数字控制的非理想因素对并网光伏逆变器运行特性影响与优化方法

摘要

光伏并网逆变系统是实现太阳能向可用电能转换的绿色桥梁，光伏并网发电系统现在正在向大批量生产和规模应用发展。光伏电池非线性特性对并网逆变系统稳定性的影响也受到越来越多的重视，特别是单级式光伏逆变系统中采用常规最大功率追踪（MPPT）算法还会存在直流电压迅速跌落失稳的问题。光伏电池能效问题也一直是研究的热点，低成本的适应多变环境的高效最大功率追踪方法一直是光伏发电系统追求的目标。同时随着单片机、DSP等产品开发的日趋成熟，数字化控制逐渐成为光伏逆变系统工业应用的趋势。然而数字控制也给光伏并网发电系统带来了不少问题，例如数字采样引入频率混叠效应，会恶化逆变器输出电能质量；数字延时对采用不同控制方案的逆变系统的稳定性也带来不同的影响，特别是LCL滤波器的逆变系统稳定特性和控制性能在数字控制下会表现出新的特性；此外当电网非理想时，并网锁相环节也会引入与电网背景谐波相应的谐波分量，并衍生出一些新的谐波量，即产生所谓的谐波衍生现象。本文拟按照理论探索、数学建模、原理剖析、方案设计、实验验证的一套科学方法，对数字控制光伏并网逆变系统中的这些关键技术问题进行系统的研究和探索。
　　光伏并网逆变系统最特殊之处在于其直流源为光伏电池，光伏电池输出特性呈现非线性，并且随着温度、光照强度以及阴影覆盖等外部环境因素的变化，其输出特性也会发生显著变化。这样的直流源特性会直接对光伏并网逆变系统直流侧稳定性造成显著影响，常规的逆变器建模方法不能很好的分析光伏源对逆变器的影响。本文建立了光伏源和逆变器的等效电路模型，将一个复杂的光伏并网逆变系统等效为基本电路元件组成的电源网络，从而方便对系统进行等效分析和快速的仿真模拟。基于此模型清晰地揭示了光伏系统运行在最大功率点（MPP）左侧时会出现低阻尼特性，使逆变器容易出现振荡甚至失稳。进一步基于此等效模型，提出了一种在MPP左侧也能无振荡稳定工作的直流电压环设计方案，保证光伏并网逆变器在全工作范围内获得足够的阻尼，可以有效解决单级式并网逆变器的直流电压失稳问题。
　　单级式光伏并网逆变系统运行在MPP左侧时稳定性降低的特性表现尤为明显，其特征为母线电压迅速跌落。本文分析了单级式光伏并网系统中直流电压失稳的特殊现象，根据母线电压失稳与最大功率匹配之间的对应关系，提出了一种只需要直流电压采样且适应局部阴影条件的MPPT算法。该算法通过判断母线电压是否迅速跌落失稳来鉴别最大功率点，具有单一测量、实现简单、抗干扰能力强、适应局部阴影条件等优势。最后在自行研制的一套630kW光伏并网逆变系统上验证了该算法的有效性和优越性，该算法在直流电流存在极大纹波以及光伏电池输出曲线为多峰曲线条件下，依然可以准确追踪到最大功率点。
　　并网逆变系统中，LCL滤波器相比单电感滤波器具有更优的滤波性能，然而引入了谐振点，降低了系统稳定性。本文揭示了存在数字延时条件下LCL型并网逆变器网侧电流单环控制的致稳特性，以及逆变侧电流单环控制的稳定性恶化现象，并分别提出了一种基于优化控制延时的网侧电流单环控制方案和基于电容电压前馈的逆变侧电流控制方案。在不增加额外无源阻尼和传感器的基础上，网侧电流单环控制策略利用数字控制过程中的延时环节实现系统的稳定控制。并给出了延时环节的设计方法，实现了系统良好的并网谐波特性和动态特性，最后在自行研制的5kW单相并网逆变器上通过实验验证了控制策略的有效性，采用优化的数字延时控制后，并网电流THD为2.17％，负载从30％突加至100％调节时间小于4ms。基于电容电压前馈的逆变侧电流控制方案，采用电容电压前馈使系统降阶，从而有效的改善系统的稳定性，同时分析了延时和前馈系数对电容电压前馈效果的影响。所提控制方案的有效性在自行研制的630kW三相逆变器上得到了实验验证。
