高渗透率下基于并网逆变器阻抗重塑的锁相环设计方法

针对锁相环、电网阻抗与并网逆变器相互耦合所引发的系统稳定性下降问题。首先,建立考虑电网阻抗的锁相环控制结构模型,通过分析锁相环闭环传递函数可知,电网阻抗会使锁相环系统产生右半平面闭环极点,严重影响锁相环与逆变器系统的稳定性。其次,通过分析逆变器系统输出阻抗,说明锁相环所引入的负阻抗是逆变器系统稳定裕度下降的主要原因。鉴于此,该文提出一种新型锁相环设计方法,理论分析表明,所提方法既能够保证高渗透率下锁相环具有高鲁棒性,又能够对逆变器系统输出阻抗进行重塑,有效拓宽系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提新型锁相环设计方法的有效性。

并网逆变器非线性特性建模及稳定性研究综述

并网逆变器作为连接新能源分布式发电和电网之间的关键接口,发挥着将电能高效、高质量馈入电网的重要作用。随着新能源渗透率的持续提高,并网点处电网存在诸如高电网阻抗、丰富的低频谐波、电压幅值/频率波动甚至故障等复杂状况。鉴于并网逆变器本质上是一个多输入、强耦合的非线性系统,沿用传统的线性建模与分析方法已难以解释工程中的复杂谐波振荡现象,并网逆变器的稳定性分析及其稳定运行受到巨大挑战。为此,该文首先具体阐述了线性与非线性和系统受扰大小之间的关系,指出大干扰稳定性分析更依赖于非线性建模及分析方法的应用。在此基础上,对已见诸报道的并网逆变器稳定性分析方法进行了归纳和对比。然后,详细阐述了稳定性分析方法在并网逆变器特定非线性环节中的应用。最后,总结并讨论了现有研究的不足,以期进一步促进“双高”背景下并网装置非线性建模和稳定性分析的研究。

光伏多功能并网逆变器不同出力状态下无功和谐波优化方法

利用光伏多功能并网逆变器所具有的电能质量治理、谐波谐振抑制的主动优势,结合逆变器在不同出力状态下光伏发电系统的输出特性,构建光伏多功能并网逆变器不同出力状态下的无功和谐波优化方法。在所提3层优化策略中,上层优化策略以光伏并网有功功率最大化为目标函数,中层优化策略以电压谐波总畸变率和电压偏差达到相应电能质量规定指标为目标函数,下层优化策略以电压谐波总畸变率和电压偏差最小为目标函数,并采用自适应蚁群算法进行求解。基于IEEE 33节点系统进行算例分析,结果表明:基于逆变器不同出力状态的优化方法可以有效改善电网的电能质量,较好地提升电网运行的经济性;在系统稳定运行的基础上,光伏多功能并网逆变器在不同出力状态下分阶段、分主次地治理谐波和调整电压偏差,治理效果更佳。

永磁电机系统中冗余结构逆变器的可靠性分析对比研究

基于马尔可夫模型和可靠性框图模型,对永磁电机系统中并联冗余和备用冗余两种结构的逆变器在零件层面和系统层面进行可靠性分析,得到这两种结构逆变器的可靠性函数和平均无故障时间函数。首先,通过对比来确定判断何种冗余结构具有更高可靠性的边界条件函数。其次,分析边界条件函数随各参数的变化情况以及对冗余结构可靠性的影响,包括环境温度、电流、热阻抗和容错处理机制的成功率。然后,建立N相冗余逆变器的可靠性函数,并给出高可靠冗余结构中并联支路数和备用支路数量的确定方法。最后,以三相永磁电机逆变器为例,通过仿真和实验验证边界条件函数的准确性。

基于新型VLMZVM的ANPC型三电平并网逆变器环流抑制方法

为解决广泛应用在大功率分布式发电系统中的多机有源中点钳位(ANPC)型三电平并网逆变器间的低频零序环流问题,提出一种基于虚拟大矢量的新型十三矢量调制(VLMZVM)策略。通过建立多机ANPC型三电平并网逆变器零序环流模型,分析零序环流产生机理和影响因素,通过检测零序环流状态,实时选择虚拟大矢量或实际大矢量合成方法来抑制零序环流,并提出区分奇偶扇区的矢量分配方法快速选择合成矢量。实验结果验证了新型VLMZVM策略能在电流突变、参数不一致、全功率因数范围都具有很好的环流抑制效果。

