三电平ANPC并网逆变器虚拟同步控制策略研究

作     者：朱文学 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴鹏

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：三电平逆变器 有源钳位 中点电位平衡 虚拟同步机 参数自适应 

摘      要：面对化石能源大量消耗导致的全球能源危机日益显著,新能源分布式发电的并网容量正逐渐增加,但并网逆变器缺乏传统同步发电机的惯性和阻尼,影响电力系统的稳定运行。虚拟同步发电机（VSG）技术模拟同步发电机的外特性,使得电力电子器件为主的逆变器系统具有虚拟惯性和阻尼,实现分布式发电友好并网。目前的逆变器系统正向着中高压大功率方向发展,传统两电平和三电平拓扑因为不适合高压以及功率器件损耗结温不均衡等弊端,三电平有源中点钳位型（ANPC）逆变器受到广泛关注。因此本文以虚拟同步发电机控制的三电平ANPC逆变器作为对象展开研究。本文分析ANPC拓扑的工作原理,研究换流方式对逆变器功率器件的损耗平衡和结温均衡的影响;建立三电平ANPC逆变器的数学模型,为设计在dq坐标系下的电压电流双闭环控制系统提供理论基础;针对在dq轴之间存在耦合分量,通过前馈解耦的方式消除耦合,提高逆变器输出稳定性。针对并网时电压跌落逆变器需要发出大量无功支撑电网的情况,研究逆变器输出强无功状态下三种调制方式的中点电位平衡策略。分析中点电位不平衡机理和空间矢量对中点电位的影响,为研究中点电位平衡策略建立基础。在空间矢量脉宽调制（SVPWM）和虚拟空间矢量脉宽调制（VSVPWM）中采用平衡小矢量方法控制中点电位平衡,并通过加入中点电流方向来控制调节因子,起到促进中点电位平衡的效果,在断续脉宽调制（DPWM）中采用对中点电位相反作用的调制来平衡中点电位。模拟同步发电机的转子运动方程和励磁电压方程得到VSG有功环和无功环控制系统,并建立VSG算法的小信号模型,利用经典控制理论分析VSG参数虚拟惯性和阻尼对控制性能的影响。基于VSG算法的逆变器可以工作于离网和并网两种模式,采用无锁相环预同步控制完成离网到并网的平滑切换。发挥VSG算法虚拟惯性和阻尼灵活可调的优势,采用系统频率调节虚拟惯性、输出有功调节阻尼系数的参数自适应算法提高系统的动态性能。最后通过MATLAB软件和搭建的三电平ANPC逆变器实验平台,对以上研究内容进行仿真和实验验证。