LCL型并网逆变器控制策略研究与优化

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近年来,风能、太阳能等清洁能源由于其可再生性和环境友好性而被大规模开发和并网利用。逆变器是清洁能源分布式发电系统并网的关键环节。其中,并网电流总谐波失真和并网功率因数是衡量并网发电质量的重要指标。由于分布式发电系统的广泛分布和配电网端使用大量非线性负载,导致电网电压含有大量的背景谐波和电网内阻抗无法忽略,使得电网呈现弱电网特性。因此,并网逆变器的鲁棒性对配电网的电能质量和稳定运行起着至关重要的作用。针对LCL型并网逆变器,研究其谐振阻尼策略以及电网电压背景谐波抑制的方法,讨论了弱电网下谐波抑制策略的电网阻抗适应性。在工程上本文提出改进型电容电流补偿控制策略来消除谐波对并网电流的影响;改进型带有相位补偿功能的比例谐振控制器,提高了对弱电网阻抗的适应性。针对LCL滤波器固有谐振问题,分析了LCL型滤波器谐振的根本原因,探讨了无源阻尼谐振抑制技术和有源阻尼谐振抑制技术。对电压源型LCL并网逆变器的功率控制实质上就是对并网电流进行控制,深入研究了基于同步旋转坐标系下PID控制和自然坐标系PR控制能够无静差跟踪指令电流信号的物理本质。通过推导闭环特征方程证明逆变器侧电流控制的光伏逆变系统具有良好的稳定性;通过框图变换发现采用逆变器侧电流控制在理想电网条件下可以等效为内环采用电容电流负反馈来抑制谐振LCL滤波器谐振峰以及外环采用并网电流来提高电流质量的双闭环控制方案从而证明其经济性。通过框图变换和公式推导出电网电压背景谐波对并网电流的影响,利用电网电压前馈校正方案来消除背景谐波的影响。但是在考虑电网内阻抗的弱电网下,比例+一次微分电压前馈控制策略失效的根本原因是电压前馈不仅引入电网电压来消除背景谐波对并网电流的影响,而且也额外引入了并网电流正反馈通道从而导致并网电流含有大量谐波。在考虑电网内阻抗的弱电网下可以通过提高电流控制器在谐波频率处的增益来消除背景谐波对并网电流的影响并对电网内阻抗具有一定的适应性。工程上常采用通过逆变器侧电流来控制并网逆变器提高系统的稳定性和降低产品的成本。但是通过谐波阻抗分析发现在谐振频率处:电网电压背景谐波通过电网内阻抗Lg、网侧电感L2以及滤波电容器C构成谐波电流回路,而带有谐波补偿功能比例谐振控制器无法获得谐波电流信息以至于并网电流含有大量的谐波电流。改进型电容电流补偿控制策略可等效为采用比例控制去控制逆变器侧电流和采用谐振控制器控制并网侧电流,达到维持逆变器侧本身固有的系统稳定性和消除背景谐波对并网电流影响的目的。通过对谐振控制器在7次、9次、11次及13次谐振频率处进行适当的相位补偿,从而改善了系统对弱电网阻抗的适应性以及提高了并网电流质量。
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