考虑电网不对称及谐波的并网逆变系统控制技术研究

摘要

作为解决全球范围内能源紧缺与环境日益恶化的有效途径，分布式可再生能源并网逆变技术获得广泛关注。在实际公共电网中，普遍存在谐波与不对称等问题，导致并网逆变系统的输出电流波形质量下降，进而会向公共电网注入谐波干扰甚至进一步加剧电网的不对称。随着接入公共电网的并网逆变系统的规模不断增大，上述影响将越发显著。因此，并网逆变系统在接入具有非理想特性的公共电网时如何实现高性能并网电流的波形控制，进而降低对公共电网的影响成为当前热门的研究课题。本文通过提出新型锁相环技术以及先进的并网电流控制策略，以期实现上述目标，在推进可再生能源并网发电系统的规模化利用方面提供技术支撑。
　　首先，本文建立了理想电网电压条件下以及考虑包含低次谐波和电网不对称两种非理想条件下的三相并网逆变系统的数学模型。根据叠加定理，将低次谐波与负序分量看作扰动分量，因此滤除谐波分量与单独控制正负序分量即为系统需要达到的控制目标。分析了上述非理想电网条件对传统三相增强型锁相环(3-phase Enhanced Phase Locked Loop-3EPLL)与基于矢量控制技术的电流控制策略的影响并进行了仿真验证。证明了无论是传统锁相环以及电流控制策略均无法在两种非理想情况下达到预期目标的结论。以上分析，为之后提出高性能的控制策略打下了理论基础。
　　其次，根据传统3EPLL存在的问题，本文提出一种基于信号延时相消(Delayed-Signal Cancellation-DSC)的两相静止坐标系下三相增强型锁相环，利用成本函数与梯度下降法，得到锁相环各部分的微分方程，根据微分方程设计整体结构框图，给出稳定性分析与参数设计方法。进一步，为了消除网侧不对称，谐波以及直流偏移对锁相环性能的影响，在所提出的新型锁相环中加入DSC模块，并给出了详细的原理分析与设计过程。所提出的锁相环与传统3EPLL相比，在减少了计算量的同时，还具有能够消除上述非理想特性对锁相性能的影响等优点。在MATLAB/SIMULINK软件下对所提出的锁相环进行了详细的仿真研究，验证了上述分析，并且所提出的锁相环具有良好的动态响应。
　　再次，本文提出了基于Goertzel滤波器的双旋转坐标系下的并网电流矢量控制策略，同时消除公共电网谐波与电网不对称对并网电流的影响。分析了基于1/4电网周期延迟解耦+双旋转坐标系下PI控制器的电流控制策略消除电网负序分量的原理以及电网低次谐波对其影响。结果表明，正负序电流分量上只含有4n次周期扰动。利用该特性，在正负坐标系的PI控制器之前均加入Goertzel滤波器，通过合理选择其滤波系数，消除电网谐波对并网电流的影响。在MATLAB/SIMULINK软件环境下搭建了仿真模型，并进行了详细的仿真研究。
　　最后，搭建了基于DSP TMS320F28335控制核心的三相并网系统的实验平台，对逆变器系统软硬件进行了详细的设计，给出了相关的硬件电路及关键元器件的选取原则，编写了相应的软件程序并给出了详细的软件流程。在上述实验平台的基础上，对所提出的锁相环算法和并网电流控制策略在非理想电网条件下进行了详细的实验研究。实验结果表明，所提出的并网逆变系统在电网包含上述非理想特性的情况下仍然实现了电网信息的准确估计以及并网电流的高性能控制，并具有良好的动态响应，证明了所提出的上述算法的正确性和可行性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 电网不对称和谐波条件下的锁相环技术

1.3 考虑电网不对称和谐波的并网逆变系统的控制策略

1.4 论文的主要研究内容

第2章 非理想电网条件下并网逆变系统的数学模型及运行特性分析

2.1 引言

2.2 电网不对称和谐波条件下三相并网逆变系统的数学模型

2.3 电网不对称和谐波条件下传统3EPLL的性能分析

2.4 电网不对称和谐波条件下传统电流控制策略的性能分析

2.5 本章小结

第3章 基于信号延时相消的新型三相增强型锁相技术的研究

3.1 引言

3.2 αβ坐标系下的三相增强型锁相环原理分析

3.3 αβ坐标系下三相增强型锁相环的性能优化

3.4 DSC-αβ-3EPLL的仿真研究

3.5 本章小结

第4章 基于Goertzel滤波器的双旋转坐标系下并网电流控制策略的研究

4.1 引言

4.2 基于GF-DSRF的电流控制策略原理分析

4.3 基于GF-DSRF的电流控制策略的仿真研究

4.4 本章小结

第5章 系统软硬件设计及实验研究

5.1 引言

5.2 三相并网逆变系统及其实验平台的硬件结构总体方案

5.3 并网逆变系统电流控制策略的软件设计

5.4 主要实验结果及分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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