逆变系统并联运行的关键技术研究

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逆变器的并联运行是逆变电源供电系统由集中式供电向分布式供电的发展趋势。逆变并联技术是实现高可靠性、高冗余性及高可扩展性交流电源系统的技术基础,同样也是实现风能、太阳能等新能源发电的关键技术之一。本文在总结现有国内外逆变器并联技术的基础上,深入研究了逆变并联系统在不同工作场合的关键技术问题,具体研究内容如下:系统不均流度和输出电压总谐波失真度(Total Harmonic Distortion,简称THD)是UPS(Uninterrupted Power Supply,简称UPS)系统重要性能指标。本文阐明了基于传统PR结构的控制器在抑制输出电压谐波的局限性,提出了输出阻抗重塑机制,即通过增加自适应虚拟容抗使特定频率处的输出电压接近于零从而降低输出电压THD。同时,基于瞬时平均电流控制(The Instantaneous Average Current Sharing,简称IACS)思想并结合多年从事UPS研究和开发的经验,提出了基于虚拟环流阻抗均流控制器,以此增大环流阻抗提升系统的均流度。实验结果表明在本文算法的作用下系统能够获得良好均流性能,同时将输出电压谐波抑制在较低水平。针对单母线型并联系统,当线路阻抗失配时采用传统的下垂控制会使输出功率造成偏差。为了提高输出功率分配的精度,本文基于“P/ω,Q/E”下垂控制理论,分析了线路阻抗的差异对功率分配造成误差的机理。在此基础上,提出了增强型电压补偿控制策略,即采用自适应算法计算出线路压差补偿了基波电压,优化了传统电压下垂方程,提升了无功功率分配效果;又通过在谐波频率处添加自适应虚拟阻抗实现对补偿谐波电压,提升了谐波功率的分配效果。此外,本文依据小信号模型分析了控制参数对系统的影响,最后在非线性负载条件下验证了该算法的有效性。并网逆变器存在孤岛和并网两种不同的运行模式,针对并联系统在模式切换时产生的冲击,本文在传统双闭环控制的基础上通过引入功率外环建立了级联控制结构并提出了一种平滑切换控制策略。重点关注―并网——孤岛‖模式的切换过程,围绕如何增强系统的阻尼和惯量分别在孤岛和并网运行模式下对外环控制器进行设计,从而有效降低切换时相角和幅值波动。此外,本文对锁相控制展开研究,优化了二阶广义积分器(Second–Order General Integrator,简称SOGI)控制结构解决了滤除直流偏置的实时性问题,同时引入非线性算子提升锁相速率。结果表明新算法在实现系统离网过程平滑切换的有效性。针对下垂控制引起的分布式系统幅值、频率偏差和功率不平衡问题,本文基于有限时间控制思想,在无向拓扑条件下提出了一种二次控制协议同时解决了一阶线性MAS系统电压跟踪问题和功率同步问题。在二次频率恢复控制中,基于符号函数构造出单一控制协议同时实现了频率恢复和有功精确分配;在二次电压恢复控制中,将第三章提出的电压补偿控制策略推广至分布式系统,并以此为基础提出了二级电压——无功功率控制协议解决了因线路阻抗失配而导致的电压恢复和无功分配不能兼顾实现的问题。本文基于Lyapunov稳定性判据对有限时间控制器的收敛性进行了严格理论证明。最后,通过算例分析并与现有分布式协议进行了比较,以验证该控制协议在功率分配、收敛速度、大规模系统适应性等方面的优势。
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