混合微电网中三相AC/DC变换器的控制策略及其稳定性研究

论文摘要

随着经济的发展,能源与环境问题日益突出,作为化石能源的替代品,可再生能源受到了人们越来越多的关注。将分布式电源(distributed generation,DG)、负荷与储能有机结合起来的微电网系统,可以实现与大电网的稳定、协调运行,是分布式发电一种高效的组织形式,因此微电网的研究具有非常重要的学术价值和现实意义。本文设计了混合微电网中连接交流子网和直流子网的三相AC/DC变换器的控制器,研究了微电网并网和孤岛模式下变换器的控制策略,深入分析了导致变换器运行失去稳定的一类重要原因,最后分别在MATLAB和dSPACE平台上验证了本文的分析。具体研究内容如下：(1)介绍了实验室所采用的混合微电网结构,对微电网中的变换器采用了分层控制,上层为系统级；下层为变换器级。首先根据微电网运行要求设计了下层控制策略,在光伏发电单元和锂电池组的数学模型基础上,分别设计了DC/DC升压变换器和双向DC/DC变换器的控制电路；在微电网并网和孤岛模式下建立了三相AC/DC变换器在ABC静止坐标系和dp同步旋转坐标系下的数学模型,得出了变换器的传递函数,在此基础上设计了前馈解耦的双闭环控制电路,采用了动态性能较好的直接电流控制,并详细介绍了PI调节器参数的整定方法。(2)提出了微电网孤岛运行时上层的协调控制策略,它可根据DG、储能和负荷情况控制各DG的发出功率以及是否切负荷,以保证微电网内部功率平衡。在Matlab/Simulink中搭建了混合微电网模型,分析了并网和孤岛模式下不同算例的仿真结果。结果表明,当微电网内部DG功率以及负荷功率发生变化时,提出的控制策略可有效保证微电网中各个变换器的稳定运行,三相AC/DC变换器可以在整流和逆变之间平滑切换。(3)基于dSPACE系统搭建了三相AC/DC变换器实验平台,设计了相应的信号采集和驱动电路、软件保护模块,并在Control Desk中对变换器进行了实时控制。实验结果表明,变换器实现了电能的双向平滑流动,并网运行时可以稳定直流电压,孤岛运行时可以稳定交流电压。(4)发现了微电网中三相AC/DC变换器失稳的一类现象,描述了此现象会导致的后果,详细分析了其产生的物理机理,研究表明,交流侧等效串联阻抗值的大小是引发此类现象的重要原因,并利用直流工作点给出了预测等效阻抗稳定边界的计算公式。最后通过仿真和实验验证了本文分析的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 微电网的研究现状和前景
• 1.2.1 微电网的概念
• 1.2.2 国内外微电网的研究现状
• 1.2.3 微电网的前景
• 1.3 变换器在微电网中的应用
• 1.4 三相AC/DC变换器的研究现状
• 1.4.1 PWM逆变器的研究现状
• 1.4.2 PWM整流器的研究现状
• 1.4.3 PWM变换器稳定性的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 混合微电网的结构与运行
• 2.1 混合微电网的发展
• 2.2 混合微电网结构与运行
• 2.2.1 实验室的微电网结构
• 2.2.2 微电网的运行
• 2.3 光伏发电单元模型及其控制
• 2.3.1 光伏发电的基本原理
• 2.3.2 MPPT的方法
• 2.3.3 DC/DC升压变换器的控制器设计
• 2.4 锂电池组模型与控制
• 2.4.1 锂电池的数学模型
• 2.4.2 双向DC/DC变换器的控制器设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 混合微电网中三相AC/DC变换器的控制器设计
• 3.1 并网模式下控制器设计
• 3.1.1 整流器建模
• 3.1.2 控制器设计
• 3.1.3 PI调节器设计
• 3.2 孤岛模式下控制器设计
• 3.2.1 逆变器建模
• 3.2.2 控制器设计
• 3.2.3 PI调节器设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 混合微电网系统级控制策略与仿真
• 4.1 混合微电网系统级控制策略
• 4.1.1 并网模式
• 4.1.2 孤岛模式
• 4.2 并网模式的仿真
• 4.2.1 算例1
• 4.2.2 算例2
• 4.3 孤岛模式的仿真
• 4.3.1 算例3
• 4.3.2 算例4
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于dSPACE的三相AC/DC变换器实验
• 5.1 dSPACE简介
• 5.2 三相AC/DC变换器主电路设计
• 5.2.1 IGBT选择
• 5.2.2 交流侧电感参数选择
• 5.2.3 交流侧电容参数选择
• 5.2.4 直流侧电容参数选择
• 5.2.5 软件保护设计
• 5.3 基于dSPACE的三相AC/DC变换器实验平台设计
• 5.3.1 检测电路设计
• 5.3.2 驱动电路设计
• 5.4 三相AC/DC变换器实验
• 5.4.1 变换器并网运行实验
• 5.4.2 变换器孤岛运行实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 微电网中三相AC/DC变换器的非线性行为和稳定性分析
• 6.1 不稳定现象
• 6.2 稳定边界分析
• 6.3 不稳定现象分析
• 6.3.1 物理机理分析
• 6.3.2 不稳定运行状态
• 6.3.3 直流工作点定量分析
• 6.4 仿真验证
• 6.5 实验验证
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果