LCL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)
定 價(jià):88 元
叢書(shū)名:普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材普通高等院校工程實(shí)踐系列規(guī)劃教材
- 作者:阮新波 ... [等] 著
- 出版時(shí)間:2015/4/1
- ISBN:9787030438102
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類(lèi):TM464
- 頁(yè)碼:258
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開(kāi)本:16K
作為可再生能源發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的能量變換接口,LCL型并網(wǎng)逆變器用來(lái)將直流電能轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的交流電能并饋入電網(wǎng)!禠CL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)》系統(tǒng)闡述LCL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)。介紹LCL濾波器的設(shè)計(jì)、磁集成及諧振尖峰阻尼方法。針對(duì)采用電容電流反饋有源阻尼的LCL型并網(wǎng)逆變器,提出電容電流反饋系數(shù)和并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法,并提出抑制電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流影響的電網(wǎng)電壓全前饋策略。針對(duì)數(shù)字控制LCL型并網(wǎng)逆變器,揭示控制延時(shí)對(duì)電容電流反饋有源阻尼和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,并提出閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。提出即時(shí)采樣方法和雙采樣模式實(shí)時(shí)運(yùn)算方法,可減小甚至消除計(jì)算延時(shí),進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。提出虛擬串并聯(lián)阻抗方法和電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋方法,有效提高弱電網(wǎng)下LCL型并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)阻抗變化的適應(yīng)能力。介紹基于前置濾波器的鎖相環(huán)的工作原理,采用復(fù)矢量濾波器方法揭示各種前置濾波器的相互關(guān)系,并提出動(dòng)態(tài)性能更快的通用二階復(fù)矢量前置濾波器和諧波抑制能力更好的三階復(fù)矢量前置濾波器。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 能源現(xiàn)狀和環(huán)境問(wèn)題 1
1.2 基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng) 1
1.2.1 基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 2
1.2.2 基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2
1.2.3 并網(wǎng)逆變器 3
1.3 LCL型并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵技術(shù) 4
1.3.1 LCL濾波器設(shè)計(jì)及其磁集成方法
1.3.2 LCL濾波器諧振尖峰的阻尼方法 6
1.3.3 并網(wǎng)逆變器閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 7
1.3.4 控制延時(shí)影響及其減小方法 11
1.3.5 電網(wǎng)電壓引起的并網(wǎng)電流諧波抑制方法 13
1.3.6 電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響及其改善方法 19
1.4 本章小結(jié) 20
第2章 LCL濾波器設(shè)計(jì) 21
2.1 單相全橋并網(wǎng)逆變器的PWM控制 21
2.1.1 雙極性SPWM控制 21
2.1.2 單極倍頻SPWM控制 24
2.2 三相全橋并網(wǎng)逆變器的PWM控制 25
2.2.1 SPWM控制 27
2.2.2 諧波注入SPWM控制 29
2.3 LCL濾波器設(shè)計(jì) 33
2.3.1 逆變器側(cè)電感的設(shè)計(jì) 34
2.3.2 濾波電容的設(shè)計(jì) 40
2.3.3 網(wǎng)側(cè)電感的設(shè)汁 41
2.4 LCL濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)例 42
2.4.1 單相LCL濾波器 42
2.4.2 三相LCL濾波器 44
2.5 本章小結(jié) 46
第3章 LCL濾波器的磁集成方法 47
3.1 LCL濾波器的磁集成方法 47
3.1.1 單相LCL濾波器的磁集成 47
3.1.2 三相LCL濾波器的磁集成 49
3.2 磁集成對(duì)LCL濾波器濾波特性的影響 50
3.2.1 集成電感的等效磁路模犁 50
3.2.2 采用耦合電感的LCL濾波器的濾波特性 52
3.3 設(shè)計(jì)實(shí)例 54
3.3.1 單相LCL濾波器的磁集成設(shè)計(jì) 54
3.3.2 三相LCL濾波器的磁集成設(shè)計(jì) 56
3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 56
3.5 本章小結(jié) 59
第4章 LCL濾波器諧振尖峰的阻尼方法 60
4.1 LCL濾波器諧振尖峰的危害 60
4.2 無(wú)源阻尼方法 61
4.2.1 基本的無(wú)源阻尼方法 61
