基于阻抗分析法的并网逆变器系统稳定性研究

作     者：卞江铜 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖华锋

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：分布式发电 并网逆变器 输出阻抗模型 谐波信号 阻抗特性 稳定性分析 

摘      要：随着社会经济的发展,各个国家对能源的需求变得越来越高,传统化石能源经过长期的开采与挖掘,正变得日益枯竭,新能源的开发变得越来越重要。分布式发电是新能源开发中的重要利用形式,其在电网中所占的比例越来越大,逆变器作为分布式发电与电网之间的连接装置,在新能源的的利用中也占据着越来越重要的角色。逆变器作为电网中的能量变换器件,不同于传统的电阻、电容或电感等器件,由于其本身的非线性特性,会在系统运行时产生一系列谐波,从而对整个逆变器系统产生重要影响,严重时会引起振荡,导致系统无法稳定运行。同时,在远距离输电线路中,由于引入了线路的阻感性阻抗这一因素,同样会对整个逆变器系统的稳定运行产生重要影响。阻抗分析法是通过研究逆变器等效输出阻抗与电网阻抗之间的关系从而研究系统稳定性的重要方法。本文以单相并网逆变器为研究对象,首先论述了阻抗分析法的基本原理,继而对并网逆变器的接口滤波特性和单相并网逆变器的一般控制策略进行了分析,选取了三种典型滤波接口中的LCL型逆变器作为研究对象,以静止坐标系下的基于PI调节器的电流环作为控制策略。在确定合适的滤波器结构以及控制策略后建立了单相并网逆变器的输出阻抗模型,同时建立了单相锁相环的数学模型,分析研究了锁相环对逆变器输出阻抗模型的影响以及物理意义。论文以逆变器输出阻抗模型的仿真验证为例,详细论述了谐波注入法验证逆变器输出阻抗模型的基本原理和过程。通过在公共耦合点(Point of Common Coupling,PCC)处注入谐波扰动电压激励,然后对进网电流做傅里叶变换提取出对应频率的响应电流信号,从而计算出逆变器输出阻抗。长距离输电线路引入的电网阻抗影响着并网逆变器系统的稳定运行,文中研究了一种基于谐波注入的电网阻抗检测技术。通过在电网电压过零期间周期性间断注入期望频率和幅值的电压信号,从而在并网公共点检测电压电流响应信号的幅值,进而基于获得的响应信号数据快速计算出系统在期望频率下的阻抗特性。文章详细介绍了阻抗检测方法的工作原理,关键参数设计方法,过零检测方法以及相应信号数据提取方法,仿真结果表明了该方法的有效性。对于单台并网逆变器系统的稳定性问题,论文主要分析研究了电网阻抗这一参数的大小对系统稳定性的影响。针对实际环境中电网阻抗不可变的特点,提出运用超前网络对逆变器输出阻抗相位进行补偿,从而提高系统相位裕度,改善系统稳定性的方法。该方法的本质是通过构造出虚拟阻抗,改变逆变器等效输出阻抗的幅频特性和相频特性,从而改善系统稳定性。文章以一组参数为例,详细介绍了该方法的具体原理,以及相位补偿环节中的参数整定。对于多逆变器并网系统的稳定性问题,考虑到并联的逆变器通常参数相同,论文对多逆变器并网系统中逆变器数量对系统稳定性的影响做了分析研究。最后,基于实验室现有的实验设备,搭建了一台单相并网逆变器实验装置,通过实验测试和结果分析,对上述问题进行了分析研究,对上述分析研究进行了实验验证。