并网变换器是可再生能源发电系统的重要组成部分,对系统的稳定和高性能运行起着关键的作用。由于可再生能源发电系统通常处于电网的末端,远离负荷中心,电网往往呈现弱电网的特性,对并网逆变器的控制提出了更高的要求。在弱电网下,并网变换器的电流控制会通过公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)电压与锁相环耦合在一起。因此,锁相环的动态响应会影响电流控制,使之不能呈现理想的控制性能,甚至导致系统不稳定。除此之外,用于抑制并网变换器启动冲击电流的PCC电压前馈也会严重影响弱电网下的电流控制性能,使电网电流产生谐波畸变。为此,本文针对三相LCL型并网变换器,研究了锁相环动态响应在弱电网下对电流控制性能的影响以及变换器的启动特性,从四个方面提出了改进方案:电流控制中锁相环小信号扰动的补偿、电流控制器参数设计、锁相环控制器参数设计和启动冲击电流抑制方法,以提高电流控制性能及其对电网阻抗变化的鲁棒性。本文建立了考虑锁相环影响的三相LCL型并网变换器电网电流控制系统的模型,分析了锁相环动态响应对电流控制性能的影响机理,指出了锁相环对并网变换器输出阻抗的影响。为后面章节中减弱锁相环影响方法的提出奠定了基础。针对并网变换器中锁相环在电流控制中引入的小信号扰动,本文提出了一种扰动补偿控制方法,以减弱弱电网下锁相环动态响应对电流控制性能的影响。该方法不但无需改变锁相环的内部结构,而且不会受到主电路参数变化的影响。然后,对不同补偿方法下并网变换器的输出阻抗进行了分析。最后通过实验验证了所提方法的有效性。除了锁相环引入的小信号扰动以外,对于并网变换器的电流指令突变,弱电网下锁相环也会对电流控制产生不利影响。然而,现有的电流控制器参数设计方法并没有考虑该影响,电流控制器并不具备减弱该影响的能力。因此,本文提出了一种弱电网下考虑锁相环影响的电流控制器参数优化设计方法。根据幅值裕度和相位裕度,推导了电流控制器参数的约束取值区间。分析了不同电流控制器参数对并网变换器输出阻抗的影响,并提出了控制器参数优化设计步骤。采用本文所提出的方法,可以使得电网电流控制不仅在强、弱电网下均具有足够的稳定裕度,而且还能减弱弱电网下锁相环动态响应对电流控制性能的不利影响,并且电流控制对电网阻抗变化具有较强的鲁棒性。最后通过实验验证了所提方法的有效性。除此之外,锁相环自身的性能好坏也将对并网变换器的高性能并网起到举足轻重的作用。在弱电网下,锁相环的同步电压往往呈现出不同程度的电压不平衡、谐波畸变等诸多问题。这样一来,锁相环性能将会大打折扣,进一步恶化并网变换器的电流控制。然而,现有的锁相环控制器参数设计方法都是仅考虑了锁相环自身的动态性能,并没有考虑弱电网下锁相环与电流控制之间的相互耦合。针对上述问题,本文考虑锁相环动态响应对电流控制性能的影响,提出一种弱电网下锁相环控制器参数优化设计方法。基于锁相环独立系统,根据相位裕度和谐波衰减度,建立了锁相环参数的约束取值区间。分析了不同锁相环控制器参数对并网变换器输出阻抗的影响,并提出了锁相环控制器参数优化设计步骤。采用本文所提出的方法,不仅使得锁相环自身具有良好的动、静态响应特性,而且能减小弱电网下锁相环动态对电流控制性能的影响,提高了电流控制系统对电网阻抗变化的鲁棒性。最后通过实验验证了所提方法的有效性。除了稳态运行以外,并网变换器的启动特性也至关重要。当并网变换器启动时,如果没有采取有效的控制策略,会产生严重的冲击电流,尤其是在整流运行的情况下,导致过流保护动作,甚至损害开关器件。传统的抑制启动冲击电流的方法是采用PCC电压前馈。然而,在弱电网下,PCC电压直接前馈会在电流环中引入一个正反馈通路,包含了电网电流和电网阻抗的相关信息,会激起大量电流谐波。针对上述问题,本文深入分析了强、弱电网下并网变换器启动冲击电流的产生机理、电压前馈对启动冲击电流的抑制机理,以及弱电网下电压前馈对电流控制性能的影响,提出了滤波电容电压基波正序d轴分量前馈控制方法,分析了弱电网下不同电压前馈方法对并网变换器输出阻抗的影响。该方法不仅可以有效抵消电网电压扰动,抑制启动冲击电流,而且可以改善电网电流在弱电网下的波形质量。最后通过实验验证了所提方法的有效性。
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