基于LCL滤波的微网逆变器控制策略研究

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随着新能源的广泛应用,我国分布式发电系统得到了快速发展,由分布式发电系统组成的微电网系统越来越受到世界的关注。基于LCL滤波的微网逆变器控制策略的研究对于保障微电网的安全运行,具有十分重要的工程实际意义,其关键性技术为:抑制LCL滤波器谐振尖峰的控制技术;电网不平衡状态下网侧电流控制技术、电网电压有效值与同步相位检测算法;解决微电网中分布式发电系统无功功率分配不准确问题的无功功率下垂系数校正技术。本文围绕关键技术,对基于LCL滤波器的微网逆变器的控制策略开展理论与实验研究,研究成果可以应用到实际工程中,对微电网的高效运行具有一定的理论指导意义与实用价值。本文分别建立了三相静止坐标系、两相静止坐标系以及两相同步旋转坐标系下的基于LCL滤波的微网逆变器数学模型。基于所建立的数学模型,分析LCL滤波器的谐振特性,并提出抑制谐振尖峰的方法。通过与被动阻尼法比较,分析采用电容支路电流反馈代替连接阻尼电阻的方法和控制策略。针对其控制策略复杂的问题,在详细分析电网侧电流反馈与逆变器侧电流反馈闭环控制系统的内在联系基础上,给出逆变器侧电流反馈等效为电网侧电流反馈加入电容支路电流反馈的有源阻尼的方法即无阻尼控制策略,避免了在电容支路增加电压或电流传感器的问题,同时也简化了微网逆变器控制策略,为后续电网不平衡状态下微网逆变器控制策略的研究提供理论基础。电网不平衡会对微网逆变器网侧电流的控制、电网电压有效值与同步相位的计算与检测产生严重影响,造成逆变器工作异常,严重时损坏逆变器。本文在分析电网不平衡对微网逆变器控制影响的基础上,采用PI控制器加入谐振(R)控制器的方法,调节电压负序分量引起的100Hz交流量静差。由于谐振控制器的加入,使微网逆变器的控制策略复杂化,为了避免增大系统控制复杂程度。本文提出电网电压前馈的控制策略,将电网电压前馈到控制回路中,实现消除电网电压对网侧电流控制的影响,进而消除电压负序分量对网侧电流的影响。电网电压有效值的计算方面,本文提出基于低通滤波器的电压有效值计算方法,该方法只需一个瞬时电压采样值就可以得出电网电压有效值,相对于全周期采样法、导数法以及迭代法更加的便捷,并且适用于电网不平衡状态。电网不平衡对电网电压同步相位的检测具有严重影响,本文提出一种电网基波正序电压的提取方法,运用数学变换方法能够在电网不平衡甚至畸变状态下,提取基波正序分量,从而进行电压同步相位检测控制。该算法通过两次数学变换消除电压负序及谐波分量,得到基波正序电压分量,避免了谐振控制器的加入,减小系统复杂度。对电网不平衡状态下微网逆变器控制策略的研究,为实现微电网具有应对电网电压跌落和系统不平衡的能力的运行要求提供了理论支持。本文通过分析下垂控制的原理,针对下垂控制有功、无功功率不能够完全解耦、无功功率分配不准确等问题,提出微电网逆变器下垂控制系数校正算法,与虚拟阻抗控制算法有机结合,达到有功、无功功率完全解耦提高无功功率分配准确度的效果。仿真结果有效验证这种方法的正确性与可行性。最后,本文研制容量为250kVA的基于LCL滤波的微网逆变器样机,该逆变器采用低通滤波器法计算电网电压有效值,数学变换方法获取电网电压同步相位,并且运用电压前馈控制与无阻尼控制相结合的控制策略,实现无功功率补偿、黑启动、联网运行模式切换到孤岛运行模式、根据用户需求对储能器件蓄电池进行恒功率、恒电压、恒电流多种策略充放电、电网不平衡时对网侧电流有效控制等功能。在所研制样机的基础上,进行多种工况的实验研究,实验结果证明了本文所提微网逆变器控制策略的有效性与正确性。
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