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单相VSI-BPD闭环功率解耦控制及有功/无功功率控制研究

耿志鹏  
【摘要】:单相逆变器作为小型分布式发电系统主要拓扑结构,常用来实现太阳能发电、储能单元和燃料电池等直流电源与交流母线之间的能量交换。然而单相逆变器系统中固有的二倍工频脉动功率问题,不仅依赖于可靠性低的电解电容,更影响着直流分布式电源和储能单元的工作效率和寿命,因此需要通过功率解耦技术解决这一问题。同时随着可再生能源(光伏发电、风力发电等)的大量接入电网,现在各国对小功率分布式发电系统要求有灵活的有功、无功功率控制。本文在课题组所提出的一种新型的单相功率解耦逆变器拓扑(Single-Phase Voltage Source Inverter with Voltage-Boosting and Power Decoupling Capabilities,单相VSI-BPD)基础上,围绕功率解耦控制和有功/无功功率控制进行研究,主要研究内容和创新点在于:1.以单相VSI-BPD拓扑为研究对象,分析了单相VSI-BPD拓扑的功率解耦控制机理;并对附加功率解耦电路中电感和功率解耦电容、滤波器中滤波电容和滤波电感进行参数设计,为后续针对闭环功率解耦控制及逆变器控制研究奠定基础;最后,基于RTLAB硬件在环半实物仿真平台,搭建了该拓扑开环带载仿真模型,通过硬件在环仿真验证了该拓扑升压和功率解耦功能。2.分析了功率解耦电路中电感存在串联电阻和功率解耦电容容值参数漂移时,对功率解耦效果影响;针对单相VSI-BPD拓扑功率解耦控制存在的问题,提出了一种闭环功率解耦控制策略,并基于PSIM仿真环境,搭建了仿真模型。仿真结果表明:在无闭环功率解耦控制策略时,直流侧电流含有二倍工频成分较大,且纹波比为30%;加入闭环功率解耦控制策略时,直流侧电流含有二倍工频成分明显减少,且纹波比降低至5%。因此所提闭环功率解耦控制策略可明显提高单相VSI-BPD拓扑功率解耦效果。3.针对单相VSI-BPD拓扑逆变器控制存在的问题,如:不易于实现对有功功率和无功功率的独立控制,和比例谐振控制器在实际场景下不易实现等问题,本文提出了适应于单相VSI-BPD拓扑的一种单相d-q变换的PI控制器逆变器控制策略;随后介绍了单相逆变器构造正交量的几种方法;且分别建立了单相逆变器在静止坐标系和同步旋转坐标系下数学模型;本文所提出的逆变器控制策略,不仅可实现对单相VSI-BPD拓扑有功功率和无功功率的独立控制,还可用易于实现的传统PI控制器代替比例谐振控制器。4.分析了功率解耦控制策略与逆变器无功功率控制关系,以及功率解耦电容容值与功率因数的关系,得出了同时满足功率解耦控制和无功控制需求,非单位功率因数下功率解耦电容容值的取值范围,为系统参数的优化设计提供了理论依据。5.在PSIM11.0仿真环境下搭建仿真模型,对所提出的控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明:单相VSI-BPD拓扑在实现功率解耦功能的前提下,可以同时完成对电网的有功/无功功率输出。


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