不平衡电网电压下多功能光伏并网逆变器的控制策略研究

摘要

随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，充分利用太阳能等可再生能源发电成为了未来发展的趋势。微电网作为分布式发电并入电网的一种有效方式，近年来吸引了越来越多学者的研究。在分布式发电大量接入的同时，微电网中出现了各种各样的电能质量问题，其中谐波污染和无功污染最为常见。光伏发电作为微电网中最普遍的发电形式，由于光伏并网逆变器的拓扑结构与传统有源滤波器的结构相似，为了节约成本，只需要对其控制策略进行研究便可实现对微电网电能质量的治理，把这种具有电能质量治理功能的光伏并网逆变器称为多功能光伏并网逆变器。　　现有大量对多功能光伏并网逆变器的研究主要集中在如何进行谐波和无功补偿的控制，这些研究主要是针对如何利用逆变器的输出电流去治理微电网电能质量。然而，微电网中还经常会出现电网电压不平衡的情况，这时会导致逆变器自身输出的有功电流出现谐波分量，并影响其运行的稳定性。在这种情况下，为了实现不平衡电网电压条件下微电网电能质量的治理，本文对多功能光伏并网逆变器在不平衡电网电压下的控制策略进行了研究。　　本文首先对选题背景和研究现状进行了介绍，阐述了该课题研究的目的和意义。然后对多功能光伏并网逆变器的拓扑结构进行了分析，简要分析了其前级Boost电路，重点分析了后级逆变电路，分别构建了三相全桥逆变电路在电网电压平衡和不平衡时的数学模型。接着对多功能光伏并网逆变器的指令电流进行了分析，包括谐波、无功指令电流和并网功率跟踪指令电流，为了在不平衡电网电压下检测微电网中的谐波和无功电流分量，采用了一种基于FBD功率理论的谐波检测法；为了抑制不平衡电网电压对逆变器自身输出有功电流质量的影响，采用了正负序解耦的方法来获取并网功率跟踪指令电流。紧接着对多功能光伏并网逆变器在电网电压不平衡下的总体控制策略进行了研究，包括基于滑动平均滤波的正负序解耦锁相控制、新型正负序联合控制、基于多准PR（比例谐振）控制器的复合控制，不仅消除了不平衡电网电压对逆变器自身的影响，还对微电网中的谐波和无功电流进行了补偿。在此基础上，还进一步分析了一种基于层次分析法的协同控制策略，使得多功能光伏并网逆变器在补偿容量有限的情况下对微电网电能质量进行最优化治理。　　最后，通过Matlab/Simulink的仿真分析和10kW多功能光伏并网逆变器实验平台的搭建，验证了本文所采用控制策略的有效性和可行性。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 多功能光伏并网逆变器的研究现状

1.2.1 并网型光伏发电系统结构

1.2.2 多功能并网逆变器的研究现状

1.2.3 多功能并网逆变器控制策略的研究现状

1.3 本文研究的主要内容

2 多功能光伏并网逆变器建模与分析

2.1 多功能光伏并网逆变器拓扑结构

2.2 前级Boost电路分析

2.3 多功能光伏并网逆变器的数学模型

2.3.1 电网电压平衡下多功能光伏并网逆变器的建模

2.3.2 电网电压不平衡下多功能光伏并网逆变器的建模

2.4 本章小结

3 多功能光伏并网逆变器的指令电流

3.1 谐波与无功指令电流检测方法

3.1.1 频域下的谐波检测法

3.1.2 时域下的谐波检测法

3.1.3 自适应谐波检测法

3.1.4 本文所采用的谐波与无功电流分量检测法

3.2 并网功率跟踪指令电流

3.2.1 电网电压平衡时的并网功率跟踪指令电流

3.2.2 电网电压不平衡时的并网功率跟踪指令电流

3.3 本章小结

4 不平衡电网电压下多功能光伏并网逆变器的控制策略

4.1 不平衡电网电压下的锁相控制策略

4.1.1 传统SRF-PLL锁相控制策略

4.1.2 基于滑动平均滤波的解耦锁相控制策略

4.2 不平衡电网电压下的综合控制策略

4.2.1 不平衡电网电压下的新型正负序联合控制策略

4.2.2 基于多准PR控制器的综合控制策略

4.3 不平衡电网电压下的协同控制策略

4.3.1 微电网电能质量的综合评估和定制

4.3.2 基于层次分析法的协同控制策略

4.4 本章小结

5 仿真与实验分析

5.1 多功能光伏并网逆变器的硬件设计

5.1.1 功率开关管

5.1.2 采样电路

5.1.3 过零检测电路

5.2 多功能光伏并网逆变器的软件设计

5.2.1 主程序

5.2.2 数据采集和处理程序

5.2.3 软件锁相程序

5.3 系统仿真结果与分析

5.3.1 MAF-PLL的仿真分析

5.3.2 新型正负序联合控制策略的仿真分析

5.3.3 不平衡电网电压下综合控制策略的仿真分析

5.3.4 协同控制策略的仿真分析

5.4 系统实验结果与分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果