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船舶并网逆变器功率控制策略研究

侯星星  
【摘要】:随着船舶业的发展,船舶新能源化已成为必然趋势。船舶新能源并网系统中存在大量感性负载和电力电子装置,需要充足的无功功率来保证船舶电网的电能质量。目前多采用无功补偿装置进行无功补偿,但这种方式具有成本高和占地大等不足。针对这一问题,研究无功补偿装置工作原理,发现并网逆变器与无功补偿装置结构相近,而且并网逆变器直接影响到并网电能质量,所以提出利用并网逆变器的冗余容量补偿无功,在节约成本的同时满足船舶负载对无功功率的需求。为了提高并网逆变器控制性能,有必要研究其功率控制策略,使其输出符合要求的功率。首先,采用PI控制器和直接电流法控制并网逆变器,以对目标电流的瞬态跟踪实现控制目标,具有较高的动态性和控制精度。利用瞬时无功功率理论检测负载无功电流,将其作为逆变器并网电流指令,控制逆变器输出无功。进行仿真实验,结果表明该控制策略在理想电网下具有较好的控制效果,但是在负载突变和电网电压不平衡时控制性能变差,需要进一步优化。其次,为了提高并网逆变器在负载突变时的抗干扰性,考虑到船舶电力系统的非线性和复杂多变性,采用具有非线性和不变性特点的滑模变结构控制策略。该控制策略存在固定的滑动模态,外界干扰时也能保证系统运行于固定的状态,提高系统鲁棒性。针对滑模控制本身的不连续性引起的抖振,采用自适应补偿项对其削弱,设计自适应滑模控制器。进行负载突变工况下的仿真实验,结果表明设计的自适应滑模控制器提高了船舶并网系统的抗干扰性,且抖振现象不明显,具有良好的鲁棒性和稳定性。最后,针对船舶电网不平衡时电压会出现负序分量和扰动量的问题,为保证并网逆变器无功补偿的效果,首先研究如何消除电压扰动量,确定采用电网电压全前馈控制策略。再分析并网逆变器输出的瞬时功率特性,研究输出电流和输出功率之间的关系,最后提出通过改变并网电流指令中负序分量的比重,利用不同的指令电流来协调控制逆变器并网电流、有功功率和无功功率的方法。进行电网电压不平衡的仿真实验,结果表明设计的协调控制策略可以在电压不平衡情况下保持逆变器并网电流、有功和无功平衡,实现协调控制。


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