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多逆变器并联的微电网电能质量优化控制方法的思考

日期:2024年02月12日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:211
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202402072113574770 论文字数:35266 所属栏目:电气工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇电气工程论文,本文首先针对T型逆变器由于中点电位不平衡及并联系统中两台T型逆变器开关通断状态不同而产生零序环流问题提出了基于零序电压注入的中点电位平衡控制策略和基于共模电压注入的零序环流的反馈策略。以解决并联逆变器零序环流问题;其次,针对微电网系统在受到外界干扰时电能波动大的问题,提出了RBF神经网络自适应算法优化超螺旋滑模控制器并作用于控制系统电流环。

第一章绪论

1.1课题研究目的及意义

能源是人类生存和发展的重要基础,是维持社会进步和经济发展的重要保障。它对人们的日常生产和生活起着举足轻重的作用,对社会的进步和发展起到了巨大的促进作用。随着经济的快速发展,人类对能源的需求量也越来越高。随着煤炭、石油和天然气等化石能源的大规模开发利用,资源短缺问题日趋严峻[1]。与此同时,大量使用的化石燃料造成的环境污染,如温室效应、雾霾、海平面上升等问题。它对人类生活环境构成了极大的威胁,对人们的身心健康与社会的发展产生了极大的影响。所以研究和开发新的可再生能源成为当务之急。新能源资源丰富,其取之不尽,用之不竭的特点保证能源的持续供应;分布广泛,有利于小规模分散利用;能量密度低,开发利用空间大;无碳或者含碳量低,对环境影响小等种种优点将有效避免因常规能源紧缺、分布不均、供给问题而引发的能源危机。所以鉴于当前世界上许多国家都面临着能源短缺和环境污染的问题,提高新能源的利用水平是解决这一问题的有效方法。

从表1.1中可以看出,得益于“碳中和,碳达峰”的双碳目标,在2022年风力、光伏发电装机规模同比增长率显著高于其他装机容量。中国提出的“双碳”目标将为新能源如光伏发电、风力发电的发展提供有力保障。从表中可以看出,光伏等分布式能源发电量将替代传统化石能源,其在能源使用量占比中将迅速增加。

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1.2微电网并联T逆变器控制策略研究现状

1.2.1零序环流抑制研究现状

常用的零序循环电流抑制方法可分为两种[8]:一种是用硬件电路来实现,另一种是用软件来控制两种类型,硬件电路法通常是将两个并联的T型逆变器的直流端连接到不同的直流电源,或者在交流侧与隔离变压器相连接,通过物理手段隔断零序环流流通的路径。然而,这种方式使得微电网并联系统控制更加复杂和以及成本更高。因此实际微电网项目工程中往往通过软件手段抑制零序环流。

文献[9]提出了一种利用零序电压进行补偿来抑制零序环流的方法,该方法是对并联逆变系统零序电流进行建模的基础上,获得零序电压的补偿值,然后将补偿值与逆变系统的输出电压进行叠加后作为作为电压给定,使零序电压的差值趋于零,达到消除环流的目的。

文献[10]提出了一种利用自抗扰控制策略(LADRC)来实现零序环流抑制。通过对线性状态误差反馈LSEF的改进,提高了对系统的整体干扰项的估计。通过对误差进行补偿,改善了控制效果。得到零矢量分配因子调节占空比,消除逆变器之间的差异。

文献[11]提出一种基于改进比例谐振(IPR)控制的模块化多电平转换器的循环电流抑制方法。通过使用陷波滤波器,提取零序循环电流的二次谐波分量和四次谐波分量。利用改进的比例谐振控制器来抑制谐波分量抑制后得到电压补偿来补偿调制波信号并最终抑制零序电流。

第二章T型三电平逆变器数学建模

2.1 T型三电平逆变器运行模式分析

图2.1所示为单台T型逆变器的拓扑结构。该T型逆变器通过转换直流侧的母线电压进而输出三相交流信号,并通过滤波器的滤波作用与大电网相连接。其主要拓扑结构由每相1 2 3 4S、S 、S 、S四个开关器件组成。其中开关器件2 3S 、S分别与T型逆变器直流侧的中点O以及交流侧大电网相连,1S与直流侧的正极母线相连、4S与直流侧负极母线相连。此外,直流侧的分压电容1C和2C为两个等值电容,这样使T型逆变器的正负极直流母线与直流侧中点形成相同的电压降[36]。

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T型逆变器的工作原理需要控制A、B、C三相共12个开关器件,用于调节电路的导通和关断,从而输出不同的电平信号。本文以A相为例,通过分析T型并网逆变器的切换过程阐明其工作机理。剩余B相和C相的切换过程类似于A相。本文规定T型逆变器输出电流流向电网端为正方向。