4.2.2 改進(jìn)的無(wú)源阻尼方法 65
4.3 有源阻尼方法 67
4.3.1 基于狀態(tài)變量反饋的有源阻尼方法 68
4.3.2 基于陷波器的有源阻尼方法 69
4.4 本章小結(jié) 71
第5章 LCL型并網(wǎng)逆變器的電容電流反饋有源阻尼和并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 72
5.1 LCL型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型 72
5.2 電容電流反饋有源阻尼和PI調(diào)節(jié)器的頻率特性 75
5.3 閉環(huán)參數(shù)的約束條件 76
5.3.1 穩(wěn)態(tài)誤差要求 76
5.3.2 穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定裕度對(duì)閉環(huán)參數(shù)的約束 78
5.3.3 PWM對(duì)閉環(huán)參數(shù)的約束 79
5.4 電容電流反饋系數(shù)和PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟 80
5.5 設(shè)計(jì)方法的擴(kuò)展 81
5.5.1 采用PI調(diào)節(jié)器加電網(wǎng)電壓前饋 82
5.5.2 采用PR調(diào)節(jié)器 82
5.6 設(shè)計(jì)實(shí)例 84
5.6.1 采用PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)結(jié)果 84
5.6.2 采用PR調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)結(jié)果 87
5.7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 89
5.8 本章小結(jié) 93
第6章 單相LCL型并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓全前饋策略 94
6.1 電網(wǎng)電壓對(duì)并網(wǎng)電流的影響 94
6.2 單相LCL型并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓全前饋策略 97
6.2.1 電網(wǎng)電壓全前饋函數(shù)的推導(dǎo) 97
6.2.2 全前饋函數(shù)各項(xiàng)作用 99
6.2.3 電網(wǎng)電壓全前饋策略對(duì)主電路參數(shù)偏差的適應(yīng)性分析 101
6.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 103
6.4 本章小結(jié) 107
第7章 三相LCL型并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓全前饋策略 108
7.1 三相LCL型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型 108
7.1.1 αβ靜止坐標(biāo)系下三相LCL型并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型 108
7.1.2 αβ同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相LCL型并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型 111
7.2 電網(wǎng)電壓全前饋策略的推導(dǎo) 112
7.2.1 αβ靜止坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓全前饋策略 113
7.2.2 αβ同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓全前饋策略 113
7.2.3 混合坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓全前饋策略 115
7.3 電網(wǎng)電壓全前饋函數(shù)討論 118
7.3.1 三相LCL型并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓全前饋函數(shù)各項(xiàng)作用 118
7.3.2 三相LCL型并網(wǎng)逆變器濾波器參數(shù)變化對(duì)全前饋效果影響分析 121
7.3.3 三相L型和LCL型并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)電壓全前饋函數(shù)相互關(guān)系 122
7.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 122
7.5 本章小結(jié) 129
第8章 數(shù)字控制LCL型并網(wǎng)逆變器的電容電流反饋有源阻尼及并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 130
8.1 控制延時(shí)產(chǎn)生的機(jī)理 131
8.2 存在控制延時(shí)的電容電流反饋有源阻尼及環(huán)路增益特性 132
8.2.1 電容電流反饋有源阻尼的等效阻抗 132
8.2.2 系統(tǒng)環(huán)路增益的離散域表達(dá)式 135
8.2.3 系統(tǒng)環(huán)路增益的右半平山極點(diǎn) 137
8.3 數(shù)字控制時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性約束條件 139
8.3.1 Nyquist穩(wěn)定判據(jù) 139
8.3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性約束條件 140
8.4 數(shù)字控制時(shí)LCL濾波器與電流調(diào)節(jié)器和電容電流反饋有源阻尼的設(shè)計(jì) 142
8.4.1 LCL濾波器諧振頻率選取的禁止區(qū)域 142
8.4.2 穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定裕度對(duì)閉環(huán)參數(shù)的約束 143
