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电网阻抗影响下大型光伏并网系统稳定性分析及控制策略研究

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目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 大型光伏并网系统与电网交互影响的研究现状

1.2.1 大型光伏并网系统中的谐振问题

1.2.2 大型光伏并网系统的稳定性问题

1.3 光伏并网逆变器稳定性提高策略的研究现状

1.3.1 基于电网阻抗在线估测的控制策略

1.3.2 阻抗重塑法

1.3.3 并联有源阻尼器

1.3.4 相位补偿谐振控制器

1.3.5 改进的LCL滤波器有源阻尼策略

1.3.6 鲁棒控制技术

1.4 本文的主要研究内容

2 大型光伏并网系统等效建模

2.1 典型集散式光伏并网逆变器的结构与特点

2.2 光伏并网逆变器建模

2.2.1 并网逆变器的主电路模型

2.2.2 并网逆变器的控制系统研究

2.2.3 并网逆变器的参数设计

2.3 大型光伏并网系统的等效阻抗模型

2.3.1 光伏并网逆变器的等效阻抗模型

2.3.2 输电网络的模型

2.3.3 大型光伏并网系统的等效阻抗模型

2.4 本章小结

3 电网阻抗影响下大型光伏并网系统的稳定性分析

3.1 大型光伏并网系统的稳定性分析方法

3.1.1 阻抗稳定性判据

3.1.2 基于电流控制环的直接稳定性分析方法

3.2 电网阻抗影响下大型光伏并网系统的稳定性分析

3.2.1 谐振控制器相位滞后导致系统稳定性降低

3.2.2 LCL滤波器负阻尼特性导致系统稳定性降低

3.3 并网电流的谐波放大机理

3.3.1 电网电压背景谐波导致的谐波放大

3.3.2 逆变桥输出电压谐波导致的谐波放大

3.3.3 案例分析

3.4.1 仿真验证

3.4.2 实验验证

3.5 本章小结

4 大型光伏并网系统逆变器的改进相位补偿谐振控制器设计

4.1 谐振控制器下并网逆变器系统的稳定性分析

4.2 PR控制器的频率特性分析

4.2.1 PR控制器

4.2.2 相位补偿PR控制器

4.3 相位补偿PR控制器的补偿方法

4.3.1 传统的相位补偿方法

4.3.2 改进的相位补偿方法

4.4.1 仿真验证

4.4.2 实验验证

4.5 本章小结

5 大型光伏并网系统逆变器的数字H∞控制器设计

5.1 LCL滤波器阻尼特性对并网逆变器系统稳定性影响的分析

5.1.1 LCL滤波器的有源阻尼特性分析

5.1.2 并网逆变器系统的稳定性分析

5.2 H∞控制理论

5.2.1 H∞标准控制问题

5.2.2 混合灵敏度问题

5.3.1 并网逆变器的H∞控制模型

5.3.2 加权函数的选择

5.3.3 H∞控制器设计

5.4.1 仿真验证

5.4.2 实验验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间授权的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参研的项目