基于电路等效的并网逆变器失稳分析与稳定控制

以并网逆变器为功率接口的新能源发电系统在弱电网条件下易发生振荡失稳问题。该文将并网逆变器的控制回路可视化为电路元件组成的虚拟阻抗,基于该电路模型分析了弱电网条件下电流内环与锁相环交互作用导致并网逆变器振荡失稳的机理,在此基础上,提出了基于有源阻尼的稳定控制设计方法,并对不同有源阻尼控制的电路特性以及稳定性提升能力进行了对比分析。研究结果表明,针对锁相环引入负电阻造成的振荡失稳问题,阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制策略具有更优的稳定性提升能力。最后通过PSCAD/EMTDC仿真和远宽StarSim控制器硬件在环实验对比了不同有源阻尼控制策略的振荡抑制效果,并验证了阻抗-高通滤波器型有源阻尼控制的动态性能。结果表明,所设计的稳定控制能够在200 ms内有效抑制系统振荡,并且可实现在短路比为1的极弱电网条件下稳定运行。

计及锁相环非线性特性的跟网型逆变器暂态稳定性分析

锁相环作为跟网型逆变器实现相位同步的关键环节,由于其本身所固有的非线性特性,在弱电网情况下,传统小信号模型可能存在不能准确预测锁相环暂态稳定性的问题。为保证受扰后锁相环的稳定运行,提出了一种基于非线性数学模型的稳定性分析方法。首先,根据锁相环工作原理,建立其二阶非线性微分方程,通过相平面法对锁相环输出特性进行定性分析,评估不同参数对锁相环暂态特性的影响;然后,基于等面积法则分析锁相环暂态失稳机理,鉴于传统等面积法则可能导致稳定性的误判,采用非线性动力学多尺度法对锁相环受扰后的暂态时域表达式进行求解,明确锁相环暂态稳定边界;最后,通过Matlab仿真和RT⁃LAB半实物平台验证了所得解析解和锁相环暂态稳定域的准确性,为弱电网条件下锁相环控制参数及电路参数选取提供一定参考。

计及采样扰动抑制的电压源逆变器三矢量无模型预测电流控制方法

针对传统电压源逆变器无模型预测电流控制(model-free predictive current control,MFPCC)方法存在电流纹波大、电流梯度更新停滞以及预测性能易受采样扰动影响的问题。该文提出一种计及采样扰动的三矢量MFPCC方法。在一个控制周期应用3个基本矢量,并根据价值函数计算矢量作用时间,降低了输出电流纹波;其次,通过建立不同矢量作用下的电流梯度方程组,实现电流梯度数据的实时更新,消除了停滞现象;再次,分析采样扰动对MFPCC的影响,采用扩张状态观测器估计采样扰动以补偿预测电流控制,抑制其对输出电流的影响。最后,通过仿真和实验,对所提方法的有效性进行了验证。

基于模态分析的多逆变器系统串并联谐振特性分析

基于模态分析的多逆变器系统谐振分析方法能够获得系统准确的谐振定位,但在谐振类型辨识方面存在不足。该文提出一种基于模态分析方法和参与因子计算的多逆变器系统谐振辨识方法。考虑线路阻抗,建立计及电容电流有源阻尼的逆变器诺顿等效模型。当逆变器组合变化时,对比串、并联谐振模态分析结果的差异。通过对系统谐振类型的划分,获取不同类型谐振的特征信息。针对不同类型谐振选择特定的模态分析方法,借助参与因子表现实现谐振类型辨识。最后,搭建仿真电路模型和实验平台,通过仿真和实验验证所得结论的正确性。

多电平级联H桥逆变器通用型离散模型及分岔与混沌行为特性分析

多电平级联H桥逆变器内部功率器件多、等效开关频率高、开关组合状态繁杂、离散数学模型建立难度大,其分岔、混沌动力学行为难以进行系统性分析。基于虚拟遍历法建立了具有N个单元的多电平级联H桥逆变器通用型离散映射数学模型;引入对交流变量跟踪性能更佳的准比例谐振控制器,并重点分析了比例增益、谐振增益、单元数量N变化以及主电路和控制电路中其他参数变化情况下的分岔、混沌行为特性;对比分析了引入混沌抑制前后系统稳定性变化情况。从方法论角度分别采用根轨迹图和折叠图验证了稳定性分析结果的正确性,并通过PSIM仿真和实验验证了相关结论的正确性和抑制分岔与混沌行为的有效性。