8.4.3 LCL濾波器參數(shù)、PR調(diào)節(jié)器和電容電流反饋系數(shù)設(shè)計(jì) 145
8.5 無(wú)阻尼時(shí)數(shù)字控制LCL型并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流環(huán)設(shè)計(jì) 146
8.5.1 無(wú)阻尼時(shí)并網(wǎng)電流環(huán)控制下系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件 146
8.5.2 無(wú)阻尼時(shí)并網(wǎng)電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能分析 147
8.6 設(shè)計(jì)實(shí)例 148
8.6.1 有電容電流反饋有源阻尼的閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例 149
8.6.2 無(wú)阻尼時(shí)并網(wǎng)電流環(huán)閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例 152
8.7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 153
8.7.1 有電容電流反饋有源阻尼的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 153
8.7.2 無(wú)阻尼時(shí)并網(wǎng)電流控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 156
8.8 三種控制方式下設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能比較 156
8.9 本章小結(jié) 157
第9章 減小計(jì)算延時(shí)以提高LCL型并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性和控制性能的策略 158
9.1 控制延時(shí)對(duì)LCL型并網(wǎng)逆變器的影響 158
9.1.1 數(shù)字控制LCL型并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型 158
9.1.2 減小計(jì)算延時(shí)對(duì)電容電流反饋有源阻尼特牲的改善 162
9.1.3 減小計(jì)算延時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制性能的改善 164
9.2 即時(shí)采樣方法 167
9.2.1 電容電流即時(shí)采樣引入的混疊 167
9.2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例 169
9.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 171
9.3 雙采樣模式實(shí)時(shí)運(yùn)算方法 174
9.3.1 雙采樣模式實(shí)時(shí)運(yùn)算方法 174
9.3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例 177
9.3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 179
9.4 本章小結(jié) 183
第10章 提高LCL型并網(wǎng)逆變器對(duì)弱電網(wǎng)適應(yīng)能力的輸出阻抗校正方法 184
10.1 基于阻抗的并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性判據(jù)推導(dǎo) 184
10.2 并網(wǎng)逆變器的輸出阻抗模型 185
10.3 輸出阻抗與諧波抑制能力和魯棒性 187
10.4 基于虛擬阻抗的輸出阻抗校正方法 189
10.4.1 并聯(lián)阻抗校正 189
10.4.2 串并聯(lián)阻抗綜合校正 191
10.4.3 參數(shù)設(shè)計(jì)和敏感性分析 194
10.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 196
10.5.1 原理樣機(jī)設(shè)計(jì) 196
10.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 197
10.6 本章小結(jié) 201
第1章 弱電網(wǎng)下三相LCL型并網(wǎng)逆變器的電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋策略 202
11.1 基于阻抗的三相并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性判據(jù)推導(dǎo) 202
11.2 弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性分析 203
11.2.1 并網(wǎng)逆變器輸出阻抗推導(dǎo) 203
11.2.2 弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性判斷 205
11.3 并網(wǎng)逆變器輸出阻抗特性分析 207
11.3.1 無(wú)電網(wǎng)電壓前饋控制的逆變器輸出阻抗特性 207
1.3.2 電網(wǎng)電壓全前饋控制對(duì)逆變器輸出阻抗影響分析 209
11.4 電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋策略 211
11.4.1 電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋策略的提出 211
11.4.2 電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋策略的實(shí)現(xiàn)方式 212
11.4.3 電網(wǎng)電壓加權(quán)前饋的權(quán)值設(shè)計(jì) 214
11.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 217
11.5.1 穩(wěn)定性測(cè)試 218
