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LCL滤波的并网逆变系统及其适应复杂电网环境的控制策略

作　者: 王要强
导　师: 孙力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 并网逆变系统 LCL滤波器电网电压信息检测电网环境适应性电网电压不平衡电网电压畸变
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着煤、石油、天然气等常规资源的日渐枯竭、未来能源和电力需求的持续增加以及全球生态环境的不断恶化，新能源并网发电已经成为能源和电气工程领域的研究热点。并网逆变系统作为发电源与电网的接口装置，其性能的优劣直接会对注入电网电能的质量产生影响，是整个发电设备的关键环节。本文以三相电压型并网逆变系统为研究对象，主要围绕LCL滤波器参数的设计与优化、采用LCL滤波器的并网逆变系统的控制策略以及复杂电网环境下的电网电压信息同步检测与系统持续运行能力的提升等问题展开研究，并结合项目背景，通过构建的微型燃气轮机半物理并网发电系统实验平台对论文的研究成果进行实验验证。论文首先建立系统的一般数学模型以及系统在理想、不平衡、畸变不同电网电压约束条件下的数学模型。指出不平衡、畸变电网环境下传统电网电压信息检测算法的局限性，提出基于交流幅值积分的宽适应范围电网电压信息同步检测算法。提出的算法适用于不平衡、畸变的电网环境，可以有效抑制谐波干扰、提取电网电压基波正、负序分量，从而实现其相角、频率和幅值信息的同步检测。建立的系统模型和提出的电网电压信息同步检测算法为论文后续的研究奠定基础。建立LCL滤波器的等效模型，深入分析其工作特性，揭示滤波器参数及参数间关系与滤波器工作特性的内在联系，提出LCL滤波器参数的优化设计方案。方案首先给出滤波器参数计算的依据与思路，然后列出参数选取的准则与步骤，最后围绕滤波器的谐波抑制性能、参数及其配合关系以及阻尼损耗等问题对滤波器参数进一步优化。提出的方案能够反映滤波器参数及参数间关系影响滤波器工作特性的趋势和强度，并且兼顾了滤波器的谐波抑制性能和阻尼电阻的功率损耗等问题，可以在相同总滤波电感值下获得更好的滤波效果，同时降低阻尼电阻的功率损耗，提升系统运行的效率。针对采用LCL滤波器的并网逆变系统的控制策略，首先建立其复频域模型，分析系统电流控制回路反馈变量的自由度，并分别指出网侧电流和逆变器侧电流闭环控制策略各自存在的问题。为解决逆变器侧电流闭环控制策略存在的并网电流相角滞后问题，分析问题产生的根源，并定义控制复阻抗的概念，更新逆变器输出电流的参考指令，从而提出基于控制复阻抗前馈的复合间接电流控制策略。提出的控制策略通过逆变器侧电流闭环控制间接实现了对并网电流的调节，消除了传统逆变器侧电流闭环控制策略存在的并网电流相角滞后现象，提升了系统的运行效率，并且稳定性好，便于系统集成，同时不需要增加额外的传感器。为增强系统在不平衡、畸变电网环境下的适应性，分析单基波正序同步旋转坐标系下系统电流控制回路存在的问题，并定义比例混合积分的概念。针对电网电压不平衡的影响，提出基于P+NSHI的并网功率脉动抑制策略。然后提出基于P+HHI的并网电流低频谐波抑制策略，提升系统对电网电压背景谐波的抗扰能力。最后提出基于P+NSHHI的强电网环境适应性系统控制策略。提出控制策略的电流控制回路只在基波正序同步旋转坐标系下进行，无需电流反馈信号基波正、负序及各次谐波分量的分解，降低了系统控制的复杂度。提出的控制策略可以实现逆变器输出电流基波正、负序及谐波分量的无静差控制，抑制了并网功率脉动，改善了并网电流的波形质量，有效提升了系统适应复杂电网环境持续运行的能力。最后，结合论文的理论和仿真研究，通过构建的微型燃气轮机半物理并网发电系统实验平台进行实验研究，验证和评价论文提出的算法、方案和控制策略，实验结果证明了论文理论分析的正确性和提出方法的有效性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-32
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  16-18
  1.2 并网逆变系统的基本构成与研究分类  18-20
  1.3 并网逆变系统关键技术的研究现状  20-29
    1.3.1 并网逆变系统的交流输出滤波技术  20-22
    1.3.2 并网逆变系统的电流控制策略  22-24
    1.3.3 不平衡、畸变电网环境下的系统控制  24-28
    1.3.4 电网电压信息同步检测技术  28-29
  1.4 本文的主要研究内容  29-32
第2章系统建模与宽适应范围的电网电压信息检测  32-53
  2.1 引言  32
  2.2 LCL 滤波的并网逆变系统建模  32-44
    2.2.1 系统的一般数学模型  33-37
    2.2.2 不同电网电压约束条件下的系统建模  37-44