弱电网下基于电网电压前馈的并网逆变器阻抗重塑控制策略

弱电网下,锁相环在基波以上频段引入的负阻特性,会降低系统输出阻抗的相位,严重影响系统稳定性。鉴于此,该文通过系统控制框图等效变换,推导得到可以消除锁相环负阻特性的电网电压前馈函数,进而提出一种基于电网电压前馈控制的并网逆变器阻抗重塑控制策略。同时,为了提高该策略的普适性,该文利用函数近似和多目标约束为电网电压前馈函数的优化提供两种设计方法,并从系统基波电流跟踪性能、并网功率因数等方面进行误差分析,从而证明其函数优化设计方法的可行性。理论分析表明,优化后的电网电压前馈控制策略,可以有效地对系统输出阻抗相位特性进行重塑,很大程度上拓宽了系统对电网阻抗的适应范围。最后,通过仿真与实验验证所提控制策略的有效性。

基于自抗扰控制的H桥逆变器的混沌研究

为了解决新能源发电系统逆变器出现混沌的问题,提出了一种基于自抗扰控制的H桥逆变器的调节方案。针对处于混沌状态的逆变器的稳态和动态特性差的现象,构建了逆变器的离散模型,并通过建立跟踪微分器、扩张状态观测器以及状态误差反馈控制律进行混沌控制。通过分岔图、折叠图以及仿真分析,结果可知基于自抗扰控制的H桥逆变器比基于比例控制的H桥逆变器的稳定范围扩大了45%,有效地抑制了混沌现象的发生。通过分析可得出:该控制策略对系统的混沌行为能够进行抑制,拓宽了系统稳定工作范围。

适用于中点箝位型三电平逆变器的多目标调制策略

为同时实现中点箝位型三电平逆变器的中点电压平衡和共模电压降低,分别分析了基于载波脉宽调制(CBPWM)和基于虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)的中点电压平衡和共模电压降低方法。基于CBPWM提出一种可以降低共模电压的载波脉宽调制(RCMV_CBPWM)策略,可将大多数工作区域的共模电压限制在直流侧电压的1/6以内。为了实现上述2个目标,同时不过分增加开关损耗,在RCMV_CBPWM基础上提出了一种多目标调制(MOPWM)策略,在全调制度和全负载功率因数范围内,共模电压可限制在直流侧电压的1/6以内并实现中点电压平衡,且其开关损耗低于VSVPWM。比较了MOPWM、RCMV_CBPWM和VSVPWM在中点电压控制、共模电压降低和开关损耗降低方面的性能。实验结果验证了MOPWM的可行性和优越性。

高速低载频比传感信号下的逆变器有源阻尼自适应控制

逆变器工作在高频运行和控制载波比低的情况下,存在谐振尖峰抑制,提出了高速低载频比传感信号下的逆变器有源阻尼自适应控制技术。在高速低载频比传感信号下,构建逆变器数学模型。输出电流到电容电压与定子电流之间的传递函数,将逆变器的有源阻尼等效成一个控制电压环。调整有源阻尼自适应控制回路的参数,制定逆变器有源阻尼自适应控制策略。实验结果表明:文中技术的稳定裕度由2.46 dB下降至1.18 dB,可以保证逆变器的稳定运行;在不同采样频率下,可以控制逆变器输出与电网电压相同相位和频率的并网电流,其中在采样频率为5.9f时,输出并网电流和电压均表现为正弦状态,波动范围分别为[35 A,58 A]和[185 V,225 V],具有较好的控制效果。