D. 学位论文数据集

致谢

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摘要

在能源短缺和环境污染的双重压力下,光伏发电产业近年来得到了快速的发展,随着光伏系统成本不断降低、光伏发电技术日趋成熟,光伏发电系统呈现出大型化的发展趋势。与小容量的光伏发电系统相比,大型光伏并网系统能够实现更高的发电效率,以及参与电力系统的调节,如负荷削峰、无功电压控制和电网频率调节等。然而,站内升压变压器和输电线路构成的等效电网阻抗可能导致大型光伏并网系统出现严重的谐波振荡现象,甚至导致系统失稳,造成光伏系统脱网,严重制约了光伏发电系统的并网消纳。针对此问题,结合国家自然科学基金项目“大型光伏并网系统谐振机理及抑制策略研究(51477021)”的相关研究内容,论文以大型光伏并网系统为研究对象,深入研究了电网阻抗影响下大型光伏并网系统的稳定性,揭示了并网电流的谐波放大机理,并提出了改善光伏并网逆变器稳定性的控制策略,从而保证了大型光伏并网系统的安全稳定运行,并输出高质量的并网电能。  ①论文建立了大型光伏并网系统的等效模型。大型光伏并网系统本质上是多逆变器并联并网系统,论文首先介绍了典型集散式光伏并网逆变器的拓扑结构与特点,然后对逆变器的主电路模型和控制系统进行了研究,在此基础上,详细设计了并网逆变器的主电路参数和控制系统参数,并进行了仿真验证。为了方便论文后续对大型光伏并网系统的稳定性进行分析,建立了光伏并网逆变器、三相双分裂变压器以及长距离输电线路的等效阻抗模型,并进一步推导得到了大型光伏并网系统的等效阻抗模型。  ②论文研究了电网阻抗影响下大型光伏并网系统的稳定性问题,并揭示了并网电流的谐波放大机理。考虑电网阻抗存在以及LCL滤波器的电感和电容参数服从正态分布,论文首先推导了大型光伏并网系统的稳定性条件。然后,为了量化系统中的谐波放大现象,论文根据谐波阻抗最小值的概念,定义了系统的谐波放大系数。进一步地,考虑系统中的电网电压背景谐波和逆变桥输出电压谐波,论文研究了并网电流的谐波放大机理,研究发现,系统稳定性降低将诱使系统产生严重的谐波放大,导致并网电流产生严重畸变。因此,为了保证并网电流的电能质量,避免系统中出现严重的谐波放大现象,大型光伏并网系统应始终具有较高的稳定性。然而,为了有效地抑制电网电压背景谐波和阻尼LCL滤波器谐振,当光伏并网逆变器采用多并联谐波补偿控制器和电容电流反馈有源阻尼策略时,研究发现,随着电网阻抗增大,系统的稳定性逐渐降低,甚至出现不稳定现象。  ③针对谐波补偿控制器导致的大型光伏并网系统稳定性降低问题,论文提出了光伏并网逆变器的改进相位补偿谐振控制器。论文首先考虑电网阻抗影响,研究了谐波补偿控制器下系统的失稳机理,研究发现,谐波补偿控制器的相位滞后是导致系统稳定性降低的主要原因。为了改善谐波控制器的相位滞后,论文深入分析了相位补偿谐振控制器的频率响应特性,研究发现,谐振控制器的传统相位补偿方法虽然能够最大限度地提升系统的相位裕度,但它降低了电网频率偏移情况下逆变器的电流跟踪性能以及对电网电压背景谐波的抑制能力。为此,论文提出了一种改进的相位补偿方法,其能够在不影响逆变器控制性能的前提下,获得足够的相位裕度,提高了并网逆变器系统的稳定性。  ④针对LCL滤波器的电容电流反馈有源阻尼策略导致的大型光伏并网系统稳定性降低问题,论文提出了光伏并网逆变器的数字H∞控制器。论文首先对LCL滤波器的有源阻尼特性进行了研究,并分别针对最小相位系统和非最小相位系统,研究了电网阻抗扰动下的系统稳定性。研究发现,由于数字控制延时的存在,当电容电流反馈有源阻尼策略为LCL滤波器谐振提供的是负阻尼时,系统存在开环不稳定极点,即系统是非最小相位系统,此时在电网阻抗扰动下,并网逆变器系统很难保持稳定。为了改善数字控制下LCL滤波器的有源阻尼特性,提高并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性,论文基于H∞控制理论中的S/KS/T混合灵敏度问题,将并网逆变器的传统控制模型转换为了标准的H∞控制问题,通过建立系统的离散广义控制对象模型,以及适当地选择加权函数,直接在离散域内设计了逆变器的数字H∞控制器。为了对本文理论分析和所提控制策略进行验证,论文进行了相应的仿真与实验测试,测试结果证明了理论分析的正确性以及所提控制策略的有效性。

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