弱电网环境下基于LCL滤波器的光伏并网逆变器鲁棒电流控制研究

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近年来,随着绿色、高效、低碳的能源需求,分布式新能源发电产业得到了长足的发展。由于并网逆变器是连接分布式电源和大电网之间的必备接口,因此对并网逆变器的稳定性及控制方法的研究得到越来越多的重视。考虑到常见的分布式新能源,比如光伏,风电,其实际地理位置分布往往偏离负荷中心,在这种情况下长距离的输电线路及变压器的漏抗就会使得大电网呈现为弱电网的特性。在弱电网下,由于电网阻抗的时变特性,会影响并网逆变器注入电网的并网电流质量,这也使得对并网逆变器在弱电网下的控制方法提出了更高的要求。为适应实际并网系统对并网电流质量的高要求,以滑模变结构理论为基础的现代控制算法被广泛用于并网逆变器系统。本文以基于LCL滤波器的单相并网逆变器系统为研究对象,为了提升逆变器输出的并网电流质量、增强系统对滤波参数摄动及电网阻抗变化的适应能力,提出了两种并网电流控制策略。这两种控制策略分别是基于滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)的嵌入主动阻尼方法的新型复合滑模电流控制(Compound Sliding Mode Current Control,CSMCC)策略和基于Super Twisting算法的带主动阻尼方法的超扭曲滑模控制(Super Twisting Sliding Mode Control,STSMC)策略。论文具体研究内容如下:(1)对常见的并网滤波器的滤波特性和结构进行比较,综合各方面因素后选取LCL滤波器作为滤除逆变器输出侧开关次谐波的器件,并给出LCL滤波器参数的详细设计过程。为了抑制LCL滤波器的固有谐振峰给并网电流质量带来的不良影响,分析无源和有源两种阻尼方法的优缺点,着重研究考虑电网电压前馈时改进加权平均电流(Weighted Average Current,WAC)有源阻尼方法的机理。并将其引入到整个系统的并网电流质量提升中。(2)针对弱电网下的单相并网逆变器系统,本文提出一种新型的基于SMO的带主动阻尼的CSMCC。首先,为了估计LCL滤波器的逆变器侧电流和电容电压,设计具有自适应开关函数项的SMO,所设计的SMO能够减少传感器的使用数量,增加系统可靠性。与常规SMO相比,所设计的SMO能削弱抖振。然后,在借鉴滑模变结构理论的基础上提出一种新型的CSMCC策略,以增强对参数变化的鲁棒性。最后,采用基于WAC的主动阻尼方法为CSMCC提供反馈电流。此外,还分别对SMO和CSMCC的稳定性进行分析。Matlab仿真平台和Star Sim实时仿真平台的结果表明,所提出的基于SMO的带主动阻尼的CSMCC控制策略可以使弱电网中的单相并网逆变器系统具有满意的动态和稳态性能以及较强的鲁棒性。(3)由于不连续的切换控制,SMC方法存在抖振,为了使系统在保持强鲁棒性的基础上削弱该问题,本文提出另一种设计简单且高效的并网电流控制策略。首先,建立在WAC阻尼方法的基础上增加阻尼电阻的单相LCL型并网逆变器的数学模型。然后,引入超扭曲(super twisting,ST)算法设计出STSMC电流控制策略。最后,将所设计的STSMC策略与PR策略在Matlab仿真平台中进行控制效果对比,验证STSMC策略的有效性。
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