 时，随着电网发生不平衡，PQ 也都发生了较大幅度的波动，波动频率为二倍电网电压基准频率；在 0.4s-0.5s 时，电网仍处于不平衡，但因为波动相对 0.2s-0.4s 时变小，所以导致 PQ 波动幅度变小，可波动频率仍为二倍电网电压基准频率。

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