2.2 T型三电平逆变器数学模型

首先,基于T型三电平逆变器在abc三相坐标系中的工作原理,建立了其数学模型然后通过坐标变换将上述模型变换到dq同步旋转坐标系,从而得到dq坐标系下T型逆变器的数学模型。并以此基础对T型逆变器双闭环中的电流环进行优化控制。T型三电平逆变拓扑如图2.1所示。

为了简化分析,假设主电路中的开关器件是理想器件,其中忽略了开关损耗、功率开关管电压降和死区时间延迟等因素。因此,根据T型逆变器的三个输出电平信号,它们对应的开关函数可以根据式(2-1)来定义。

在T型逆变器结构中,中点电压的稳定是确保系统正确输出电平、保持稳定运行提供稳定可靠交流输出的关键[37]。如果上、下电容电压导致中点电位不平衡则会导致逆变器输出电压分布不均匀,谐波含量增大。同时缩短电容的使用寿命以及造成开关器件的损坏。下面将以PWM调制原理[39][40]对中点电压不平衡产生的原因进行建模分析。

实际应用中,微电网系统会把多个T型逆变器并联在一起不仅可以提升微电网的输出最大容量,同时还可以保证系统长期稳定运行[41]。然而当并联逆变器系统的输出容量不同、中点电位不平衡或并联逆变器之间的不同步开关通断状态的影响将导致在系统内部引起环流、严重损坏逆变器等设备,同时也会对控制系统的正常运行造成不良影响。因此对于并联系统产生的零序环流,需要采用合理的控制策略加以抑制。

第三章 并联逆变器多目标优化控制方案设计 ............................ 17

3.1 两台并联T型逆变器拓扑分析 ............................ 17

3.1.1 并联T型逆变器零序环流产生机理 ............................ 17

3.1.2 并联T型逆变器零序环流激发因素分析 .............................. 21

第四章 基于神经网络滑模电流环控制方案设计 ........................ 33

4.1 滑模变结构控制的基本理论 ..................................... 33

4.1.1 滑模变结构控制器的设计步骤 ........................ 34

4.1.2 滑模变结构控制的抖振削弱 ................................. 37

第五章 算例分析 .......................... 51

5.1 算例描述 ................................ 51

5.2 算例仿真结果分析 ........................ 51

5.3 本章小结 .................................... 54

第五章算例分析

5.1算例描述

目前,国际国内已经投产使用的微电网在容量大小、控制方式和电压等级等方面存在各有不同[65]。上海迪士尼微电网项目中的电能都是来自于光伏,再通过逆变器并网。该项目与本文所研究的内容相关性最强。因此本文选取上海迪士尼微电网运行项目为算例。

上海迪士尼微电网项目详细参数如表5.1所示。

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第六章总结与展望

6.1总结

在微电网并网模式中,分布式电源的输出功率的理想状态是按照每台T型逆变器的容量均衡分配,并且系统在受到内部参数摄动、外界干扰等不确定干扰时,微电网系统能够尽可能保持其稳定性以及并网电能质量。本文首先针对T型逆变器由于中点电位不平衡及并联系统中两台T型逆变器开关通断状态不同而产生零序环流问题提出了基于零序电压注入的中点电位平衡控制策略和基于共模电压注入的零序环流的反馈策略。以解决并联逆变器零序环流问题;其次,针对微电网系统在受到外界干扰时电能波动大的问题,提出了RBF神经网络自适应算法优化超螺旋滑模控制器并作用于控制系统电流环。以下是本文的研究内容:

(1)分析了目前并联系统零序环流抑制策略和电能质量优化策略的研究现状。

(2)分析了中点电位不平衡和T型逆变器开关状态不一致的情况下产生环流的机理,利用公式推导出零序环流和中点电位以及开关状态的关系,得出了并联系统产生零序环流的原因。

(3)通过分析两台T型逆变器零序环流产生方案,设计基于零序环流抑制及中点电位平衡的多目标优化控制策略。通过MATLAB/Simulink仿真实验表明,本文所设计的控制策略能够有效抑制零序环流及保证中点电位的平衡。

(4)指出滑模变结构产生抖振的原因及削弱抖振的同时使得控制系统鲁棒性降低针对此问题,首先设计基于超螺旋算法的滑模控制器,并采用新型幂次函数削弱抖振现象。在此基础上,利用RBF神经网络对控制系统中的不确定干扰自适应逼近以提高系统的抗干扰能力。设计一种RBF-SMC控制器作用于电流环。在MATLAB/Simulink进行仿真实验表明:提出的复合控制策略能有效改善微电网输出电能质量且保证系统的稳定性。

参考文献(略)