自抗扰控制在光伏并网发电系统低电压穿越中的应用研究

摘要

近年来，光伏产业发展迅速，已成为电力供应的重要组成部分。光伏发电主要基于电力电子设备，其耐压和耐流能力不及传统发电机，电网故障时，易发生脱网现象，大面积的脱网会对电力系统造成巨大损失。因此，故障期间对系统进行低电压穿越（Low Voltage Ride Through,LVRT），使系统不脱网运行具有重要意义。光伏系统对外界环境变化较为敏感，光照的改变、电网的波动等都会影响系统的运行性能。而故障情况下，会出现更复杂多变的干扰，如电压尖峰、2倍频波动等。目前光伏系统的控制方法主要以PI为主，其鲁棒性仍不尽人意；相比之下，自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)利用对“总扰动”的补偿作用，在扰动未对系统输出产生影响之前将其抑制，有效从根源上消除误差。鉴于此，本文将ADRC的思想融入光伏系统的低电压穿越中，以提升系统的运行性能和不脱网能力。主要研究工作如下：
　　1)本文从光伏并网系统的结构入手，将其分解为：光伏电池、DC/DC变换器和 DC/AC变换器三个部分，并对其分别建立数学模型；接着深入分析了最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法的实现过程和基于电压定向控制(Voltage-Oriented Control,VOC)的双闭环控制法，并据此通过MATLAB仿真平台搭建了系统模型，为进行低电压穿越研究奠定了基础。
　　2)在电网对称故障下，针对传统PI调节抑制直流电压尖峰能力之不足，提出了基于ADRC和线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)的低电压穿越策略。先结合ADRC的控制思想和光伏系统的数学模型建立了与之对应的“抗扰范式”模型，并详细分析了“抗扰范式”中各组成元素的含义。接着在此基础上设计出基于ADRC和LADRC的光伏低电压穿越系统并对ADRC与LADRC的参数进行了优化整定。通过仿真实验，从本质上剖析了ADRC抑制扰动的机理，结果表明，所提出的策略对光照突变下的扰动和对称故障下的电压尖峰都达到了理想的抑制效果，增强了系统的运行性能和不脱网运行能力。
　　3)在电网不对称故障下，传统PI控制对2倍频波动的抑制能力有限，鉴于此，本文提出了基于ADRC和LADRC的有功功率恒定控制策略，以使系统完成低电压穿越。首先，在分析ADRC原理及正负序分离结构的基础上建立了不对称电网下系统的“抗扰范式”模型；然后，设计了基于ADRC和LADRC的光伏低电压穿越系统并优化整定了控制器参数。仿真结果表明，所采用的策略对有功功率和直流电压的2倍频波动皆有很好的抑制效果，从而改善了电能质量，具有更高的工程参考价值。

目录

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 选题的背景

1.2 选题的意义

1.3 光伏并网发电系统低电压穿越技术的研究综述

1.4 自抗扰控制技术概述

1.5 论文的主要内容及章节安排

1.6 本章小结

第2章 三相光伏并网发电系统的数学建模与控制策略

2.1 引言

2.2 光伏系统主电路拓扑及光伏电池的数学模型

2.3 DC/DC变换器数学模型和MPPT控制策略

2.5 三相光伏并网逆变器的数学模型和控制策略

2.6 本章小结

第3章 基于ADRC的光伏并网发电系统低电压穿越控制方法研究

3.1 引言

3.2 传统低电压穿越控制策略

3.3 基于ADRC的光伏并网发电系统低电压穿越控制策略

3.4 基于LADRC的光伏并网发电系统低电压穿越控制策略

3.5 仿真实验及结果分析

3.6 本章小结

第4章 基于ADRC的电网不对称故障下光伏并网发电系统低电压穿越控制方法研究

4.1 引言

4.2 电网不对称故障下三相光伏并网逆变器的数学建模

4.3 电网不对称故障下光伏并网发电系统运行性能及控制策略分析

4.4 基于ADRC的电网不对称故障下低电压穿越控制策略

4.5 基于LADRC的电网不对称故障下低电压穿越控制策略

4.6 仿真实验及结果分析

4.7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 光伏系统Matlab仿真模型