超Nyquist LCL谐振频率下单相并网变换器稳定性分析及弱网下鲁棒性设计

作     者：聂文娟 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小强

授予年度：2022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：并网变换器 LCL滤波器 单电流环控制 稳定性 鲁棒性设计 

摘      要：“碳达峰、碳中和目标的提出促进了我国风能、太阳能等新能源发电快速发展。并网变换器作为其中的关键环节,输出性能直接关乎新能源发电质量。相比于L型并网变换器,LCL型并网变换器可使用较少的滤波电感实现更好的输出电能质量,因此成为并网变换器的研究热点。但LCL滤波器引入了高频谐振,易导致系统不稳定。相比于无源阻尼法以及基于状态变量反馈的有源阻尼法,通过合理设计滤波器谐振频率以及控制参数,也可保证系统稳定,其具有效率高、控制简单、避免额外传感器等特点。因此,本文以LCL型单相并网变换器为研究对象,并考虑小滤波元件参数导致的超Nyquist频率LCL谐振特性,围绕其在单电流环控制下的稳定性及弱电网下的鲁棒性设计展开研究,具体工作内容如下:首先,建立了LCL型单相并网变换器单电流环控制下的连续域数学模型,分析了其谐波特性,结合并网系统数字控制,根据奈奎斯特稳定判据,分别研究了网侧电流反馈和变换器侧电流反馈单环控制下的系统稳定性,并给出其滤波器设计稳定域以及电流控制器参数设计范围。然后,对连续数学模型中各个环节进行离散化,得到LCL型单相并网变换器单电流环控制下的离散域数学模型,考虑小滤波元件参数导致的超Nyquist频率LCL谐振特性,利用数字控制系统存在的采样混叠特性,分析了系统离散域模型中超Nyquist LCL谐振频率映射规律,并研究了超Nyquist频率谐振下网侧电流反馈和变换器侧电流反馈单环控制的系统稳定性,进一步给出了考虑超Nyquist频率谐振时两种单电流环控制方案下的滤波器设计稳定域及控制器参数设计原则。最后,为了避免启动阶段的电流冲击以及提高电网电压背景谐波抑制能力,在原单电流环控制中引入公共耦合点（Point of Common Coupling,PCC）电压前馈控制,并考虑实际接入点电网阻抗特性,研究了包含电网阻抗与PCC点电压前馈控制的系统稳定性,采用伯德图分析方法,结合奈奎斯特稳定判据,提出了弱网下考虑超Nyquist频率谐振的鲁棒性设计方案,进一步约束滤波器设计稳定域。通过多组对比仿真与实验,验证了上述理论分析的正确性与有效性。