11.5.2 諧波抑制能力測(cè)試 219
11.6 本章小結(jié) 222
第12章 基于前置濾波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相技術(shù) 223
12.1 引言 223
12.2 SRF-PLL工作原理簡(jiǎn)介 224
12.3 基于前置濾波器的SRF-PLL 225
12.3.1 復(fù)矢量濾波器分析法 226
12.3.2 基于復(fù)欠量濾波器的前置濾波器推導(dǎo) 228
12.4 通用二階復(fù)矢量濾波器 236
12.5 三階復(fù)矢量濾波器 238
12.6 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 240
12.6.1 仿真驗(yàn)證 240
12.6.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 240
12.7 本章小結(jié) 248
參考文獻(xiàn) 249
第1章緒論
1.1能源現(xiàn)狀和環(huán)境問(wèn)題
化石能源是人類(lèi)現(xiàn)代文明的基石。歷經(jīng)兩百多年的開(kāi)發(fā)利用,化石能源已趨于枯竭。與此同時(shí),化石能源的消耗產(chǎn)生了大量的廢棄物,對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,成為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的阻礙。表1.1給出了2012年一次能源消費(fèi)量中各類(lèi)能源所占比例及其儲(chǔ)產(chǎn)比[1]。儲(chǔ)產(chǎn)比是指任意一年的能源探明儲(chǔ)量與該年度產(chǎn)量之比,反映了能源供應(yīng)的可持續(xù)性。從表1.1中可以看出:①全球范圍內(nèi)石油、煤炭和天然氣等化石能源的消費(fèi)量之和占一次能源總消費(fèi)量的86.9%,仍為主導(dǎo)能源,而這三種化石能源中僅有煤炭的儲(chǔ)產(chǎn)比超過(guò)了100年,石油和天然氣儲(chǔ)產(chǎn)比均低于60年,中國(guó)的各類(lèi)化石能源的儲(chǔ)產(chǎn)比遠(yuǎn)低于世界平均水平;②中國(guó)煤炭消費(fèi)量所占比例較大,而相對(duì)較清潔的天然氣僅占4.7%。我國(guó)石油對(duì)外依存度已經(jīng)從21世紀(jì)初的26%上升至2011年的57%[2],能源緊缺問(wèn)題十分嚴(yán)峻,能源安全保障壓力巨大。近年來(lái),中國(guó)已經(jīng)超越美國(guó)成為二氧化碳排放總量的最大國(guó),與此同時(shí),霧霾天氣和水污染等社會(huì)問(wèn)題日益凸現(xiàn)。因此,能源的可持續(xù)供應(yīng)以及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題是人類(lèi)所面臨的重大挑戰(zhàn),中國(guó)作為全球最大能源消耗國(guó),任重道遠(yuǎn)。
表1.1 2012年一次能源消費(fèi)量中各類(lèi)能源所占比例及儲(chǔ)產(chǎn)比
統(tǒng)計(jì)范圍能源類(lèi)型石油煤炭天然氣水電核能可再生能源全球消費(fèi)比例
為了應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境問(wèn)題,人類(lèi)在推行節(jié)能減排的同時(shí),也在積極尋找新型清潔能源。
表1.1所示的全球水電和可再生能源消費(fèi)分別占能源消費(fèi)總量的6.7%和1.9%,均達(dá)到歷史最高水平。目前,光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電正在飛速發(fā)展,并將在應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境問(wèn)題中扮演日益重要的角色。
1.2基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)
以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的可再生能源在自然界中分布廣泛,開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染小,近年來(lái)受到越來(lái)越多國(guó)家和地區(qū)的重視。美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已把開(kāi)發(fā)利用可再生能源作為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的重要發(fā)展方向[1]。
1.2.1基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
目前,大規(guī)模開(kāi)發(fā)可再生能源的主要途徑是基于可再生能源的分布式發(fā)電。分布式發(fā)電系統(tǒng)是一種建在負(fù)荷中心的分散式電能供應(yīng)系統(tǒng),具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式。基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)(renewable energy based distributed power generation system,RE-DPGS)具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 環(huán)境友好。風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的污染小,不排放二氧化碳。
(2) 能源安全。多元化的可再生能源發(fā)電有利于緩解能源緊缺,同時(shí)也可降低我國(guó)對(duì)于進(jìn)口化石能源的依賴(lài),保障能源安全,有助于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
(3) 損耗降低。發(fā)電系統(tǒng)接近負(fù)荷中心,電力就地生產(chǎn)、就地消化,避免了長(zhǎng)距離輸電帶來(lái)的損耗。
