弱电网下LCL型并网逆变器的电流控制技术研究

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分布式发电技术因其绿色、环保优点,已逐渐成为大规模开发、利用可再生能源的主要方式之一。并网逆变器作为分布式发电单元与电网的能量转接口,起到分布式能源与电网之间的能量传递作用,其稳定、高效运行对分布式发电并网系统乃至电网而言都具有重大意义。然而,随着分布式发电系统的大规模并网,实际电网已不能视为强电网,而为弱电网。弱电网中的非理想因素使得并网逆变器与弱电网之间存在不可忽略的动态交互作用,严重威胁分布式发电并网系统的安全、高质量运行。为此,本文以单相LCL型并网逆变器为研究对象,对其在弱电网下的电流控制技术进行深入的研究,以有效提升并网逆变器的稳定性和电能质量,进而确保分布式发电并网系统的可靠运行。加权平均电流控制因其环路降阶特性而得到了广泛的应用。传统的加权平均电流控制方法通常对逆变器侧电流和网侧电流的加权平均电流进行反馈控制,从而使并网逆变器的控制系统由三阶降低为一阶,并有效增强逆变器对弱电网的适应能力。然而,传统加权平均电流控制方法并未充分考虑数字控制延时对并网逆变器系统造成的影响。本文分析表明,数字控制延时引入的相位滞后导致传统加权平均电流控制方法不再具备环路降阶特性,而使得环路增益中出现一个随电网阻抗变化的反向谐振峰,使并网系统存在失稳的风险。为此,本文提出一种基于超前补偿器的高鲁棒性加权平均电流控制策略并给出相应补偿器参数的设计方法。该策略通过电压前馈通道中引入的超前补偿器来补偿失稳频率范围内的相位滞后,以此来实现控制环路的降阶并确保并网系统的稳定性。研制了一台3kW的单相LCL型并网逆变器样机用于实验测试,对比分析和样机实验结果证明了所提控制策略的有效性。电流双环控制是一类以并网电流为直接控制目标的电流精确控制策略。在采用电流双环控制结构的并网逆变器系统中,通常采用PCC电压前馈策略来抑制由PCC电压谐波引起的并网电流畸变,从而满足并网谐波标准。然而在弱电网下,由于电网阻抗的影响,PCC电压前馈引入的并网电流正反馈环会大幅降低并网系统的鲁棒性,造成系统谐振或不稳定。为此,本文提出一种分频段虚拟阻抗校正控制策略。该策略通过对并网逆变器输出阻抗的不同频率段予以不同增益的校正,使并网逆变器可以同时兼顾对并网电流谐波分量的抑制能力和对电网阻抗的适应能力,其基本校正原理、相应参数的设计规则和可应用范围也一并进行了详细的展开。所搭建的3kW单相LCL型逆变器并网平台充分验证了所提分频段阻抗校正方法的有效性。数字控制方式引入的延时会改变并网逆变器系统的控制特性,降低系统的鲁棒性。此外,控制延时会导致相位滞后,造成控制环路的带宽和低频增益受到限制,影响并网逆变器系统的控制性能。为此,本文提出一种基于影子装载和脉宽等效的控制延时补偿策略。通过对采样和装载模式的修改,该策略能有效补偿控制延时并且不存在可靠性差、应用范围受限等问题。此外,该方法改善了传统延时补偿策略占空比变化受限的问题,具有更优的暂态过渡性能且允许半个开关周期的控制算法执行时间,相较于传统策略更易于在实际工程中应用。性能对比分析和并网平台实验结果证明了所提延时补偿策略的有效性。
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