基于视在阻抗的并网变流器稳定性分析

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一次能源的快速消耗和严重的环境污染问题,加速了新能源诸如太阳能、风能等的研究和应用。新能源发电具有不稳定性,直接接入电网时会对电网可靠性和电能质量造成不利的影响。在新能源发电的飞速发展以及电网对于灵活可控的电力的需求持续增长的背景下,电力电子变流技术在电力系统中的应用场合日益广泛。三相PWM变流器由于控制灵活、功率因素连续可调及低谐波污染等优点,目前正广泛应用于新能源接入和电机驱动等场合。在理想电网中,由于电网的阻抗可被忽略,变流器与电网之间不会产生交互作用。但对于通过并网逆变器接入新能源的分布式电网和整流器负载所接入的配电网等场合而言,电网的阻抗往往不能忽略,电网会呈现出弱电网的特性。变流器在进行参数设计时并未考虑电网阻抗的影响,故当变流器接入实际电网中,电网和变流器会通过阻抗产生交互作用,在阻抗不匹配的条件下会引发稳定性问题。近年来,由于阻抗不匹配产生的谐振时有发生。针对上述问题,目前较为成熟的稳定性分析方法是阻抗分析法,随着研究的深入,其不足之处逐渐显现。基于视在阻抗的分析方法由于不需要单独测量电网和变流器的阻抗,能极大的简化分析流程,目前正受到学者的广泛关注,但已有研究中,视在阻抗分析法仅应用于简单的直流系统和三相系统中,尚未有文献运用此方法对复杂系统中变流器的稳定性进行分析,基于此,有必要研究视在阻抗分析法在复杂系统稳定性分析中的有效性。为此,本文同时采用阻抗分析法和视在阻抗分析法,对复杂系统中的变流器进行稳定性仿真分析。本文首先介绍了阻抗分析法,主要包括以下三个方面:阻抗分析法的原理,电网阻抗的获取方法,变流器阻抗的获取方法。谐波电流注入法测量电网阻抗的准确性极高,故非常适用于软件仿真及系统设计的场合,分析其测量电网阻抗的基本原理,对测量过程进行详细地介绍,并通过两个仿真模型的电网阻抗测量验证了谐波电流注入法测量电网阻抗的有效性。介绍变流器阻抗的测量方法,并利用谐波线性化的方法,根据小信号扰动电压激励与输出电流响应的关系,推导得到变流器的输入(输出)阻抗模型。本文重点对视在阻抗分析法进行了介绍,包括视在阻抗的定义、稳定性分析的原理以及分析的具体流程。基于视在阻抗的分析方法是一种不依赖于测量点位置的稳定性分析方法,假定在系统中的某一节点注入电压或电流,以三相系统为例,注入点将系统划分为两个子系统,这两个子系统用与频率相关的戴维南等值电路和诺顿等值电路来表示。通过从注入点测量得到的阻抗值即视在阻抗,运用矢量拟合法来估计系统的视在特征根,根据视在特征根在复平面中的位置来分析并网变流器的稳定性。采用阻抗分析法的奈奎斯特判据和基于视在阻抗的特征根判据,将电网阻抗和变流器阻抗、视在阻抗以及仿真时域波形联系到一起,通过稳定判据对仿真结果做出解释,由仿真结果对稳定判据做出验证,形成并网变流器稳定性分析的整套体系。仿真分析结果表明,基于视在阻抗的稳定性分析方法在复杂系统中具有良好的适应性。
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