  2.3 宽适应范围的电网电压信息同步检测  44-52
    2.3.1 电网电压不平衡、畸变的影响分析  44-47
    2.3.2 电网电压基波正、负序分量的提取  47-49
    2.3.3 基于交流幅值积分的电网电压信息同步检测  49-50
    2.3.4 仿真结果及分析  50-52
  2.4 本章小结  52-53
第3章 LCL 滤波器参数的设计与优化  53-74
  3.1 引言  53
  3.2 LCL 滤波器的工作特性分析  53-58
    3.2.1 等效电路与工作机理  53-54
    3.2.2 电流传输特性分析  54-57
    3.2.3 并网电流谐振的抑制  57-58
  3.3 设计依据  58-60
  3.4 参数的选取准则与步骤  60-65
    3.4.1 逆变器侧电感 L_1  60-63
    3.4.2 交流侧滤波电容 C  63-64
    3.4.3 电网侧电感 L_2  64-65
  3.5 参数间关系对滤波器工作性能的影响分析与优化  65-68
    3.5.1 电感比 k 的影响分析及优化  65-67
    3.5.2 阻尼电阻 Rd的影响分析及优化  67-68
  3.6 仿真结果及分析  68-73
  3.7 本章小结  73-74
第4章基于控制复阻抗的系统并网控制策略  74-89
  4.1 引言  74
  4.2 电流控制回路反馈变量的选择与分析  74-79
    4.2.1 网侧电流闭环控制  75-76
    4.2.2 逆变器侧电流闭环控制  76-77
    4.2.3 两种策略的控制特性对比分析  77-79
  4.3 基于控制复阻抗前馈的复合间接电流控制策略  79-83
    4.3.1 传统控制策略存在的问题分析  79-80
    4.3.2 控制复阻抗的定义与分析  80-81
    4.3.3 复合间接电流控制策略  81-83
  4.4 参考电流的产生  83-86
  4.5 仿真结果及分析  86-88
  4.6 本章小结  88-89
第5章不平衡、畸变电网环境下的系统适应性研究  89-119
  5.1 引言  89
  5.2 不平衡电网环境下基于 P+NSHI 的并网功率脉动抑制  89-102
    5.2.1 电网电压不平衡对并网功率的影响分析  89-92
    5.2.2 并网电流参考信号的产生  92-93
    5.2.3 基于 PNS-DSRF 的系统控制策略  93-95
    5.2.4 电流控制回路存在的问题分析  95-97
    5.2.5 基于 P+NSHI 的并网功率脉动抑制策略  97-99
    5.2.6 控制特性分析  99-100
    5.2.7 仿真结果及分析  100-102
  5.3 畸变电网环境下基于 P+HHI 的并网电流低频谐波抑制  102-107
    5.3.1 电网电压畸变对电流控制回路的影响分析  102-104
    5.3.2 基于 P+HHI 的并网电流低频谐波抑制策略及其特性分析  104-106
    5.3.3 仿真结果及分析  106-107
  5.4 不平衡、畸变电网环境下基于 P+NSHHI 的系统融合控制  107-117
    5.4.1 控制策略及其特性分析  107-110
    5.4.2 系统容量约束的影响及应对策略  110-112
    5.4.3 仿真结果及分析  112-117
  5.5 本章小结  117-119
第6章半物理并网发电系统实验平台的构建及实验  119-138
  6.1 引言  119
  6.2 半物理并网发电系统实验平台的构建  119-124
    6.2.1 系统总体结构  119-120
    6.2.2 控制电路设计  120-122
    6.2.3 驱动电路设计  122-124
  6.3 PMSG-PWM 整流系统控制与实验  124-129
    6.3.1 转子同步角估算  125-126
    6.3.2 控制系统设计  126-127
    6.3.3 实验结果  127-129
  6.4 并网逆变系统实验  129-137
    6.4.1 电网电压信息同步检测实验结果及分析  129-131
    6.4.2 理想电网环境下的系统实验结果及分析  131-133
    6.4.3 不平衡、畸变电网环境下的系统实验结果及分析  133-137
  6.5 本章小结  137-138
结论  138-141
参考文献  141-156
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果  156-158
致谢  158-159
个人简历  159

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