摘要
随着全球能源短缺问题的日益严重以及“双碳”目标的提出，新能源发电技术得到了迅速地发展。作为新能源发电与电网之间的接口，并网逆变器的控制性能对发电系统的输出电能质量与稳定性至关重要。然而，受我国新能源发电系统地理位置的限制，很多并网逆变器距离电力主干网较远，并网接口呈现薄弱化和复杂化的特点，出现电网背景谐波、弱电网等非理想电网环境。其中，电网背景谐波引起并网电流畸变，降低并网逆变器的输出电能质量，LCL 滤波器引起的谐振对并网逆变器的稳定运行产生不利影响；弱电网下锁相环与电流谐波控制器之间的耦合作用不可忽略，该耦合作用引起并网电流的低频振荡，威胁设备的安全运行；此外，弱电网下锁相环固有的d、q轴不对称控制引起的频率耦合效应使得并网逆变器在并网点谐波作用下产生扰动电流与耦合电流，降低其输出电能质量。同时，锁相环频率耦合效应改变并网逆变器的等效输出阻抗特性，进一步恶化并网逆变器的稳定性，严重时造成并网逆变器因失稳而被切除电网。因此，研究非理想电网环境下并网逆变器的运行特性及稳定性控制对扩大新能源发电在电力市场中的应用具有重要意义。 本文以典型的三相LCL型并网逆变器为研究对象，围绕其在非理想电网环境下的运行特性以及稳定性优化控制方案展开了研究，并通过仿真与实验对理论分析进行验证。论文具体研究内容如下： （1）针对电网背景谐波引起的并网电流畸变以及 LCL 滤波器谐振尖峰造成的并网逆变器不稳定的问题，研究了改善并网电流波形质量的电流控制器并提出了改善系统稳定性的有源阻尼控制策略。通过推导并网电流的表达式阐明了并网电流谐波产生的本质原因在于电网背景谐波通过并网逆变器等效阻抗对并网电流产生影响，在此基础上设计了比例积分准谐波控制器抑制并网电流畸变；通过控制系统开环传递函数分析了数字控制时网侧电流反馈方式下并网逆变器的稳定性。针对并网逆变器失稳的问题，设计了基于延时正反馈的高通滤波器有源阻尼控制策略，通过设计相应的控制参数提高了并网逆变器的稳定性。仿真与实验结果表明：基于延迟正反馈的高通滤波器有效拓宽了有源阻尼区间，保证了网侧电流反馈方式时并网逆变器在滤波参数变化时的鲁棒性；比例积分准谐波控制器可有效抑制电网背景谐波引起的并网电流畸变，提高并网逆变器输出电流波形质量。 （2）弱电网下锁相环与电流谐波控制器相互耦合引起并网电流低频振荡，针对该问题研究了弱电网下并网逆变器电流谐波抑制系统的鲁棒控制方法。通过构建弱电网下并网逆变器同步矢量模型阐明了弱电网下锁相环与电流准谐波控制器之间的耦合关系；通过建立电网背景谐波下、考虑锁相环影响的并网逆变器输出阻抗模型，揭示了弱电网下锁相环影响并网逆变器稳定性的原因及规律；设计了一种基于二阶低通滤波器的改进锁相环，并进行了改进锁相环的参数设计。仿真与实验结果表明：锁相环降低了并网逆变器q 轴输出阻抗Zqq的相位，随着电网阻抗的增大，Zqq与电网阻抗的交点频率左移，与电流谐波控制器的补偿频率接近，系统因谐波极点引起的相位阶跃而不稳定，并网电流出现振荡；改进锁相环可以改善并网逆变器输出阻抗的低频特性，解决弱电网下因锁相环引起的并网逆变器电流谐波抑制系统的不稳定问题。 （3）弱电网下锁相环频率耦合效应进一步降低并网逆变器的稳定性，针对该问题研究了锁相环频率耦合效应对并网逆变器输出阻抗特性及稳定性影响规律，并进行了稳定性优化控制。通过小信号扰动阐明了弱电网下锁相环频率耦合机理；在dq坐标系下建立了表征耦合特性的自导纳和耦合导纳模型，证明了锁相环频率耦合效应的不可忽略性；通过推导考虑锁相环频率耦合效应时并网逆变器等效输出阻抗模型，发现锁相环耦合特征下并网逆变器输出阻抗不仅与自导纳、耦合导纳有关，还受电网阻抗的影响，指出锁相环频率耦合效应降低了并网逆变器输出阻抗相位，忽略其会导致不准确的系统稳定性判定结果；提出了采用基于二阶低通滤波器的锁相环和二阶广义积分锁相环（Second Order Generalized Integrator Phase Locked Loop, SOGI-PLL）抑制锁相环频率耦合效应、改善并网逆变器的稳定性。仿真与实验结果表明：弱电网下锁相环频率耦合效应恶化了并网逆变器在谐波扰动下的并网电流质量；锁相环频率耦合效应改变了并网逆变器输出导纳模型，降低了系统稳定性；基于二阶低通滤波器的锁相环与SOGI-PLL均可以削弱耦合导纳的影响，改善因锁相环频率耦合效应导致的系统不稳定问题。 基于以上三方面研究，本课题实现了光伏并网逆变器在畸变电网、弱电网等非理想电网环境下的运行优化控制，仿真与实验结果表明本文的方法能够提高并网逆变器输出电能质量、改善系统稳定性，提升其在非理想电网环境下稳定运行的能力。
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