微网大功率储能变流器关键技术研究

【摘要】：因为能源紧缺和环境污染,微网得到了广泛的关注。微网中各种分布式电源(Distributed Generators,DGs)接受微网控制作为发电设备运行,而大功率储能变流器(Energy Storage Converter,ESC)作为微网中特殊的DGs,需要具备以下功能:利用储能设备,平抑间歇式电源输出功率波动和改善电能质量;离网模式下为微网内的DGs和负载建立稳定的交流母线电压;当电网出现故障时,具备基本的保护功能。而在实际应用中存在如下问题和挑战:大功率储能变流器输出电流谐波导致微网内电能质量变差;储能变流器并联运行时输出功率存在分配不均产生环流影响系统效率和稳定性;当发生孤岛保护、低电压穿越和高电压穿越等情况时,储能变流器对微网的支撑控制能力差;微网中多电平变流器因中点电位波动导致输出电压谐波畸变,严重影响了系统稳定性。大功率储能变流器的这些问题限制了微网的应用和推广,本文以微网大功率储能变流器为研究对象,对储能变流器控制技术的关键问题展开研究,主要工作内容为:1.讨论了微网的控制结构,总结了储能变流器的基本控制方法和关键问题。研究了储能变流器平抑间歇式能源功率波动,通过分析微网的运行特点,设计了微网能量管理系统和储能变流器功率控制策略。将上述研究内容应用在一个主从结构的微网示范工程,改善了微网稳定性。2.储能变流器输出电流谐波抑制。储能变流器对微网的电能质量有着重要影响,研究了储能变流器输出电流谐波抑制方法。对单台变流器,提出了一种正交正弦波提取器(QSE)的谐波提取算法。该算法通过建立周期信号的正交正弦波模型,将谐波提取问题转化为状态观测器设计问题,基于QSE的离散状态模型,可以在离散域下直接设计QSE控制器;QSE具有无相移和待提取分量之间无耦合的优点,可以有效降低变流器输出电流谐波,增强系统的动态性能。对多台变流器并联的情况,采用载波移相并联方法控制变流器输出电流纹波相位,消除总输出电流在开关频率处的谐波分量,可以有效降低总输出电流的THD。进行了谐波抑制实验,所提方法有效降低了输出电流谐波。3.储能变流器并联运行和环流抑制研究。在低压微网中应用下垂控制算法,线路阻抗特性和输出电压差异会引起并联变流器输出功率分配不均和较大环流,影响并联系统稳定性。提出了一种改进的下垂控制策略,通过实时调整下垂控制环节的给定值,使变流器在离网时输出电压保持稳定,在并网可以响应微网主控制器的功率给定;加入虚拟电感和电感压降补偿环节,使变流器的输出阻抗为感性,克服了低压微网中变流器输出有功功率和无功功率耦合的问题,有效实现了并联变流器输出功率均分,保证系统的稳定运行;搭建了微网实验平台,实现了并联变流器离网和并网模式运行。对微网中独立控制、运行的并联变流器之间的环流,分析了零序环流的频率特性,分别采用QPR控制器抑制零序环流的3、9、15次交流分量,PI控制器抑制零序环流直流分量,实验证明了所提方法的有效性。4.电网发生故障时储能变流器的孤岛保护、低电压穿越和高电压穿越技术研究。针对传统孤岛保护算法影响输出电能质量的缺点,提出了一种扰动无功功率解耦的控制策略,采用两个矢量角提取出无功功率扰动分量,避免了对输出有功功率的影响。针对并联变流器低电压穿越工况,设计了一种对电网电压正负序分离和无功功率补偿的控制策略,消除了不对称故障所引起负序分量的影响,并且可以输出无功功率支撑电网电压,在低电压穿越期间并联变流器保持稳定运行。针对电网电压升高对变流器输出能力的影响,以增大变流器的可控区域为控制目标,设计了一种高电压穿越时改变直流母线电压给定值的控制策略。按照电网相关标准进行了孤岛保护、低电压穿越和高电压穿越测试,结果证明所提出的策略具有较强的实用性。5.T型中点钳位型三电平变流器的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术研究及其中点电位波动抑制。讨论了三电平SVPWM实现过程,分析了三电平变流器的输出电能质量。针对三电平变流器中点电位波动问题,提出了一种优化虚拟矢量算法,通过控制合成虚拟中矢量的正负小矢量作用时间,解决了虚拟矢量算法无法消除外部因素导致中点电位偏移的缺点,并且有效减小了高调制比时的不可控区域。研制了一台T型三电平变流器并进行了仿真和实验,其输出电能质量优于两电平变流器,中点电位波动较小。