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多逆变器网状电力并联系统稳定性分析

  • 发布日期:2018-07-04
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本文是一篇硕士电力工程论文,电力是发展生产和提高人类生活水平的重要物质基础,电力的应用在不断深化和发展,电气自动化是国民 经济和人民生活现代化的重要标志。就目前国际水平而言,在今后相当长的时期内,电力的需求将不断增长,社会对电气工程及其自动化科技工作者的需求量呈上升态势。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电力工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论本
 
章首先介绍微电网的发展现状与其稳定性问题,其次对微电网稳定性问题和各环路的关系进行简要介绍,因为本文主要分析微电网高频稳定性,故详细分析基于阻抗的建模方法,并介绍不同结构下应用基于阻抗稳定判据的研究现状。最后简述本文的主要研究内容。
 
1.1 微电网及其稳定性问题
随着国家工业化、现代化、智能化的发展,电能成为现代社会最重要的能源,关乎着国家的各行各业,与经济发展、社会稳定、国家命运息息相关。传统的一次性能源发电方式主要依靠化石能源,而随着不可再生的化石能源的日益枯竭,传统大电网发电方式受到制约,同时发电过程中排放的大量有毒有害气体成为当今雾霾天气的主要原因,难以适应现代社会人民生产生活的需求,对人民的身体健康造成了巨大危害。为了应对能源危机的加剧和环境问题的日益恶化,由各种分布式发电单元、负载、储能设备、控制器以及监控和保护单元等组成的微电网逐渐成为满足负荷增长需求的有效方式,如图 1-1 所示。与单个分布式发电单元相比,微电网具有更大的容量,并且能够提供高质量、高可靠性的电能[1-3]。
.............
 
1.2 研究意义
随着大量分布式发电单元接入,微电网实际运行过程中发现多台逆变器的交互作用引起串并联谐振,严重影响系统稳定运行[4]-[6]。系统中存在的大量谐波会使电网的电压与电流波形发生畸变,从而降低电网电压、增加线路损耗,造成能源的浪费,同时对于负载设备的稳定运行产生影响,容易造成继电保护装置的误操作,降低电力电子计量设备的准确性。系统的不稳定性问题主要分为低频振荡和高频谐波两大类,系统各个环节的控制参数[7-8]、滤波器参数[9-10]、所含逆变器的数量[11]、线路阻抗[12-13]等都会对系统的高频稳定性产生影响。同时恒功率负载呈现负阻性[14-16],因而会减小负载阻抗和稳定裕度,易引起高频振荡。系统锁相环 PLL[17]和下垂功率环[18-20]响应速度缓慢,参数设计不合理同样会引起逆变器交互作用,产生低频振荡。微电网电能质量治理的研究主要针对基波和低次振荡,针对高次谐波电流的谐振抑制,以及微电网阻抗重塑等关键问题的研究还比较缺乏,因此本文重点研究微电网系统中的高频谐波问题,并且电路结构也从简单的单母线结构推广至含有多种多个发电单元的网状复杂结构。
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第 2 章 三节点网状微电网高频稳定性研究
 
针对三节点网状微电网中存在的供电质量和高频谐波稳定性问题,本文提出一种星三角电路变换的方法,通过电路结构转化,创造虚拟 PCC 点,进而分析系统中虚拟 PCC 点电压与参考电压和输出电流的关系,建立微电网的等效戴维南模型,并多次利用诺顿模型与戴维南模型的变换,最终化简为单戴维南模型。根据零极点分布判断等效电压源和负载稳定性,在保证二者稳定性的前提下,利用基于阻抗的Nyquist 稳定判据判断负载以及线路阻抗对系统稳定性的影响,计算简单,准确性高。最后提出一种受控电流源方案吸收电路中的谐波成分,理论分析和仿真结果证明了方案有效性。
 
2.1 单戴维南模型的建立
图 2-1 为三个电压源逆变器通过 LC 滤波器以网状方式连接,并分别带一组本地负载。图中的 cablen 表示线路阻抗,RL 表示本地负载,Lf,n和 Cf,n表示 LC 滤波器的电感和电容。运用星形联结和三角形联结的等效变换,将三个电压源逆变器网状结构转为单一母线结构进行分析,同时将电压源逆变器表示为戴维南模型,即等效为一个理想电压源和等效阻抗串联形式,如图 2-2 所示:
.........
 
2.2 系统高频稳定性分析
图 2-4 中的等效模型可以分为电源部分和负载部分,为分析系统稳定性,首先需保证空载时电压源 Vs(s)稳定性以及理想电源下负载电流 1/ZL(s)稳定性,然后利用基于阻抗的 Nyquist 判据判断系统稳定性。应用虚拟公共耦合点使网状电路转化为单母线结构电路,然后通过多次星三角电路变换,将多逆变器结构转化为单逆变器单母线结构,最后应用一次基于阻抗的 Nyquist 稳定判据可有效判断三节点网状孤岛微电网的高频稳定性。针对系统中的高频不稳定现象,下文通过添加受控电流源方案吸收系统中的高频谐波,从而改善系统高频稳定性。
........
 
