摘要
在全球能源清洁转型的背景下，电力行业加快推动建设以可再生能源为主体的新型电力系统。传统的火力发电机组大量的被以光伏和风电为代表的可再生能源发电所替代，促进了电力系统的大规模电力电子化，使系统逐步呈现出“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”态势。由并网逆变器所引发的新型宽频振荡问题在可再生能源渗透率高的地区频频发生，严重危害了电力系统稳定运行，限制了并网逆变器功率传输。综上，对并网逆变器的小信号稳定性问题进行研究，明确系统的小信号稳定功率极限，对于提高系统运行的稳定性，尤其是在弱电网情况下，提高可再生能源的消纳能力具有重要意义。 本文针对并网逆变器的小信号稳定功率极限进行研究。从系统小信号稳定的角度，分析并网逆变器的功率传输能力。以并网逆变器阻抗模型为基础，建立求解小信号稳定功率极限的边界条件：以并网逆变器阻抗特性为指导，分析影响小信号稳定功率极限的主要因素。为了提高并网逆变器系统的小信号稳定功率极限，提出了一种改进锁相环结构。该结构无需改变锁相环控制参数，只需在现有的锁相环结构中进行修改，实现简单。同时，通过系统仿真验证了改进锁相环具有良好的动态性能。本文主要的研究内容包括以下几个方面: (1)针对并网逆变器电压矢量定向控制的结构特点，采用dq由线性化方法推导了其阻抗模型。该模型考虑了锁相环的小信号动态特性以及控制带来的时间延迟。根据并网逆变器阻抗模型的表达形式，分析了系统稳态运行点和控制参数对并网逆变器阻抗特性的影响，研究了其负电阻特性。分析表明，并网逆变器的q-q通道阻抗在低频范围内表现为负电阻特性，并且随着控制参数的增加，其负电阻特性的频率范围也逐渐增大。而稳态运行点的变化则会使阻抗耦合项的幅值发生变化，对逆变器阻抗的负电阻特性影响较小。 (2)基于并网逆变器系统阻抗模型，根据系统小信号稳定临界状态的广义奈奎斯特稳定判据判别条件，建立小信号稳定功率极限边界条件。通过对非线性方程组进行数值计算定量求解并网逆变器的小信号稳定功率极限。并进一步分析了电网短路比和锁相环带宽对并网逆变器小信号稳定功率极限的影响，指出该功率极限小于相应条件下的理论功率传输极限，随着电网短路比的减小而减小，随着锁相环带宽的增大而减小。通过系统仿真验证了算法和理论分析的正确性。 (3)提出了一种改进锁相环结构，从控制的角度等效增大电网短路比，实现了并网逆变器小信号稳定功率极限的提高。该结构实现简单，只需在现有的锁相环结构中进行修改，且不需要改变锁相环原有参数。在传统锁相环并网逆变器阻抗模型的基础上，推导了改进锁相环并网逆变器dq坐标系阻抗模型，通过阻抗特性分析表明改进锁相环不会扩大逆变器q-q通道阻抗的负电阻特性频率范围。采用小信号稳定功率极限数值算法重新计算并网逆变器小信号稳定功率极限，表明改进锁相环可以提高并网逆变器小信号稳定功率极限，并通过系统仿真进行了验证。同时仿真表明，通过选择合适的改进锁相环参数，系统具有良好的动态性能。
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