运用于微电网储能系统的双向逆变器控制策略研究

摘要

本文研究交流微电网中电池储能系统双向逆变器的控制策略。微电网中，储能系统的主要作用是补偿可再生能源发电不稳定性和间歇性，匹配发电与负荷的功率差，提高微电网电压和频率的稳定性。储能系统的作用对它的并网接口双向逆变器提出了高可靠性、冗余性以及并网和孤网两种模式下稳定运行，交流母线的电压幅值和频率可调节等要求。本文综合这些要求以及逆变器各种并联控制策略的优缺点，选择下垂控制作为储能系统双向逆变器的控制策略。
　　 为了验证控制策略的正确性，搭建了双向逆变器原理样机实验平台。主功率电路方面以逆变器的电感电流开关纹波为入手点设计和选择LCL滤波器，控制电路方面利用DSP实现控制策略算法，并给出算法的程序流程图。
　　 提出了一种单功率环的下垂控制策略，利用逆变器滤波器感抗实现输出有功和无功功率解耦，并使用输出有功和无功电流分别下垂调节逆变器的输出频率和电压幅值，从而实现逆变器并网和孤网并联运行。在dq坐标系下建立了逆变器的小信号模型，设计和优化控制环路的补偿网络参数，分析在并网情况下的稳定性，并进一步分析采用相同控制策略和参数时逆变器孤网运行的稳定性，证明了所提出的下垂控制策略能够在两种模式下稳定工作，为储能系统并网和孤网无缝切换提供了理论基础。仿真结果证实了逆变器能够在两种模式下稳定运行，且逆变器的静态和动态输出波形与理论分析基本一致，证明控制策略的可行性和理论分析正确性。利用逆变器原理样机实验平台比较仿真和实验的静态、动态波形，验证了仿真和理论分析的准确性。
　　 针对死区效应和电网谐波引起的逆变器并网电流THD过大的问题，在所提出的下垂控制策略基础上，增加虚拟高频阻抗环路抑制谐波电流产生，改善了并网电流THD，同时不影响稳态时电压幅值和频率的下垂输出特性。同样在dq坐标系下建立逆变器小信号模型，设计和优化控制网络参数，分析系统在不同运行模式下的稳定性。仿真和实验证实了控制策略的可行性和理论分析的准确性。

目录

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论文说明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 微电网的提出与作用

1．1．2 储能系统的作用与分类

1．1．3 双向逆变器的要求

1．2 逆变器并联控制

1．2．1 集中控制方式

1．2．2 主从控制策略

1．2．3 分散逻辑控制

1．2．4 下垂控制并联策略

1．3 下垂控制策略综述

1．3．1 额外串联电感或连线寄生电感

1．3．2 虚拟电感控制策略

1．3．3 滤波器感抗策略

1．3．4 下垂控制策略建模

1．4 研究内容

2 储能逆变器原理样机实验平台

2．1 主功率电路

2．1．1 L1开关电流纹波计算

2．1．2 滤波器电容C1和L2的选择

2．1．3 电压电流采样点

2．2 控制策略实现平台

2．3 样机实物图

2．4 本章小结

3 单功率环下垂控制分析

3．1 逆变器主功率模型

3．2 逆变器控制策略

3．3 并网时逆变器数学模型和稳定性分析

3．3．1 并网运行时稳定性分析与补偿网络设计

3．3．2 仿真与实验

3．4 孤岛单机线性负载时稳定性分析

3．4．1 电阻负载时分析与小信号建模

3．4．2 仿真和实验

3．4．3 电感负载时系统分析

3．5 孤网并联特性分析

3．6 本章小结

4 虚拟高频阻抗下垂控制分析

4．1 并网电流谐波分析

4．2 提高滤波器阻抗策略

4．3 并网时控制策略稳定性分析

4．3．1 虚拟高频阻抗控制参数设计

4．3．2 并网时控制参数设计和稳定性分析

4．3．3 仿真和实验

4．4 单机孤岛稳定性分析

4．4．1 电阻负载时逆变器分析

4．4．2 仿真和实验波形

4．4．3 电感负载分析

4．5 孤网并联特性分析

4．6 本章小结

5 总结与展望

参考文献

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