(4) 可靠性高。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí),分布式發(fā)電系統(tǒng)仍可以給系統(tǒng)內(nèi)用戶(hù)供電,同時(shí)對(duì)電網(wǎng)提供一定支撐,有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
(5) 投資節(jié)省。由于單個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)容量相對(duì)較小,小型模塊化,土建與安裝成本低,能量輸送投資少。
根據(jù)BP 2013年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒[1]的報(bào)道,截至2012年年底,RE-DPGS產(chǎn)生的電能已經(jīng)達(dá)到全球總發(fā)電量的4.7%,比2011年增長(zhǎng)了15.2%,其增長(zhǎng)量占2012年全球發(fā)電量增長(zhǎng)的31%,已成為一些國(guó)家能源供應(yīng)的重要組成部分。2012年,全球共有15個(gè)國(guó)家的RE-DPGS發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的10%以上。其中,丹麥的風(fēng)電發(fā)電量約占34%,葡萄牙的風(fēng)電發(fā)電量約占21%,西班牙的風(fēng)電發(fā)電量約占17%,愛(ài)爾蘭的風(fēng)電發(fā)電量約占16%。
1.2.2基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1.1給出了基于風(fēng)能和太陽(yáng)能組成的兩種RE-DPGS典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由飛輪、蓄電池和超級(jí)電容組成的儲(chǔ)能單元用來(lái)改善可再生能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性問(wèn)題[3-6]。圖1.1(a)為基于直流母線(xiàn)方式的RE-DPGS示意圖,各種可再生能源發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元通過(guò)電力電子變換器接入直流母線(xiàn),經(jīng)過(guò)集中的DC/AC逆變器 (RE-DPGS中通常稱(chēng)為并網(wǎng)逆變器)和工頻變壓器后饋入電網(wǎng)[7, 8]。這類(lèi)系統(tǒng)的直流母線(xiàn)電壓控制相對(duì)簡(jiǎn)單,易于擴(kuò)展。圖1.1(b)為基于交流母線(xiàn)方式的RE-DPGS示意圖,可再生能源發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元通過(guò)電力電子變換器接入交流母線(xiàn),并經(jīng)過(guò)電力變壓器饋入電網(wǎng)[9, 10]。這類(lèi)系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器分布于各種發(fā)電和儲(chǔ)能單元中,容量相對(duì)較小,可靠性高。
圖1.1RE-DPGS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
1.2.3并網(wǎng)逆變器
從圖1.1可以看出,電力電子變換器是RE-DPGS的重要組成部分,其中并網(wǎng)逆變器用來(lái)將直流電能轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的交流電能并饋入電網(wǎng)。作為可再生能源發(fā)電單元與電網(wǎng)之間的能量變換接口,并網(wǎng)逆變器對(duì)RE-DPGS的安全、穩(wěn)定和高質(zhì)量運(yùn)行具有十分重要的作用。
1.3LCL型并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵技術(shù)
并網(wǎng)逆變器有單相和三相兩種,前者主要用于容量較小的戶(hù)用型發(fā)電系統(tǒng),后者則廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的基于可再生能源分布式發(fā)電站中。并網(wǎng)逆變器通常采用脈沖寬度調(diào)制(pulse-width modulation, PWM)策略,其輸出PWM電壓中存在豐富的開(kāi)關(guān)諧波,為了抑制并網(wǎng)電流中的開(kāi)關(guān)諧波,需要選取合適的輸出濾圖1.2L濾波器和LCL濾波器及其頻率特性波器。輸出濾波器主要有L型和LCL型兩種,分別如圖1.2(a)和(b)所示。其中,L濾波器由單個(gè)電感L組成,而LCL濾波器由兩個(gè)電感L1、L2和一個(gè)電容C組成。與L濾波器相比,LCL濾波器中含有濾波電容C,為高頻諧波電流提供了旁路通路,在實(shí)現(xiàn)相同濾波效果的前提下,LCL濾波器中兩個(gè)電感的電感量之和小于L濾波器中單個(gè)電感的電感量,因此其體積更小,成本更低[11-13]。然而,LCL濾波器的頻率響應(yīng)存在諧振尖峰,同時(shí)相位在諧振頻率處會(huì)發(fā)生-180°跳變,如圖1.2(c)所示,如果不對(duì)這個(gè)諧振尖峰進(jìn)行有效阻尼,就可能造成并網(wǎng)逆變器輸出電流振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[14, 15]。因此,近年來(lái)針對(duì)LCL型并網(wǎng)逆變器,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了廣泛的研究。
LCL型并網(wǎng)逆變器需解決的關(guān)鍵問(wèn)題主要包括并網(wǎng)電流質(zhì)量和穩(wěn)定性?xún)纱蠓矫,具體如下:
(1) LCL濾波器的設(shè)計(jì)。為了衰減PWM調(diào)制產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)諧波,需要選取合理的LCL濾波器參數(shù),以保證并網(wǎng)電流滿(mǎn)足諧波標(biāo)準(zhǔn)。為減小濾波器體積,有時(shí)可以將兩個(gè)電感進(jìn)行磁集成。
