数字控制型并网逆变器与多机并联系统的稳定性分析

摘要

并网逆变器是连接分布式电源和电网的绿色桥梁，由于数字控制具有一致性好、抗干扰能力强等优点，在并网逆变器中得到广泛应用，因此数字控制并网逆变器的稳定性直接决定并网逆变系统能否安全可靠运行。随着分布式发电系统规模的日益增长，逆变器从单机并网向多逆变器并联组成大规模系统并网的方向发展。多逆变器间的交叉耦合使系统稳定性问题变得严峻，逆变器单机稳定并不能保证多机并联后系统仍然稳定。本文针对数字控制逆变器以及多逆变器并联系统稳定性问题，首先建立了三相系统等效到单相的稳定性分析模型，使后文以单相系统为例的分析可方便地扩展到三相系统中；其次系统地分析了数字控制延时对单环与双环控制单相并网逆变器稳定性影响，提出稳定性改善方法；以此为基础，论文最后分析了多逆变系统稳定性问题，提出通用的多逆变系统稳定判据，为多逆变器并联系统稳定性优化提供理论依据。并网逆变器根据输出相数的不同，可分为中小功率中常用的单相逆变器与中大功率中常用的三相逆变器。为获得零稳差特性，三相逆变器常在dq旋转坐标系下控制。dq轴间的耦合导致三相与单相逆变器的稳定性分析存在差异，虽然不少文献忽略耦合，直接将二者等效也获得了正确的结果，但二者的关联与差异未得到系统深入的研究。
　　本文建立了旋转坐标系下PI控制器在静止坐标系下的精确等效模型，定量比较了旋转坐标系下PI控制器与静止坐标系下PI、PR控制器的异同，分析了PI模型与精确等效模型可近似等效的前提条件，解决三相系统与单相系统稳定性等效分析的问题；最后通过实验验证了精确模型相比PI、PR模型的优势。所建精确模型可方便地将以单相系统为例的分析拓展到三相系统。数字控制延时改变系统相频曲线，从而影响系统稳定性。以往的分析中通常认为数字控制引入的延时时间由 DSP的中断模式与装载模式决定，其大小等于载波周期或载波周期的一半。数字控制延时为固定值的特例分析不能全面体现延时的作用。本文第三章以 LCL型并网逆变器的单电流环控制为例，系统地探讨了单环控制下数字控制延时对系统稳定性的影响，揭示了数字控制延时影响系统稳定性的本质。依据延时引入的相角滞后与延时时间呈正比的特性，提出了系统稳定边界估算方法，在此基础上，提出了一系列延时时间调整方法，通过优化延时改善稳定性，使系统在原来不能稳定的参数下稳定运行，最后通过实验验证了理论分析的正确性。所提分析方法同样适用于其他单环控制系统稳定性的分析。由于电容电压前馈可等效为电网电压前馈与网侧电感压降反馈的叠加，以带电容电压前馈的逆变侧电感电流单环控制为例，研究了数字控制延时对双环控制系统的影响。将内环视为改造系统控制对象、抑制谐振峰的“阻尼”环节，研究了前馈通道（等效内环）与前向通道（等效外环）延时对系统稳定性的影响。增加电容电压前馈后，LCL滤波器固有谐振峰被抑制；然而，若延时时间未得到合适控制，前馈在抑制LCL滤波器谐振峰的同时可能引入新的谐振峰，抵消甚至完全消除前馈（内环）的“阻尼”效果。详细分析了前馈通道延时对谐振峰抑制效果的影响，提出通过减小延时以改善系统适应性的控制方法，该方法可大幅降低对外环数字控制延时的限制，改善逆变器对弱网的适应能力，仿真与实验结果验证了分析结论的正确性。所提分析方法可用于分析其他双环控制系统的稳定性。有文献报道了随着逆变器并联数量的增加，系统输出电能质量变差，甚至系统失稳的现象。针对特定案例的分析虽然解释了部分现象，但分析结论适用范围窄，分析方法也难以推广到其他系统。考虑组网架构、控制策略等因素的影响，建立了多逆变器并联系统通用分析模型，提出了多逆变系统通用稳定判据。将电压控制型逆变器或电网完全等效、电流控制型逆变器分别等效为戴维南、诺顿支路，考虑控制策略和本地负载对支路结构的影响，构建通用稳定性分析模型，通过评估公共连接点电压的稳定性推导出通用稳定判据。该判据仅通过一个传递函数评估多逆变系统稳定性，简化了分析。特殊参数下的稳定判据衍生出一系列结论，与已有相关研究结论一致，体现了判据的通用型。通过仿真对比分析了控制延时、控制策略等因素对系统稳定性的影响，给出了不同组网架构下主动致稳策略，验证了稳定判据的正确性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景

1.2数字控制逆变器稳定性问题和研究现状

1.3选题依据和本文主要研究内容

2 旋转坐标系下PI控制器在静止坐标系下的精确等效模型

2.1引言

2.2精确等效模型

2.3旋转坐标系下PI控制器适用PI模型条件分析

2.4基于精确等效模型的系统稳定性分析

2.5本章小结

3 数字控制延时对单环控制下并网逆变器稳定性影响分析

3.1引言

3.2单电流环控制下考虑数字控制延时的系统稳定性分析

3.3考虑数字控制延时的系统稳定域分析

3.4实验验证

3.5本章小结

4 数字控制延时对带电容电压前馈的单环控制系统稳定性影响

4.1引言

4.2无前馈下逆变侧电感电流单环控制局限性分析

4.3电容电压前馈对系统稳定性影响

4.4仿真与实验验证

4.5本章小结

5 多逆变器并联系统稳定性分析

5.1引言

5.2多逆变器系统通用分析模型与稳定判据

5.3多电流控制型逆变器并联电压控制型逆变器系统稳定性分析

5.4多电流控制型逆变器并联并网系统稳定性分析

5.5本章小结

6 全文总结

6.1本文工作总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录、专利

附录2 攻读学位期间参与的主要科研项目