关键词:
新能源发电
弱电网
并网逆变器
高阶非线性系统
绝对稳定性
暂态扰动
同步非线性
PWM饱和
鲁棒控制
抗扰控制
状态扰动观测器
单传感器
摘要:
作为连接新能源发电与电网的接口装置,并网逆变器起到了将新能源电能转化为馈入电网高质量交流电的重要作用,并网逆变器的稳定运行是新能源大规模入网亟需解决的重要问题。高渗透率新能源发电背景下逆变器的输入及输出端动态性强,电网电压跌落、电网阻抗变化、功率控制突变等暂态扰动将使得具有非线性特性的逆变器并网系统的稳定性面临着严重挑战。然而,纵观国内外权威文献,现有的逆变器并网系统稳定性研究基本都是对实际系统进行了简化处理,忽视了未建模动态与暂态扰动交互对稳定性的影响,使得稳定性分析结果不够可靠。因此计及系统各个非线性环节进行严格稳定性分析是必要的,但目前相关研究尚未开展。
本文首先研究了计及同步旋转坐标系锁相环(Synchronous-Reference-Frame-Based Phase Locked Loop,SRF-PLL)影响的并网逆变器非线性建模及稳定性分析方法。建立了SRF-PLL同步下并网系统的非线性状态空间模型,并基于Lyapunov直接法推导系统稳定的矩阵不等式条件,给出系统稳定域确定方法。分析了时域建模及稳定性判定方法在保守性、直观性、普适性上的不足,指出需开展频域下的非线性分析。
为此,本文提出非线性结构简单的正交归一化(Orthonormal)开环同步技术以简化系统非线性强度,并提出Orthonormal同步框架下适用于单相并网逆变器系统的统一绝对稳定性判据,以及同步增益限幅的稳定性设计方法。提出的绝对稳定性判据显示,在稳态点存在的情况下,若电流环路与弱电网交互稳定,且频域函数与同步增益上界满足不等式Re{N(jω,φ)}<1/η,则所分析的并网逆变器系统在大小扰动下绝对稳定。由于提出的稳定性判据为非线性频域判据,因此具有直观性、普适性以及简便性等多方面优点。通过设置同步增益限幅并设置限幅水平为η=1/max{Re{N(jω,φ)}},系统稳定性情况进一步改善为:若稳态点存在,则并网逆变器在分析的电网阻抗区间内严格稳定。进一步通过稳态点存在条件分析可知,相比于无增益限幅,增益限幅增大了稳态点存在的条件裕度,有利于提高系统恶劣情况下的稳定性。仿真及实验结果验证了提出的方法的有效性以及理论分析的正确性。
进一步,为便于稳定性判据中线性部分的分析,创新性地提出了频域下的“固线移点”(Fixed-Line Shift-Point,FLSP)参数稳定性分析方法,解决了参数变化下频域稳定性分析复杂和困难的难题。该方法仅需绘制一条Nyquist曲线,并在复平面上比较代表参数变化的点与Nyquist曲线的相对位置,即可直观地看出参数变化下的稳定区域及裕度。该方法应用于本文四至六章节的实例分析中,并显示出该方法的直观性和简便性,是频域稳定性分析的有力工具。
接着考虑了实际逆变器中的脉宽调制(Pulse-Width Modulation,PWM)环节的输出限制(占空比饱和)问题对并网系统稳定性的影响。通过描述函数法将PWM饱和非线性拟线性化为区间变化的增益参数N(A),并将其融入阻纳稳定性判据中以分析PWM饱和影响下的并网逆变器系统稳态及暂态稳定性问题。通过实例分析了饱和程度、电网感抗、载波幅值以及直流侧电压对暂态饱和稳定性的影响,基于仿真和实验测试验证提出的理论和方法的准确性。
为进一步分析同步非线性和PWM饱和双重影响下并网逆变器系统的稳定性问题,将饱和函数区间化方法融入绝对稳定性判据中,获得计及双重非线性影响的整体非线性频域稳定性判据。通过实例应用及验证测试说明了所提分析理论的可靠性。
在绝对稳定性分析基础上,为实现具有高抗扰和高电流质量的并网逆变器鲁棒控制,并减少反馈控制中的传感器数量继而降低系统故障率、减少变换器成本以及体积,提出了基于状态扰动观测器(State and Disturbance Observer,SDOB)的电流控制技术。通过分离系统中的参数不确定及扰动项,将LCL型滤波电路分离为集总扰动和已知系统的标称模型,并基于该模型进一步提出仅使用单电流测量即可估计集总扰动和标称系统状态的SDOB结构,以及提出基于SDOB估计值实现扰动前馈抑制及全状态反馈控制的鲁棒电流控制策略。进一步,在SDOB控制的基础上提出了无同步传感器的电网同步方案,实现了并网逆变器的单传感器控制。利用前述提出的的非线性频域稳定性判据对提出的鲁棒电流控制策略进行了绝对稳定性分析,并通过仿真和实验测试验证所提单传感器鲁棒电流控制方法的有效性,同时也进一步验证了前文提出的非线性频域稳定性分析理论和方法的正确性。
上述工作系统性地研究了计及同步非线性动态、并网逆变器多环路控制及弱电网三者交互耦合的高阶非线性并网逆变系统的稳定性分析理论与方法,填补了并网逆变器整体严格非线性稳定性分析的空白,解决了大、小扰动下并网逆变器全局稳健运行分析的关