　　数字采样过程会带来频率混叠现象，由于数字控制逆变器采样频率一般等于开关频率，因而采样频率等于或低于采样信号带宽，这就不可避免的带来频率混叠问题，频率混叠现象会恶化系统的输出电能质量。本文重点分析了采样信号中混叠成分（混叠信号）与原始信号频率、幅值和相角的关系，揭示了频率混叠在逆变器数字控制中造成稳态误差和低频谐波扰动的机理，并分析了采样滤波、AD转换时间以及控制算法时间对混叠现象的影响。在上述定量分析的基础上，本文提出了选择性延时采样和互补采样方案抑制系统中产生的混叠信号。这两种算法引入的数字延时均不超过半个开关周期，远远小于常规低通滤波器带来的延时影响。最后在自行研制的5kW单相光伏逆变器平台上通过实验验证了这两种方案的有效性，采用混叠抑制算法后，系统稳态误差从2.53％降低至0.07％，三次谐波从2.97％减小到1.12％，总的THD从3.77％减小到2.32％。
　　并网控制中锁相是实现系统成功并网的前提条件，锁相结果的准确性和快速性都会影响并网电能质量。然而许多文献在分析并网控制时，假设锁相是理想的，忽略了锁相环对并网控制本身的影响。本文建立了一种结合锁相控制的并网逆变器整体控制系统模型，通过详细的数学推导，揭示了电网电压谐波通过锁相环节在控制系统中的传递特性。分析发现电网电压谐波不仅会通过锁相环节在输出电流中产生与之频率相等的谐波分量，同时还会衍生出新的频率的谐波分量，发生谐波衍生现象。谐波分量的大小与锁相环增益、电网电压大小和逆变器输出电流大小均有关系。在此模型基础上，提出了一种基于电网正序分量谐振的同步旋转坐标系下的锁相方案来抑制谐波衍生现象。该方案首先将电网电压转换到同步旋转坐标系下，对电网电压中正序分量进行谐振预处理，将电网电压幅值放大，然后再进行锁相控制。这个预处理过程的作用可以等效为一个陷波器叠加一个带通滤波器的效果，可以有效的抑制电网电压谐波的影响，同时兼顾系统动态响应速度。最后通过与相位超前补偿陷波器方案对比，验证了该方案在相位突变、谐波分量突变以及存在大量背景谐波和负序分量下动稳态控制效果的优势。采用基波谐振锁相方案，在90°相位跳变条件下，10ms内可将相位误差收敛至1°以内；100％负序分量跳变条件下，最大相位波动仅14°，且20ms内就迅速收敛至1°以内；存在100％负序分量和20％7次电压背景谐波条件下，锁相环输出相位谐波含量仅为3.3％。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2关键技术问题和研究现状

1.3选题依据和本文主要研究内容

2 并网光伏逆变器直流侧稳定性分析与最大功率追踪

2.1引言

2.2光伏逆变器直流侧失稳现象分析

2.3常规MPPT算法的抗失稳设计

2.4具有抗失稳能力的单电压采样MPPT技术

2.5仿真和实验验证

2.6本章小结

3 数字控制延时对LCL逆变器并网性能影响分析

3.1引言

3.2数字控制延时对网侧电流控制性能影响与延时优化方法

3.3数字延时对逆变侧电流控制性能影响与电容电压前馈控制方法

3.4实验结果与分析

3.5本章小结

4 逆变器数字采样频率混叠现象分析与抗混叠策略

4.1引言

4.2数字控制逆变器采样中的频率混叠现象分析

4.3极小延时的抗混叠策略

4.4实验结果与分析

4.5本章小结

5 数字锁相环的谐波衍生现象分析与抑制策略

5.1引言

5.2锁相环与控制环统一建模以及谐波衍生现象分析

5.3具有谐波衍生抑制能力的锁相策略

5.4仿真结果与分析

5.5本章小结

6 全文总结

6.1本文工作总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参与的主要科研项目