并网逆变器多模式运行稳定性分析及其多模型控制研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chppxhn
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电流控制型并网逆变器由于发电效率高、并网电能质量好得到了广泛应用。然而,大规模新能源发电一般远离负荷中心,通常需要经过长距离线路和多级变压器进行输电。因此新能源发电单元接入点(point of generating unit connection,PGUC)存在一定的等效电网阻抗。又由于新能源的随机性和波动性,其输出功率不断变化,导致PGUC等效电网阻抗也不断变化,从而使电网呈现短路比(short circuit ratio,SCR)大幅波动的弱电网状态。近年来,电流控制型并网逆变器与弱电网阻抗之间复杂的动态交互作用,已经引起了一系列谐振和不稳定问题。电压控制型并网逆变器能够模拟同步发电机外特性,给电网提供有益支撑,有效提升了弱电网下并网系统的稳定裕度,但其在强电网中稳定裕度较低,存在不稳定风险。另一方面,为了补偿等效电网阻抗导致的末端压降,提高新能源的远距离输电能力,输电线路可能接入一定的串补设备。串补设备主要呈容性,对等效电网阻抗的低频段有大幅影响,更增加了电网阻抗的不确定性,并引起了次同步振荡等新的不稳定模态。上述复杂的电网状态,对新能源发电系统稳定、高效运行带来了极大挑战。无论是电压控制型还是电流控制型并网逆变器都无法在电网阻抗大幅变化时宽范围稳定运行。针对以上问题,本文建立了电流控制型并网逆变器和电压控制型并网逆变器(下垂控制、虚拟同步机)的序阻抗模型,采用阻抗分析法分析了它们在不同电网模型中的并网特性和振荡机理,并提出了电压控制型并网逆变器的次同步振荡抑制策略。在此基础上,本文提出了根据不同的电网状态自适应改变控制方法的多模型控制策略,从而实现了电网阻抗大幅变化时并网逆变器的稳定运行。本文的主要研究工作和创新如下:1)针对阻感性电网中电流控制型和电压控制型并网逆变器的稳定性问题,分别建立了电流控制型并网逆变器、下垂控制型并网逆变器、虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)的序阻抗模型,并采用阻抗分析法分别对其并网稳定性进行分析,讨论了控制参数、线路阻抗等因素对其并网稳定性的影响,得出在阻感性电网中电流控制和电压控制的并网稳定性具有很好的互补特性的结论。2)针对串补电网中下垂控制型并网逆变器的次同步振荡问题,采用阻抗分析法对其次同步振荡机理进行分析,在此基础上提出了基于同步旋转坐标系虚拟电阻的次同步振荡抑制策略,并建立了加入虚拟电阻的下垂控制序阻抗模型,最后通过阻抗稳定性分析证明虚拟电阻策略能够有效提升下垂控制型并网逆变器在串补电网中的并网稳定性。3)针对串补电网中VSG的次同步振荡问题,建立了考虑无功环的VSG序阻抗模型,采用阻抗分析法对其次同步振荡机理进行分析,在此基础上提出了基于三相静止坐标系虚拟电阻的次同步振荡抑制策略,并建立了加入虚拟电阻的VSG序阻抗模型,最后通过阻抗稳定性分析证明虚拟电阻策略能够有效提升VSG在串补电网中的并网稳定性。4)针对电网阻抗大幅变化时并网逆变器的稳定性问题,提出了能够辨识不同电网状态的多模型估计方法和根据不同电网状态自适应切换控制方法的多模型控制策略,并在此基础上研究了多模型切换方法。最后,本文搭建了20k W多逆变器系统平台,并通过实验验证了理论分析的正确性和所提策略的有效性。
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