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光储微电网变换器的阻抗重构方法及稳定性分析

杨苓  
【摘要】:光储微电网的推广应用是确保我国能源可持续发展战略实施的有效途径之一,光伏发电具有随机性、波动性和间歇性等特点,大规模接入时会给电网的安全稳定运行带来挑战。通过配置适量的储能系统,对光伏发电的输出功率进行调节,改善光伏发电出力的可控性与可调度性,提升光伏发电接入电网的穿透率。本文在国家自然科学基金项目“微网多逆变器并联谐振与环流抑制理论研究”[51577056]和国家重点研发计划项目“可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制技术”[2017YFB0902000]以及国家电网公司科技项目“电力电子变换器接入直流电网的惯性控制方法与端口稳定性研究”[SGZJ0000KXJS1700510]的经费资助下,得到国家电能变换与控制工程技术研究中心的支持,围绕基于交直流混合母线的光储微电网中的研究热点及难点问题开展研究:在直流母线侧,当储能系统接单相逆变器负载时,由于单相逆变器的瞬时输出功率以两倍输出电压频率脉动,导致蓄电池等输入源和储能变换器产生二次纹波电流。同时,并联储能变换器的等效输出阻抗不相等,导致在储能变换器之间形成环流,不利于直流母线的稳定运行。在交流母线侧,由于电网阻抗的存在,逆变器与电网之间存在阻抗耦合并会形成阻抗网络,在谐波源激励下可能会引起阻抗网络内部的谐波电流被放大,使得交流母线的电能质量备受影响,对交流母线的稳定运行构成威胁。因此,迫切需要确保基于交直流混合母线的光储微电网能够稳定运行。通过上述分析,总结归纳出影响光储微电网稳定运行的关键问题大致分为:储能变换器的二次纹波电流抑制、储能变换器的环流控制、光伏并网逆变器的小扰动建模及稳定性和光伏并网逆变器的谐波振荡抑制。这四类关键问题引起了工业界和学术界的关注,并形成研究热点。为此,本文提出了有效的阻抗重构方法解决这四类关键问题,提高系统的稳定性。具体工作及创新体现在:(1)对于储能变换器的二次纹波电流抑制以及环流控制问题,提出了储能变换器的两带通滤波器二次纹波电流抑制与均分阻抗重构方法。首先建立了多储能变换器系统模型,对储能变换器并联的环流和二次纹波电流的产生机理进行分析。其次提出了串联微调虚拟电阻的自适应下垂控制方法,减少了储能变换器间输出电压的偏差,并抑制了环流。然后提出了基于阻抗重构的储能变换器的两带通滤波器二次纹波电流抑制方法,解决了传统电压电流双闭环控制中因限制外环电压的截止频率引起的动态响应速度慢的问题,并增强了二次纹波电流抑制效果。之后给出了储能变换器的控制参数设计和稳定性分析。最后仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。(2)对于光伏并网逆变器的小扰动建模及稳定性的问题,提出了考虑锁相环影响的光伏并网逆变器相角补偿阻抗重构方法。首先将系统dq坐标系下变量通过旋转矩阵变换到控制dq坐标系,得到双dq坐标系之间的交互关系,建立考虑锁相环影响的三相LCL型并网逆变器的导纳模型。其次深入研究并网逆变器的输出导纳特性,分析锁相环、电网阻抗和LCL滤波器参数在系统dq坐标系下对系统稳定性的影响。然后提出了一种考虑锁相环影响的三相并网系统相角补偿阻抗重构方法,解决了因锁相环带宽较大引起的系统不稳定问题,并保证了系统的动态响应速度。该方法通过公共耦合点电压前馈来改变并网逆变器的输出导纳,维持了并网逆变器的输出导纳在系统截止频率处幅值基本不变,并增大了系统的相角裕度。之后给出了该方法的具体实现与参数设计方法,分析相角补偿前后系统的稳定性。最后仿真和实验验证了理论分析和所提方法的正确性。(3)对于光伏并网逆变器的谐波振荡抑制的问题,提出了基于阻抗重构的光伏并网逆变器的两带阻滤波器谐波振荡抑制方法。首先分析了多逆变器并网系统的高频振荡机理。其次从逆变器输出阻抗的角度出发,指出逆变器输出阻抗在振荡频率处应设计得较高,而在其它频率处应设计得较低是实现振荡抑制的基本方法。为实现所提出的基本方法,需要增加与原逆变器输出阻抗并联和串联的两个虚拟阻抗。然后提出了一种多机并联的两带阻滤波器高频振荡抑制方法,提高了系统的整体阻尼。该方法在公共耦合点电压前馈和网侧电感电流反馈中引入带阻滤波器来达到并串联虚拟阻抗的目的,引入带阻滤波器的公共耦合点电压前馈相当于并联虚拟阻抗,使得大部分高频谐波电流流入阻抗相对较低的并联虚拟阻抗支路,避免了高频振荡现象发生;引入带阻滤波器的网侧电感电流反馈相当于串联虚拟阻抗,使得大部分基频电流流入阻抗相对较低的电网,改善了并网电流的电能质量。之后对比分析了在两种情况下多逆变器系统接入弱电网的稳定性。最后仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。(4)搭建了基于交直流混合母线的光储微电网的实验平台,首先给出了实验平台的主电路整体拓扑结构。其次详细设计了光伏发电系统、储能系统和DC/AC变换器等实验装置。然后对实验平台进行整体的性能测试,主要包括直流母线侧的协调控制和交流母线侧的电能质量测试。最后测试结果表明:在直流母线侧,变换器能够协调控制,维持直流母线电压的恒定,确保直流母线的稳定运行。在交流母线侧,并网电流与并网电压能够实现相位的同步,确保并网功率因数接近单位功率因数,也满足对并网电流总谐波畸变率低于5%的要求。本文以基于交直流混合母线的光储微电网中的关键科学技术难题为研究背景,从储能变换器的二次纹波电流抑制、储能变换器的环流控制、光伏并网逆变器的小扰动建模及稳定性和光伏并网逆变器的谐波振荡抑制等多个方面,深入研究了光储微电网变换器的阻抗重构控制的相关理论和方法。研究内容涵盖了问题机理、控制方法、参数设计以及稳定性分析等方面,形成了较为完善的光储微电网变换器的理论分析方法和阻抗重构控制技术方案。


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