弱电网下LCL型并网变换器电流控制技术研究

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LCL型并网变换器作为可再生能源发电单元与电网之间的能量变换接口,将直流电转化为高质量的交流电并馈入电网。谐振阻尼和电网谐波抑制是LCL型并网变换器的两大关键问题,解决好这些问题对再生能源发电系统安全、稳定和高效运行具有重要的意义。基于并网电流有源阻尼的控制策略具有成本低、应用简单的特点。弱电网是近年来成为热点问题,较大的电网阻抗会使并网变换器的控制和稳定性变得严峻,影响逆变器有源阻尼策略的有效性和电网谐波抑制能力。现有关于并网电流有源阻尼的研究都是在强电网下考虑的,弱电网下的控制对系统鲁棒性提出新的挑战,因此有必要研究基于并网电流有源阻尼策略在弱网下的适用性。本文研究了弱电网下LCL型并网变换器的有源阻尼和电网谐波抑制策略,主要内容如下:  1、针对采用并网电流反馈有源阻尼的LCL型并网变换器,本文分析了并网电流反馈有源阻尼对和控制延时对系统性能的影响,分析指出:1)并网电流反馈有源阻尼的引入和控制延时的存在,可能给系统环路增益引入不稳定极点,并分析了延时以及并网电流反馈函数参数和等效阻抗的关系,并解释了并网电流有源阻尼失效的物理本质2)采用广义z变换建立离散域模型,获得离散域下有源阻尼环闭环传递函数。在离散域下研究了计算延时变化对系统带宽、相位裕度和稳定性的影响,分析了不同采样频率时有源阻尼环的稳定裕度。指出高采样频率、小计算延时对数字控制系统稳定性起到改善作用。3)提出了一种基于伏秒积平衡的延时补偿策略,对数字控制延时进行了有效地补偿,并通过等效阻抗分析和离散域零极点分析验证了延时补偿的有效性4)在延时补偿基础上设计了适用于弱电网的电流控制器和反馈函数参数。  2、LCL并网变换器输出阻抗的幅值反映了变换器对电网电压引起的并网电流谐波的抑制能力,变换器对电网阻抗变化的鲁棒性取决于电网阻抗与输出阻抗在交截频率处的相位差。为了提高并网电流波形质量和系统鲁棒性,本文分析了基于并网电流有源阻尼控制的LCL并网变换器阻抗特性,指出阻抗表达式具有一对共轭极点,使其幅值曲线有一个尖峰,且相位曲线在尖峰处急剧下降,在弱电网下并网变换器阻抗与电网阻抗有三个交截点,且在其中一个交截点相位差接近180°,极大地降低了系统在该交截频率处抑制谐波的能力。针对此问题提出了一种采用电网电压微分前馈的阻抗校正策略,并通过阻抗分析理论上证明了阻抗校正的有效性。  最后分别在Matlab/Simulink搭建仿真模型和实验室搭建原理样机进行相关验证。仿真和实验结果验证了上述理论分析的正确性和闭环控制参数设计方法的有效性。
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