LCL型并網的兩級式AC-DC儲能變換器控制研究.pdf

1、隨著可再生能源發(fā)電和智能電網的發(fā)展，儲能技術已成為電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質運行的重要技術支撐。作為儲能裝置與電網的電能變換接口，功率變換系統(tǒng)(Power Conversion Systems, PCS)扮演著十分重要的角色。它既要對電池進行有效的管理，還必須保證與電網進行高質量電能交換?；贏C/DC和DC/DC變換器級聯構成的兩級式PCS具有系統(tǒng)設計簡單、電池組配置靈活、控制相對簡單等特點，廣泛應用于大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)中。本文以 LCL型并

2、網的兩級式PCS為研究對象，重點研究網側AC/DC變換器的穩(wěn)定性、電流控制器設計以及兩級之間協調控制等問題。
　　由于數字控制時數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的處理過程引入的控制延時為非有理表達式，且控制延時隨著處理方式的不同而變化，LCL型并網變換器系統(tǒng)有源阻尼性能及穩(wěn)定性更加復雜，且難以獲得規(guī)律性的結論。為此，本文提出一種基于系統(tǒng)等效連續(xù)域模型的、適用于不同數字控制延時的、便于控制

3、器設計的系統(tǒng)有源阻尼性能和穩(wěn)定性分析方法，以基于網側電流反饋的單閉環(huán)控制和基于電容電流反饋有源阻尼的雙閉環(huán)控制為例，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性與LCL濾波器諧振頻率、電容電流反饋系數的關系。由此可獲得考慮數字控制延時影響時系統(tǒng)穩(wěn)定的約束條件，并對系統(tǒng)的截止頻率上限值進行討論。實驗結果驗證了分析方法和所得結論的正確性。最后，將分析方法推廣到變換器側電流反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，驗證了該方法具備較好的擴展性。
　　除了LCL濾波器穩(wěn)定性問

4、題，LCL型并網變換器還必須保證與電網進行高質量的電能交換。而多諧振準PR(Proportional-Resonant, PR)控制器能實現靜止α-β坐標系下正弦電流給定的無靜差跟蹤和抑制電網電壓特定次諧波和不平衡電壓的影響。針對控制器參數多、階數高、設計難的問題，本文詳細分析了各個控制參數對電流環(huán)性能的影響，指出不同的控制參數對電流環(huán)性能起不同的決定性作用。在此基礎上，提出一種電流環(huán)控制器參數解耦簡化解析設計方法。實驗結果驗證了所提出

5、的電流環(huán)參數設計方法的實用性和可行性。此外，分析和實驗結果表明多諧振PR控制器能有效抑制電網電壓不平衡引起的負序分量。針對兩級式儲能變換器直流母線電壓響應速度較慢的問題，詳細分析了其動態(tài)特性，并比較了功率指令前饋、母線電壓平方閉環(huán)和直流母線電壓平方閉環(huán)加上功率指令前饋三種改善策略。比較發(fā)現：直流母線電壓平方閉環(huán)加上功率指令前饋的控制策略具有最佳的動態(tài)控制效果，直流母線電壓的波動最小，且調節(jié)時間最短。
　　本文研究了兩級式PCS的協

6、調控制策略。為了便于對電池進行充放電管理，并網時采用由LCL型并網變換器控制直流母線電壓而DC/DC變換器控制有功功率的兩級式PCS控制方案，并根據電池的荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)設計了電池能量管理策略。隨后本文詳細分析了半橋式Buck/Boost雙向DC/DC變換器(Bidirectional DC-DC Converter, BDC)在互補PWM(Pulse Width Modulation, PWM)工作

7、模式下的工作原理、數學模型、多相交錯并聯時輸出直流電流的紋波特性，采用電流指令均分的每相獨立電感電流閉環(huán)控制策略以實現多相并聯的均流，并詳細分析了其均流特性。通過仿真和實驗驗證了能量管理策略和均流策略的有效性以及控制器設計的合理性。
　　基于并網儲能變換器并網運行(Grid-connected Mode, GCM)與獨立運行(Stand-alone Mode, SAM)兩種工作模式，本文結合控制模式開關和并網開關的動作順序，詳細解

8、析分析了LCL型PWM并網變換器主動由GCM切換到SAM的自然過零主動脫網暫態(tài)過程，指出暫態(tài)過程中總是會出現一相流經并網開關的電流先過零的不平衡狀態(tài)，它的持續(xù)時間取決于控制模式切換的時刻，最長持續(xù)時間為1/4的電網工頻周期。據此，本文提出對流經并網開關的電流進行直接控制，以縮短不平衡持續(xù)的時間，并根據判斷任意兩相電流絕對值是否接近零來進行控制模式切換的兩級式儲能變換器主動脫網的無縫切換策略。同時，針對脫網暫態(tài)過程中負載電壓環(huán)響應速度較慢