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多逆變器網狀電力并聯系統穩定性分析

  • 發布日期:2018-07-04
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本文是一篇碩士電力工程論文,電力是發展生產和提高人類生活水平的重要物質基礎,電力的應用在不斷深化和發展,電氣自動化是國民 經濟和人民生活現代化的重要標志。就目前國際水平而言,在今后相當長的時期內,電力的需求將不斷增長,社會對電氣工程及其自動化科技工作者的需求量呈上升態勢。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士電力工程論文,供大家參考。
 
第 1 章 緒 論本
 
章首先介紹微電網的發展現狀與其穩定性問題,其次對微電網穩定性問題和各環路的關系進行簡要介紹,因為本文主要分析微電網高頻穩定性,故詳細分析基于阻抗的建模方法,并介紹不同結構下應用基于阻抗穩定判據的研究現狀。最后簡述本文的主要研究內容。
 
1.1 微電網及其穩定性問題
隨著國家工業化、現代化、智能化的發展,電能成為現代社會最重要的能源,關乎著國家的各行各業,與經濟發展、社會穩定、國家命運息息相關。傳統的一次性能源發電方式主要依靠化石能源,而隨著不可再生的化石能源的日益枯竭,傳統大電網發電方式受到制約,同時發電過程中排放的大量有毒有害氣體成為當今霧霾天氣的主要原因,難以適應現代社會人民生產生活的需求,對人民的身體健康造成了巨大危害。為了應對能源危機的加劇和環境問題的日益惡化,由各種分布式發電單元、負載、儲能設備、控制器以及監控和保護單元等組成的微電網逐漸成為滿足負荷增長需求的有效方式,如圖 1-1 所示。與單個分布式發電單元相比,微電網具有更大的容量,并且能夠提供高質量、高可靠性的電能[1-3]。
.............
 
1.2 研究意義
隨著大量分布式發電單元接入,微電網實際運行過程中發現多臺逆變器的交互作用引起串并聯諧振,嚴重影響系統穩定運行[4]-[6]。系統中存在的大量諧波會使電網的電壓與電流波形發生畸變,從而降低電網電壓、增加線路損耗,造成能源的浪費,同時對于負載設備的穩定運行產生影響,容易造成繼電保護裝置的誤操作,降低電力電子計量設備的準確性。系統的不穩定性問題主要分為低頻振蕩和高頻諧波兩大類,系統各個環節的控制參數[7-8]、濾波器參數[9-10]、所含逆變器的數量[11]、線路阻抗[12-13]等都會對系統的高頻穩定性產生影響。同時恒功率負載呈現負阻性[14-16],因而會減小負載阻抗和穩定裕度,易引起高頻振蕩。系統鎖相環 PLL[17]和下垂功率環[18-20]響應速度緩慢,參數設計不合理同樣會引起逆變器交互作用,產生低頻振蕩。微電網電能質量治理的研究主要針對基波和低次振蕩,針對高次諧波電流的諧振抑制,以及微電網阻抗重塑等關鍵問題的研究還比較缺乏,因此本文重點研究微電網系統中的高頻諧波問題,并且電路結構也從簡單的單母線結構推廣至含有多種多個發電單元的網狀復雜結構。
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第 2 章 三節點網狀微電網高頻穩定性研究
 
針對三節點網狀微電網中存在的供電質量和高頻諧波穩定性問題,本文提出一種星三角電路變換的方法,通過電路結構轉化,創造虛擬 PCC 點,進而分析系統中虛擬 PCC 點電壓與參考電壓和輸出電流的關系,建立微電網的等效戴維南模型,并多次利用諾頓模型與戴維南模型的變換,最終化簡為單戴維南模型。根據零極點分布判斷等效電壓源和負載穩定性,在保證二者穩定性的前提下,利用基于阻抗的Nyquist 穩定判據判斷負載以及線路阻抗對系統穩定性的影響,計算簡單,準確性高。最后提出一種受控電流源方案吸收電路中的諧波成分,理論分析和仿真結果證明了方案有效性。
 
2.1 單戴維南模型的建立
圖 2-1 為三個電壓源逆變器通過 LC 濾波器以網狀方式連接,并分別帶一組本地負載。圖中的 cablen 表示線路阻抗,RL 表示本地負載,Lf,n和 Cf,n表示 LC 濾波器的電感和電容。運用星形聯結和三角形聯結的等效變換,將三個電壓源逆變器網狀結構轉為單一母線結構進行分析,同時將電壓源逆變器表示為戴維南模型,即等效為一個理想電壓源和等效阻抗串聯形式,如圖 2-2 所示:
.........
 
2.2 系統高頻穩定性分析
圖 2-4 中的等效模型可以分為電源部分和負載部分,為分析系統穩定性,首先需保證空載時電壓源 Vs(s)穩定性以及理想電源下負載電流 1/ZL(s)穩定性,然后利用基于阻抗的 Nyquist 判據判斷系統穩定性。應用虛擬公共耦合點使網狀電路轉化為單母線結構電路,然后通過多次星三角電路變換,將多逆變器結構轉化為單逆變器單母線結構,最后應用一次基于阻抗的 Nyquist 穩定判據可有效判斷三節點網狀孤島微電網的高頻穩定性。針對系統中的高頻不穩定現象,下文通過添加受控電流源方案吸收系統中的高頻諧波,從而改善系統高頻穩定性。
........
 
