基于LCL滤波的并网逆变器谐振分析及控制策略研究

摘要

随着可再生能源微电网系统规模的不断扩大，单电感L滤波器已经不能满足大功率并网逆变器的设计要求，而滤波效果更好、体积更小的三阶LCL滤波器在大功率并网逆变器系统中逐渐取代L滤波器，得到广泛的应用。但LCL滤波器参数设计复杂、并且存在谐振问题。本文针对三相并网逆变器系统中LCL滤波器的谐振问题进行了研究，并提出了一种应对电网阻抗剧烈变化的强鲁棒性并网电流反馈有源阻尼谐振抑制(grid-current-feedback-active-damping，GCFAD)方法。论文的主要工作如下: 本文首先分别建立了基于L和LCL滤波器的三相并网逆变器数学模型，对比分析了两种滤波器的谐振特性，研究了LCL滤波器高频谐波抑制理论，并以此设计了LCL滤波器的参数。 针对LCL型并网逆变器存在的谐振问题，本文分别研究了无源阻尼和有源阻尼谐振抑制策略，对四种无源阻尼方法进行了对比分析。针对采用单状态变量反馈的有源阻尼方法进行了系统分析，构造基于反馈的有源阻尼统一分析模型，通过对统一模型根轨迹分析，分别研究了滤波电容电压反馈、滤波电容电流反馈和并网电流反馈三种有源阻尼方法抑制谐振的有效性。 由于实际系统存在控制延时，此时并网电流反馈有源阻尼法等效为一个随频率变化的虚拟阻抗。在系统谐振峰值对应频率附近，该虚拟阻抗会呈现正电阻、负电阻和无穷大电阻三种形式。在负电阻和无穷大电阻情况下，系统开环传递函数会出现2个右半平面极点，降低了系统的稳定性。本文提出通过改进并网电流反馈调节器来提高系统鲁棒性的方法，并通过仿真和实验验证了改进反馈调节器后并网电流反馈有源阻尼方法的有效性。 最后，针对多并网逆变器系统的谐振问题，本文首先根据诺顿定理对多逆变器并联系统进行了等效化简，从而得出多逆变器并联系统的数学模型，基于数学模型分析了系统的谐振特性。为了有效抑制电网阻抗变化下的系统谐振，采用强鲁棒性GCFAD方法，建立了多逆变器并联系统的控制策略，最后通过仿真对所建立的控制策略进行了验证。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 LCL型并网逆变器电流反馈控制策略

1．2．2基于LCL滤波的并网逆变器谐振抑制方法

1．2．3多逆变器并联系统的谐振问题研究

1．3本文主要研究内容

第2章基于LCL滤波的并网逆变器数学模型及其参数设计

2．1基于L滤波器的三相并网逆变器数学模型及谐振分析

2．2基于LCL滤波器的三相并网逆变器数学模型及谐振分析

2．2．1 a／b／c三相静止坐标系数学模型

2．2．2α／β两相静止坐标系数学模型

2．2．3 d／q两相旋转坐标系数学模型

2．2．4混合坐标系下数学模型

2．3 L滤波器与LCL滤波器的性能比较

2．4 LCL滤波器及其参数设计方法

2．4．1高频谐波电流抑制的理论分析

2．4．2 LCL滤波器的具体参数设计

2．4．3滤波器设计结果分析

2．5本章小结

第3章基于LCL滤波的并网逆变器谐振抑制策略研究

3．1基于LCL滤波的并网逆变器无源阻尼谐振抑制策略

3．1．1电感支路串、并联阻尼电阻抑制策略研究

3．1．2电容支路串、并联阻尼电阻抑制策略研究

3．2基于LCL滤波的并网逆变器有源阻尼谐振抑制策略

3．3传统有源阻尼谐振抑制策略

3．3．1前向通路加入数字滤波器的有源阻尼法

3．3．2基于系统降阶的有源阻尼法

3．3．3基于状态变量反馈的有源阻尼法

3．4本章小结

第4章强鲁棒性并网电流反馈有源阻尼谐振抑制策略研究

4．1并网电流反馈有源阻尼法的可行性研究

4．2并网电流反馈有源阻尼法的等效阻抗

4．3并网电流反馈有源阻尼法的稳定性分析

4．4基于强鲁棒性的并网电流反馈有源阻尼调节器的设计

4．5仿真验证

4．6本章小结

第5章多逆变器并联系统的谐振分析及抑制策略研究

5．1多逆变器并联系统的数学模型

5．2多逆变器并联系统无阻尼状态下的谐振特性分析

5．2．1多逆变器并联系统的自身谐振特性分析

5．2．2多逆变器并联系统的并联谐振特性分析

5．2．3多逆变器并联系统的串联谐振特性分析

5．3多逆变器并联系统的谐振抑制策略

5．4仿真验证

5．5本章小结

6．1全文工作总结

6．2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所做的工作