Improving Flexibility and Control Quality of Renewable-Energy-Based Grid-Connected Inverter

摘要

当今世界面临着传统石油能源存量日益减少和温室气体造成全球气温变暖的双重问题。近年来，基于分布式发电的可再生能源应用技术得到了迅速的发展。电力市场的逐渐自由化、电力电子半导体技术的日趋成熟和现代控制技术的进步，使得基于可再生能源的分布式发电技术得到了迅速发展。然而，分布式能源在并网时却带来了一系列问题，如:谐波失真、热备用等。这些问题在微网系统中尤其明显。
　　随着分布式能源的参与和非线性负荷的增加，电网电能质量受到的影响增大，主要体现在:频率振荡、电压波动和谐波电流增加等。目前已有的技术虽然能够解决这些问题，但其缺乏灵活性，操作复杂。当系统参数由于环境温度、工作时间、设备质量等因素而变化时，系统的输出性能和稳定性得不到保证。因此，需要一种能够更智能、更灵活的控制策略，既能够增加系统的稳定性和可靠性，又能够提高电能治理的能力。针对三相并网逆变器，本文设计了一种新型逆变器及其控制策略，具体工作和创新点如下:
　　(1)从三相并网逆变器结构出发，本文提出了一种多功能逆变系统(Multi-functionConverter,MFC)，可以自动或手动进行灵活的运行模式切换。当电网谐波很大时，MFC运行在谐波抑制模式(Harmonic-Suppression,HAS),消除负载谐波电流;当电网谐波很小时，MFC运行在功率注入模式(Power-Injection，POI)，逆变器向电网输送光伏板发出的最大功率。在MFC数学模型的基础上，根据李雅普诺夫函数，得出控制开关的状态函数。由MFC根轨迹分析得出，系统极点均在左半平面，系统始终保持稳定。相比传统的分布式逆变器，MFC更加灵活。此外，利用SOGI-PLL和SDFT技术，使得MFC的控制策略更加精确，相应更加迅速。相比于传统的逆变器控制方案，MCF可以同时做到减少谐波电流和向电网输送最大功率。仿真和实验结果证明了本文提出的控制策略的正确性和有效性。
　　(2)在(1)的基础上，本文提出了当系统参数变化时的MFC控制方法。并网逆变器在运行时，由于环境因素、运行时间、硬件差异等原因，通常系统参数不能精确地确定，因此电能质量、系统输出和系统稳定性常常不能满足要求。控制系统的鲁棒性和稳定性高度依赖于系统参数。本文设计了基于李雅普诺夫(Lyapunov)函数的控制系统，并根据李雅普诺夫技术和最优值算法确定了控制量的最优值，使得无论系统参数固定还是变化，MFC都能够精确而有效地运行。此外，为解决采用傅里叶变换而引起的相位差过大的问题，负荷电流计算采用滑膜离散傅里叶变换(SlidingDiscreteFourierTransform，SDFT)来保证基波和谐波电流的精确测量和预测。所提出的控制策略动态响应快，电流信号跟踪的稳态误差小。仿真和实验结果验证了当参数变化时，通过本文算法得到的最优控制值，系统鲁棒性强，能够提高电网（微电网）的电能质量。
　　(3)在现有的并网逆变器LCL滤波器控制基础上，提出了一种新的控制方法。控制建立在αβ坐标系下。当三相并网逆变器采用LCL滤波器时，考虑控制参数和系统参数变化，分析了不同参数和不同控制算法对系统稳定性的影响，确定了影响系统稳定性的主要参数。通过系统根轨迹分析，在劳斯判据的基础上，建立系统参数最优化算法。理论分析和仿真，都验证了所得出的最优化控制参数值能够保证系统运行的稳定性。在仿真的基础上，建立了的DSP实现方案，实验结果表明，系统稳定运行性能优良。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

CHAPTER 1：INTRODUCTION

1．1 Renewable energy resources

1．2 Distributed generation and microgrid

1．3 Grid-connected inverter

1．4 Research motivations

1．5 Original contributions

1．6 Thesis overview

CHAPTER 2：BACKGROUND AND LITERATURE REVIEW

2．1 Introduction

2．2 Renewable-energy-based grid-connected inverter controller

2．2．1 Power controller for grid-connected inverter

2．2．2 Voltage-controlled power control

2．2．3 Current-controlled power control

2．2．4 Power control based on virtual-flux control

2．2．5 Direct power control

2．3 Phase-Locked Loop

2．3．1 Basic Structure of a Phase-Locked Loop

2．3．2 PLL based on second-order generalized integrator

2．4 Maximum power point tracker (MPPT) control

2．5 Grid requirements for renewable-energy-based grid-connected inverter

2．6 Summary

CHAPTER 3：MULTI-FUNCTION CONVERTER BASED ON LYAPUNOV FUNCTION USED IN A PHOTOVOLTAIC SYSTEM

3．1 Introduction

3．2 System description

3．3 Block diagram of the control system

3．4 Multi-function controller design based on the Lyapunov function

3．4．1 Generalized mathematical model of the PVG

3．4．2 Control strategy based on Lyapunov function

3．5 Simulation and experimental results

3．5．1 Simulation results

3．5．2 Experimental results

3．6 Summary

CHAPTER4：ROBUST CONTROL OF MULTI-FUNCTION CONVERTER FOR USE IN RENEWABLE-ENERGY-BASED INVERTERS CONSIDERING UNCERTAIN PARAMETERS

4．1 Introduction

4．2 General system description

4．3 Design of the REG control system based on the Lyapunov function

4．3．1 Generalized mathematical model of the REG in d-q synchronous reference frame

4．3．2 Preliminary design of the REG control system based on the Lyapunov function

4．3．3 Impact analysis impact of unpredictable parameters on the stability condition

4．3．4 Generalized design of the REG control system

4．4 Implementation of the control system based on the Lyapunov function

4．5 Simulation and experimental results

4．5．1 Simulation results

4．5．2 Experimental results

4．6 Summary

CHAPTER 5：A GENERALIZED DESIGN OF A MULTI-LOOP CONTROLLER USED IN A THREE-PHASE LCL-FILTER-BASED GRID-CONNECTED INVERTER WITH CONSIDERING VARYING SYSTEM PARAMETERS

5．1 Introduction

5．2 Mathematical model of the three phase LCL-filter-based grid-connected inverter

5．3 Preliminary design of the LCL-filter-based grid-connected inverter control system

5．3．1 Control strategy

5．3．2 Preliminary design of the LCL-filter-based grid-connected inverter control system

5．4 Generalized design of the three-phase LCL-filter-based grid-connected inverter control system

5．4．1 Analysis of the change of control coefficient bounds versus the change of system parameters

5．4．2 Generalized design of three-phase LCL-filter-based grid-connected inverter control system

5．5 Implementation of the control system based on DSP

5．6 Simulation and experimental results

5．6．1 Simulation results

5．6．2 Experimental results

5．7 Summary

CONCLUSION AND FUTURE WORK

ACKNOWLEDGEMENTS

REFERENCES

附录：详细中文摘要

LIST OF PUBLICATIONS