第 3 章 n 節點網狀微電網系統建模與高頻穩定性分析....22
3.1 基于阻抗的奈奎斯特穩定判據分析網狀結構 ..........22
3.2 基于 MFD 判據的穩定性分析......24
3.3 應用舉例(四節點網狀微電網穩定性分析) ...........28
3.4 本章小結 ..........33
第 4 章 孤島微電網高頻和低頻穩定性關聯.............34
4.1 逆變器系統低頻穩定性分析 ........34
4.2 三節點網狀逆變器并聯系統高頻穩定性分析 ..........38
4.3 高低頻穩定性關聯的理論推導 ....41
4.4 高低頻穩定性關聯的仿真驗證 ....43
4.5 本章小結 ..........45
第 5 章 實驗設計及驗證.....46
5.1 硬件設計 ..........46
5.2 軟件設計 ..........50
5.2.1 主程序設計 .........50
5.2.2 鎖相環設計 .........50
5.3 實驗結果 ..........52
5.4 本章小結 ..........56
 
第 5 章 實驗設計及驗證
 
第 2 章通過星三角電路變換和戴維南-諾頓等效模型變換,創造虛擬公共耦合點,從而改變電路結構,將三節點網狀微電網系統轉化為單母線結構。第 3 章利用多項式矩陣分式(MFD)穩定判據判斷 n 節點網狀系統穩定性,并針對線路阻抗中的阻性成分和感性成分變化對于穩定性的影響進行了對比分析。第 4 章針對采用下垂控制策略的逆變器系統,大量高頻諧波的存在會降低低頻穩定裕度,通過修改電壓電流環參數和添加輸出電流前饋控制策略消除高頻諧波的同時可以改善系統的低頻穩定性。本章搭建三相橋式逆變器實驗平臺,驗證以上分析的正確性。首先對實驗平臺從硬件實現和軟件編寫角度進行簡要介紹,之后通過相關實驗進行分析。
 
5.1 硬件設計
逆變器實驗平臺采用三相橋式電路結構,主要包括主電路、輔助電源單元、控制單元、驅動保護單元和 CAN 通信單元,如圖 5-1 所示。工作過程為:首先通過 10個霍爾完成電壓電流的采樣,然后將 10 路采樣信號送回到控制板 ADC 部分進行采樣處理,同時在程序中完成采樣值和真實值的轉換,功率計算,最終完成功率環、電壓電流環的閉環控制,控制芯片 28335 產生 PWM 信號,對 6 個 IGBT 進行控制。同時 CAN 通信環節可以在線完成調試,避免一次次的程序拷貝,有利于系統的調節。主電路板上包括 4 個 470uF,耐壓為 450V 的母線電容,穩定輸入直流電壓。采樣部分包括 4 個 CHV-25P 電壓霍爾傳感器,分別用于檢測 3 路輸出電壓和直流側電壓,6 個 LA-50P 電流霍爾傳感器,檢測 3 路電感電流和 3 路輸出電流。逆變器輸出濾波采用 LC 濾波器,電感磁芯采用七星飛行公司的鐵硅鋁 A125-572A,電感值為3mH,電容采用 3 個 47uF,耐壓為 400V 的 CBB 電容并聯實現。
.........
 
結 論
 
本文主要研究多逆變器網狀微電網建模和高頻穩定性問題,同時對高頻和低頻穩定性的關聯進行分析。首先在三節點網狀微電網中,通過星三角變換得到虛擬公共耦合點,將網狀結構轉化為單母線結構,然后多次應用戴維南-諾頓變換,最終轉化為單戴維南模型應用奈奎斯特穩定判據進行分析,并添加受控電流源策略吸收系統高頻諧波。其次將節點數目增加,由三節點推廣至 n 節點網狀結構,通過系統整體建模求得閉環傳遞函數矩陣,并根據線性系統理論中的 MFD 穩定判據畫出系統閉環極點位置,從而判斷系統高頻穩定性。同時,系統中存在的高頻諧波會使得瞬時功率增大,進而降低系統的低頻穩定裕度。主要結論如下:
(1) 通過星三角等效變換和諾頓戴維南等效變換,可以將網狀三節點電路轉化為單戴維南電路,然后應用一次奈奎斯特穩定判據分析系統穩定性。
(2) 線路阻抗中感性成分比阻性成分對于網狀系統高頻穩定性影響更為敏感。
(3) MFD 穩定判據不僅可以有效判斷網狀微電網穩定性,而且可以適用于任何由網狀網絡得到的系統模型,具有很強的普遍適用性。
(4) 系統的高頻穩定性與電壓電流環調節器系數相關,調節器系數增大會降低系統高頻穩定裕度,輸出電流前饋控制方案可以有效改善系統高頻穩定性。
(5) 系統中的高頻諧波的存在會降低低頻穩定裕度。因此應先調節電壓電流環調節器系數或添加相關控制策略消除高頻諧波,其次再通過調節下垂功率環和鎖相環控制參數或相關策略改善低頻穩定性,最終消除系統中的全部振蕩。
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