第 3 章 n 节点网状微电网系统建模与高频稳定性分析....22
3.1 基于阻抗的奈奎斯特稳定判据分析网状结构 ..........22
3.2 基于 MFD 判据的稳定性分析......24
3.3 应用举例(四节点网状微电网稳定性分析) ...........28
3.4 本章小结 ..........33
第 4 章 孤岛微电网高频和低频稳定性关联.............34
4.1 逆变器系统低频稳定性分析 ........34
4.2 三节点网状逆变器并联系统高频稳定性分析 ..........38
4.3 高低频稳定性关联的理论推导 ....41
4.4 高低频稳定性关联的仿真验证 ....43
4.5 本章小结 ..........45
第 5 章 实验设计及验证.....46
5.1 硬件设计 ..........46
5.2 软件设计 ..........50
5.2.1 主程序设计 .........50
5.2.2 锁相环设计 .........50
5.3 实验结果 ..........52
5.4 本章小结 ..........56
 
第 5 章 实验设计及验证
 
第 2 章通过星三角电路变换和戴维南-诺顿等效模型变换,创造虚拟公共耦合点,从而改变电路结构,将三节点网状微电网系统转化为单母线结构。第 3 章利用多项式矩阵分式(MFD)稳定判据判断 n 节点网状系统稳定性,并针对线路阻抗中的阻性成分和感性成分变化对于稳定性的影响进行了对比分析。第 4 章针对采用下垂控制策略的逆变器系统,大量高频谐波的存在会降低低频稳定裕度,通过修改电压电流环参数和添加输出电流前馈控制策略消除高频谐波的同时可以改善系统的低频稳定性。本章搭建三相桥式逆变器实验平台,验证以上分析的正确性。首先对实验平台从硬件实现和软件编写角度进行简要介绍,之后通过相关实验进行分析。
 
5.1 硬件设计
逆变器实验平台采用三相桥式电路结构,主要包括主电路、辅助电源单元、控制单元、驱动保护单元和 CAN 通信单元,如图 5-1 所示。工作过程为:首先通过 10个霍尔完成电压电流的采样,然后将 10 路采样信号送回到控制板 ADC 部分进行采样处理,同时在程序中完成采样值和真实值的转换,功率计算,最终完成功率环、电压电流环的闭环控制,控制芯片 28335 产生 PWM 信号,对 6 个 IGBT 进行控制。同时 CAN 通信环节可以在线完成调试,避免一次次的程序拷贝,有利于系统的调节。主电路板上包括 4 个 470uF,耐压为 450V 的母线电容,稳定输入直流电压。采样部分包括 4 个 CHV-25P 电压霍尔传感器,分别用于检测 3 路输出电压和直流侧电压,6 个 LA-50P 电流霍尔传感器,检测 3 路电感电流和 3 路输出电流。逆变器输出滤波采用 LC 滤波器,电感磁芯采用七星飞行公司的铁硅铝 A125-572A,电感值为3mH,电容采用 3 个 47uF,耐压为 400V 的 CBB 电容并联实现。
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结 论
 
本文主要研究多逆变器网状微电网建模和高频稳定性问题,同时对高频和低频稳定性的关联进行分析。首先在三节点网状微电网中,通过星三角变换得到虚拟公共耦合点,将网状结构转化为单母线结构,然后多次应用戴维南-诺顿变换,最终转化为单戴维南模型应用奈奎斯特稳定判据进行分析,并添加受控电流源策略吸收系统高频谐波。其次将节点数目增加,由三节点推广至 n 节点网状结构,通过系统整体建模求得闭环传递函数矩阵,并根据线性系统理论中的 MFD 稳定判据画出系统闭环极点位置,从而判断系统高频稳定性。同时,系统中存在的高频谐波会使得瞬时功率增大,进而降低系统的低频稳定裕度。主要结论如下:
(1) 通过星三角等效变换和诺顿戴维南等效变换,可以将网状三节点电路转化为单戴维南电路,然后应用一次奈奎斯特稳定判据分析系统稳定性。
(2) 线路阻抗中感性成分比阻性成分对于网状系统高频稳定性影响更为敏感。
(3) MFD 稳定判据不仅可以有效判断网状微电网稳定性,而且可以适用于任何由网状网络得到的系统模型,具有很强的普遍适用性。
(4) 系统的高频稳定性与电压电流环调节器系数相关,调节器系数增大会降低系统高频稳定裕度,输出电流前馈控制方案可以有效改善系统高频稳定性。
(5) 系统中的高频谐波的存在会降低低频稳定裕度。因此应先调节电压电流环调节器系数或添加相关控制策略消除高频谐波,其次再通过调节下垂功率环和锁相环控制参数或相关策略改善低频稳定性,最终消除系统中的全部振荡。
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