分布式发电中三相三电平并网逆变器的若干关键技术研究

摘要

分布式发电以其发电方式灵活、能源利用率高、环境污染小等优点成为近年来发展较快的一种供电模式。并网逆变器作为分布式发电连接电网的接口，在风力发电、光伏发电和燃料电池发电等分布式发电中具有重要的作用，甚至在一定程度上决定了分布式发电所能提供的电能质量。分布式发电并网逆变器所接入的电网通常都是相对较弱的配电网，容易受负载的影响而发生畸变，也可能因短路等故障而产生三相不平衡现象。多电平逆变器不通过器件的直接串联提高了交流器的电压，随着分布式发电功率等级的提高，多电平逆变器有望在分布式发电中得到广泛应用。在分布式发电的并网技术标准中，孤岛检测、低电压穿越、有功功率和无功功率的控制都涉及并网逆变器的两项关键技术:锁相技术和并网逆变器的控制技术。所以本文主要选择电网谐波和不平衡条件下的锁相方法、中点钳位型三电平并网逆变器的控制方法作为重点内容开展研究。
　　针对小功率分布式发电通常接入的单相电网，本文比较了几种典型的单相电网锁相方法，深入分析了其在理论上或实用中的优点和不足，评估了在电网谐波情况下的性能，然后在此基础上提出了一种改进的单相畸变电网锁相方法，改进方法的核心部分是一个由主模块和多个谐波模块组成的交错耦合反馈结构，其中主模块是依据梯度下降法来估测基波幅值频率的锁相环，谐波模块是简单的二阶陷波滤波器。主模块作为主要的功能模块来估测输入信号中的基波分量，谐波模块配置在谐波频率处将得到的谐波分量反馈回输入信号。改进的方法易于实现，不但在电压信号严重畸变时具有较高的锁相精度，而且在电压信号发生突变时还具有较快的响应速度。
　　针对三相不平衡电网，本文介绍了三相不平衡电网的一些常用锁相算法，分析了这些算法的基本原理和优缺点，在此基础上提出了一种基于静止坐标系下直接梯度下降法的锁相环。该锁相环结构简单，不需要将电网电压变换到同步旋转坐标系，在静止坐标系下通过数值算法求解根据梯度下降原理得到的非线性方程组，直接估测出正负序分量的幅值、相位和频率。通过实验评估了该锁相方法的性能，实验结果表明，所提方法对对输入电压的噪声不敏感，在三相电压不平衡时稳态精度高，在电网发生不平衡故障时，响应速度快，即使电网电压在故障后相位、幅值和频率均有大幅跳变，也基本能在两个工频周期以内完成锁相。
　　针对三电平并网逆变器的控制策略，本文提出了一种有限集最优预测(FiniteSetOptimalPredictive，FSOP)控制方法，该方法将27个开关矢量看成一个有限集，然后在此有限集中搜索使罚函数最小的开关矢量，其中罚函数是由输出电流误差、中点不平衡电压和器件开关次数组成的加权和。本文详细推导了中点钳位型三电平并网逆变器的状态空间模型，并给出了FSOP控制方法的设计步骤和程序流程图，最后通过仿真和实验评估了FSOP控制方法的性能。实验结果表明，与传统方法相比，FSOP控制方法跟踪参考电流和平衡中点电压的速度快，平均开关频率低，对电网谐波扰动不敏感，对模型参数具有一定的鲁棒性，通过调整罚函数中的加权系数，该方法还可以非常灵活方便的优化并网逆变器的综合性能。
　　针对三电平并网逆变器的工程实践问题，本文提出了一种适用于多电平并网逆变器的高效仿真方法。多电平逆变器的控制方法复杂，拓扑结构还在不断发展，在对多电平逆变器的拓扑结构及控制算法没有准确掌握的基础上，直接进行实物实验需要花费较多的人力、物力，还存在很多安全隐患。所以，非常需要一种高性能的多电平逆变器的仿真方法，仿真方法与实物的差别越小越好。本文设计并实现了一种基于Saber软件的高性能仿真方法，该方法对影响控制系统性能的死区时间、量化误差、数字延迟等因素都进行了有效的模拟，仿真速度快，仿真结果可靠性高，并可方便移植到实物系统中。该仿真方法对控制算法还具有离线调试功能，能细致入微地分析算法的具体实现细节，可以作为工具来探索一些高级的控制方法。本文还介绍了比例谐振(PR)控制器在定点型DSP中实现时遇到的问题，介绍了实验样机的硬件和软件保护方法，给出了实验现场的部分照片。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．1．1 分布式发电概述

1．1．2 分布式发电与电网的连接方式

1．1．3 分布式发电并网标准

1．1．4 多电平逆变器概述

1．1．5 风力发电系统介绍

1．2 分布式发电并网逆变器的研究热点

1．2．1 孤岛检测方法

1．2．2 并网电流控制策略

1．2．3 三电平逆变器中点电压平衡策略

1．3 本文的选题意义及主要的研究工作

参考文献

第2章 电网谐波背景下单相电网的锁相方法

2．1 典型的单相电网锁相方法

2．1．1 过零点检测法

2．1．2 基于乘法鉴相器的锁相环

2．1．3 基于自适应陷波器的锁相环

2．1．4 基于带频率环二阶广义积分器的锁相环

2．1．5 基于级联滤波器的锁相环

2．1．6 基于MSOGI-FLL的锁相环

2．1．7 典型单相电网锁相方法比较

2．2 改进的单相电网锁相方法

2．2．1 梯度下降法

2．2．2 AFPLL模块

2．2．3 NF模块

2．2．4 复合结构

2．3 实验结果

2．3．1 稳态对比实验

2．3．2 噪声抑制实验

2．3．3 电网含非特征次谐波实验

2．3．4 动态锁相实验

2．4 本章小结

参考文献

第3章 三相不平衡电网的锁相方法

3．1 三相不平衡电网的常用锁相方法

3．1．1 同步坐标系软件锁相环

3．1．2 基于对称分量法定义的锁相环

3．1．3 基于静止坐标系下正负序解耦的锁相环

3．1．4 基于同步坐标系下正负序解耦的锁相环

3．1．5 基于微分运算的锁相环

3．2 基于静止坐标系下梯度下降原理的锁相环

3．2．1 DGDA-SPLL的原理

3．2．2 DGDA-SPLL的结构

3．2．3 DGDA-SPLL性能评估

3．2．4 DGDA-SPLL控制参数的选择

3．3 本章小结

参考文献

第4章 三电平并网逆变器的有限集最优预测控制

4．1 预测控制概述

4．2 有限集最优预测控制方法

4．2．1 自然坐标系下数学模型

4．2．2 αβ坐标系下数学模型

4．2．3 离散数学模型

4．2．4 加权罚函数

4．2．5 算法流程

4．3 实验结果

4．3．1 仿真实验

4．3．2 实物实验

4．4 本章小结

参考文献

第5章 工程实践

5．1 实验样机系统结构

5．2 多电平并网逆变器高效仿真方法设计

5．2．1 仿真方法的设计原则

5．2．2 主电路仿真器件设计

5．2．3 控制系统设计

5．2．4 PWM信号生成

5．3 PR控制器在定点DSP中的实现方法

5．3．1 系数放大倍数的选择

5．3．2 运算过程中截断误差的影响

5．4 硬件和软件保护设计

5．5 现场实验照片

5．6 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 今后工作展望

读博期间发表的论文