(2) LCL濾波器諧振尖峰引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。LCL濾波器存在諧振尖峰,會(huì)影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。為保證并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定,需要對(duì)該諧振尖峰進(jìn)行阻尼,并合理設(shè)計(jì)閉環(huán)控制參數(shù)。
(3) 數(shù)字控制延時(shí)引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)并網(wǎng)逆變器采用數(shù)字控制時(shí),會(huì)存在計(jì)算延時(shí)和調(diào)制延時(shí)。該延時(shí)會(huì)改變有源阻尼的特性,并且降低并網(wǎng)電流閉環(huán)的控制性能,因此需要采取有效控制策略減小延時(shí)的影響。
。4) 電網(wǎng)電壓背景諧波對(duì)并網(wǎng)逆變器的影響。實(shí)際的電網(wǎng)電壓連接在公共耦點(diǎn)(point of common coupling,PCC)處,而PCC附近通常連接有本地負(fù)載,其中的非線(xiàn)性設(shè)備(如弧焊機(jī)、電氣化軌道交通、飽和變壓器等)產(chǎn)生的諧波電流流經(jīng)線(xiàn)路阻抗,會(huì)使PCC處的電網(wǎng)電壓含有背景諧波[16]。電網(wǎng)電壓背景諧波不僅會(huì)影響并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量,還會(huì)影響鎖相環(huán)的鎖相性能,需要采取有效措施抑制電網(wǎng)電壓背景諧波對(duì)并網(wǎng)電流質(zhì)量和鎖相環(huán)的影響。
(5) 電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響。從PCC處向電網(wǎng)看進(jìn)去,可將電網(wǎng)等效為一個(gè)電壓源和線(xiàn)路阻抗,該線(xiàn)路阻抗會(huì)影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。
針對(duì)上述問(wèn)題,下文將簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
1.3.1LCL濾波器設(shè)計(jì)及其磁集成方法
為衰減PWM調(diào)制產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)諧波,保證并網(wǎng)電流滿(mǎn)足如IEEE Std. 929-2000[17]和IEEE Std. 1547-2003[18]等標(biāo)準(zhǔn),需要選取合理的LCL濾波器參數(shù)。設(shè)計(jì)LCL濾波器時(shí)需考慮三個(gè)因素:①并網(wǎng)電流單次諧波和總諧波含量。表1.2給出了IEEE Std. 929-2000和IEEE Std. 1547-2003對(duì)并網(wǎng)電流的諧波含量限制,LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足這些限制條件。②逆變器側(cè)電感電流紋波。為減小逆變器側(cè)電感的磁芯損耗和開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗,通常需要對(duì)電感電流紋波的大小進(jìn)行限制。③濾波電容引入的無(wú)功分量。合理控制濾波電容導(dǎo)致的無(wú)功分量,有助于減小開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力。本書(shū)第2章將詳細(xì)闡述LCL濾波器的設(shè)計(jì)方法,使其滿(mǎn)足上述約束條件。
表1.2并網(wǎng)電流諧波分量最大限值諧波次數(shù)h(奇次諧波)
總諧波畸變率占額定并網(wǎng)電流比例
當(dāng)諧波為偶數(shù)次時(shí),其允許的最大諧波限值為表中所示奇次諧波的25%。
為進(jìn)一步減小LCL濾波器的體積,可以將逆變器側(cè)電感和網(wǎng)側(cè)電感集成起來(lái)。磁集成技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源,特別是DC/DC變換器中已得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)集成后各磁件之間是否存在耦合,磁集成技術(shù)可分為解耦磁集成和耦合磁集成兩類(lèi)[19, 20]。
采用解耦磁集成時(shí),各磁件的繞組所交鏈的磁通相互獨(dú)立,集成后各磁件仍然保持著與原分立磁件相同的特性。文獻(xiàn)[19]闡述了解耦磁集成的應(yīng)用機(jī)理,即利用無(wú)氣隙的磁柱作為低磁阻的公共磁路,通過(guò)合理的繞組分布,使各繞組交鏈的磁通在公共磁路上相互抵消,以降低公共磁芯的磁通量,由此可減小公共磁芯截面積,從而減小磁芯體積;谶@一原理,文獻(xiàn)[21]將交錯(cuò)并聯(lián)的準(zhǔn)方波DC/DC變換器中兩個(gè)濾波電感集成在一個(gè)磁芯上,文獻(xiàn)[22]實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)混合DC/DC變換器中兩個(gè)變壓器的集成,文獻(xiàn)[23]則實(shí)現(xiàn)了LLC諧振變換器中諧振電感和變壓器的集成。
采用耦合磁集成時(shí),各磁件的繞組所交鏈的磁通之間存在一定的耦合,因而集成后的磁件的特性與原分立磁件有所改變。在某些特定的場(chǎng)合,耦合磁集成可以提高變換器的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能[24-28]。例如,通過(guò)選取適當(dāng)?shù)鸟詈戏绞,在交錯(cuò)并聯(lián)的DC/DC變換器中,可以減小電感電流的紋波[24-26];而在Cuk變換器[27]和多路輸出的Buck類(lèi)DC/DC變換器[28]中,甚至可以實(shí)現(xiàn)電感電流的零紋波。
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