LCL型并網(wǎng)的兩級式AC-DC儲(chǔ)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(wǎng)的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)已成為電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的重要技術(shù)支撐。作為儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)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(jìn)行有效的管理，還必須保證與電網(wǎng)進(jìn)行高質(zhì)量電能交換?；贏C/DC和DC/DC變換器級聯(lián)構(gòu)成的兩級式PCS具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、電池組配置靈活、控制相對簡單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。本文以 LCL型并

2、網(wǎng)的兩級式PCS為研究對象，重點(diǎn)研究網(wǎng)側(cè)AC/DC變換器的穩(wěn)定性、電流控制器設(shè)計(jì)以及兩級之間協(xié)調(diào)控制等問題。
　　由于數(shù)字控制時(shí)數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的處理過程引入的控制延時(shí)為非有理表達(dá)式，且控制延時(shí)隨著處理方式的不同而變化，LCL型并網(wǎng)變換器系統(tǒng)有源阻尼性能及穩(wěn)定性更加復(fù)雜，且難以獲得規(guī)律性的結(jié)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(shù)字控制延時(shí)的、便于控制

3、器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有源阻尼性能和穩(wěn)定性分析方法，以基于網(wǎng)側(cè)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(shù)的關(guān)系。由此可獲得考慮數(shù)字控制延時(shí)影響時(shí)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(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析方法和所得結(jié)論的正確性。最后，將分析方法推廣到變換器側(cè)電流反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，驗(yàn)證了該方法具備較好的擴(kuò)展性。
　　除了LCL濾波器穩(wěn)定性問

4、題，LCL型并網(wǎng)變換器還必須保證與電網(wǎng)進(jìn)行高質(zhì)量的電能交換。而多諧振準(zhǔn)PR(Proportional-Resonant, PR)控制器能實(shí)現(xiàn)靜止α-β坐標(biāo)系下正弦電流給定的無靜差跟蹤和抑制電網(wǎng)電壓特定次諧波和不平衡電壓的影響。針對控制器參數(shù)多、階數(shù)高、設(shè)計(jì)難的問題，本文詳細(xì)分析了各個(gè)控制參數(shù)對電流環(huán)性能的影響，指出不同的控制參數(shù)對電流環(huán)性能起不同的決定性作用。在此基礎(chǔ)上，提出一種電流環(huán)控制器參數(shù)解耦簡化解析設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出

5、的電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性和可行性。此外，分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多諧振PR控制器能有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡引起的負(fù)序分量。針對兩級式儲(chǔ)能變換器直流母線電壓響應(yīng)速度較慢的問題，詳細(xì)分析了其動(dòng)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(xiàn)：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(dòng)態(tài)控制效果，直流母線電壓的波動(dòng)最小，且調(diào)節(jié)時(shí)間最短。
　　本文研究了兩級式PCS的協(xié)

6、調(diào)控制策略。為了便于對電池進(jìn)行充放電管理，并網(wǎng)時(shí)采用由LCL型并網(wǎng)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(jù)電池的荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)設(shè)計(jì)了電池能量管理策略。隨后本文詳細(xì)分析了半橋式Buck/Boost雙向DC/DC變換器(Bidirectional DC-DC Converter, BDC)在互補(bǔ)PWM(Pulse Width Modulation, PWM)工作

7、模式下的工作原理、數(shù)學(xué)模型、多相交錯(cuò)并聯(lián)時(shí)輸出直流電流的紋波特性，采用電流指令均分的每相獨(dú)立電感電流閉環(huán)控制策略以實(shí)現(xiàn)多相并聯(lián)的均流，并詳細(xì)分析了其均流特性。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了能量管理策略和均流策略的有效性以及控制器設(shè)計(jì)的合理性。
　　基于并網(wǎng)儲(chǔ)能變換器并網(wǎng)運(yùn)行(Grid-connected Mode, GCM)與獨(dú)立運(yùn)行(Stand-alone Mode, SAM)兩種工作模式，本文結(jié)合控制模式開關(guān)和并網(wǎng)開關(guān)的動(dòng)作順序，詳細(xì)解

8、析分析了LCL型PWM并網(wǎng)變換器主動(dòng)由GCM切換到SAM的自然過零主動(dòng)脫網(wǎng)暫態(tài)過程，指出暫態(tài)過程中總是會(huì)出現(xiàn)一相流經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)的電流先過零的不平衡狀態(tài)，它的持續(xù)時(shí)間取決于控制模式切換的時(shí)刻，最長持續(xù)時(shí)間為1/4的電網(wǎng)工頻周期。據(jù)此，本文提出對流經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)的電流進(jìn)行直接控制，以縮短不平衡持續(xù)的時(shí)間，并根據(jù)判斷任意兩相電流絕對值是否接近零來進(jìn)行控制模式切換的兩級式儲(chǔ)能變換器主動(dòng)脫網(wǎng)的無縫切換策略。同時(shí)，針對脫網(wǎng)暫態(tài)過程中負(fù)載電壓環(huán)響應(yīng)速度較慢