面向多运行模式的并网逆变器改进控制策略

为了改善新能源并网逆变器的性能并同时满足多运行模式(并网模式和孤岛模式)调节需求,设计了双重自适应系数,并基于下垂控制和虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制提出了新颖的改进控制策略。该控制策略可灵活地调节惯量和阻尼以满足不同运行模式的需求。设计的双重自适应系数包括自适应协调系数和自适应惯量系数,前者可提高系统动态特性并增强适用性,后者可进一步改善功率超调和振荡问题以完全消除功率超调。所提出的改进控制策略的功率响应无超调和振荡,能够提供接近于VSG控制的惯量和阻尼特性且具有更快的响应速度,可同时满足并网模式下的功率调节需求和孤岛模式下的频率调节需求,具有更大的适用性和更优异的动态特性。最后,通过硬件在环实验验证了所提出的改进控制策略的有效性和可行性。

微电网并网逆变器频率自适应前馈双模重复-比例控制

重复控制因其能有效抑制谐波信号而被广泛应用于逆变器控制中,但其动态性能较差,且在电网频率波动时谐波抑制性能下降严重。为此,该文提出一种频率自适应前馈双模重复-比例控制。在双模重复控制的内模中加入前馈环节改善系统的动态性能,并使用无限脉冲响应滤波器实现对电网频率波动导致的分数延迟精确近似。该文给出频率自适应前馈双模重复-比例控制的原理、稳定性分析和参数优化设计过程。实验结果证明了所提出的控制方法在电网频率波动时能抑制并网电流谐波,且具有较好的动态性能。

一种两倍升压五电平开关电容逆变器

开关电容型逆变器具有使用单直流电源输入、电容电压自均衡、输出谐波含量低以及高电压增益的优势。本文提出一种新型五电平逆变器拓扑,该拓扑由1个直流电源、2个浮动电容、1个电感以及4对互补开关管构成;采用多载波层叠调制策略实现开关电容与输入电源的分时串并联运行;实现了2倍电压增益、五电平输出以及电容电压自均衡;通过增加电感抑制了开关电容充电时存在的脉冲电流,降低了开关管的电流应力。此外,逆变电路中没有单独二极管器件,使得该电路具有能量双向流动的能力,扩展了电路的应用范围。本文详细分析了电路的构成及工作过程,仿真及实验结果验证了所提出的逆变器具有可行性。

基于双重约束的并网逆变器电流自动化控制方法研究

为降低并网逆变器逆变的并网电流畸变率,提出基于双重约束的并网逆变器电流自动化控制方法。以典型的三相LCL并网逆变器为例,分析其运行状态;并确定并网逆变器在进行逆变转换时,谐波对于逆变器并网电流的影响,计算并网逆变器环路增益函数;采用输出电流直接前馈的改进阻尼控制方法实现电流自动化控制,并引入全局-局部稳定双重约束原则,确定最佳的谐振抑制参数,提升电流的控制效果。测试结果显示,该方法的并网逆变器的电流畸变率均低于5%,电流跳变过程中,可在0.2 s内有效控制跳变电流结果。

基于电流重塑的并网逆变器控制策略研究

针对传统光伏并网逆变器通常需要多个传感器采集电压与电流信号作为控制量,而电网中存在的各种谐波信号及传感器产生的误差对逆变器输出电能质量造成影响,导致逆变器输出电流谐波含量较高的问题,此处提出一种基于逆变器逆变侧电流重塑的控制策略,以逆变侧电流为系统控制信号,间接控制并网电流。首先对传统逆变器电压电流控制策略进行分析,得出逆变器控制信号之间的联系,然后利用并网电压对逆变侧电流信号进行重塑,将重塑后的电流作为逆变器控制信号,得到无电流传感器的控制方式,通过减少传感器数量降低逆变器控制信号中的谐波含量,改善输出电流的波形质量,并具有良好的动态性能。最后通过仿真分析和实验验证电流重塑的正确性和所提控制策略的可行性。

正弦波逆变器波形稳定混合控制策略研究

受蓄电池放电能力和实际电压限制,逆变器在稳定运行状态下,若瞬间断开或连接大负载,会使负载电压出现较大波动,严重时损坏设备。若直流母线电压较低,则逆变器输出的正弦波波形易产生削顶削底现象,对感性负载有影响。针对该问题,提出有效值闭环控制与定点电压闭环控制相结合的混合控制策略,在电压高于320 V时,采用定点电压闭环控制方式;若直流母线电压低于320 V,采用有效值闭环控制方式。经过仿真分析和实验验证,采用该混合控制策略,逆变器能够快速响应负载变动并使正弦波波形不会产生畸形。