并网逆变器锁相环负阻尼特性分析与抑制方法研究

摘要

随着分布式发电系统的发展，电力电子装置在电力系统中所占比例逐步加大，其中并网逆变器最为突出。作为分布式发电系统与电网之间的“桥梁”，并网逆变器控制性能的优劣决定了网侧电能质量的好坏。并网逆变器中的锁相环在维持系统稳定过程中发挥着重要作用。锁相环通过检测电网侧的电压相位，控制逆变器的输出信号基准，对系统安全稳定运行具有重要的意义。而在弱电网条件下，其性能问题尤为突出，不合适的锁相环可能会引起系统的不稳定。本文以锁相环为研究对象，对其阻抗特性以及优化措施进行了研究。 建立了并网系统的阻抗模型，利用诺顿定理简化电路模型，基于奈奎斯特稳定判据，分析单逆变器和多逆变器系统的稳定条件，在此基础上指出锁相环的引入导致系统低频段出现振荡现象。接着，从闭环输出导纳角度分析了锁相环的阻尼特性，其相频曲线位于180°附近，因此可知锁相环附加导纳的负阻尼特性是系统的不稳定一个主要原因。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。 针对锁相环负阻尼特性导致的系统振荡问题，分析了控制增益和带宽是影响系统稳定性的关键因素。选择通过改进锁相环自身结构校正锁相环附加阻抗的相频特性，使之远离180°相频处。从控制理论角度，提出一种级联锁相环结构，重塑锁相环附加阻抗。通过小信号建模法推导出级联锁相环的附加导纳，在此基础上改变级联锁相环控制参数，可以进一步优化系统性能。之后，在复频域上构建滤波器矩阵，在此基础上设计了滤波器传输矩阵正交信号发生器，将其引入鉴相环节。该方法可以实现正序信号的提取，从而达到负序信号抑制的目的，同时限制锁相环带宽，增大了系统并联阻抗，提高了系统稳定性。通过仿真和实验验证了设计方法的有效性。 从锁相环附加负阻尼的机理考虑，采用外加电网电压阻尼阻抗补偿的方式实现对锁相环负阻尼的抑制。提出电网电压比例微分前馈策略，通过设计控制参数，等效增加了一个与逆变器输出阻抗并联的输出阻抗，即对逆变器自身阻抗进行调整，进而抵消锁相环附加负阻抗，提高系统稳定裕度。此外，从特性补偿的角度出发，针对锁相环阻抗负实部特性构建补偿环节，设计了一种基于锁相环特性补偿的电网电压前馈方法。为了不影响基波频率处系统特性，在补偿环节上串联带通滤波器。通过补偿系数计算，令所设计方法在阻抗交点频段抵消锁相环的负阻尼，提高系统稳定性。通过仿真和实验验证了设计方法的有效性。

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变量注释表

1 绪论

1.2国内外研究现状

1.2.1并网逆变器的研究

1.2.2锁相环的研究

1.3本文研究内容

2并网逆变器模型研究

2.2.2并网逆变器输出阻抗模型

2.3并网逆变器稳定性分析

2.3.1单并网逆变器并网稳定性分析

2.3.2多并网逆变器并网稳定性分析

2.4并网逆变器锁相环特性分析

2.4.1锁相环小信号模型

2.4.2SRF-PLL对闭环输出导纳的影响

2.5仿真与实验

2.5.2实验分析

2.6本章小结

3基于阻抗特性的锁相环分析与改进研究

3.2锁相环控制参数对阻抗特性的影响

3.3级联锁相环研究

3.3.1级联锁相环建模分析

3.3.2级联锁相环参数分析

3.4基于滤波器传输矩阵变换的锁相环研究

3.4.1基于滤波器传输矩阵的PLL设计

3.4.2FTM-PLL特性分析

3.5仿真与实验

3.5.2实验分析

3.6本章小结

4基于电压前馈的虚拟阻抗补偿方法研究

4.2基于逆变器输出阻抗调整的电网电压前馈策略研究

4.3基于锁相环特性补偿的电网电压前馈策略研究

4.4仿真与实验

4.4.2实验分析

4.5本章小结

5结论

参考文献

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