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1、华中科技大学 硕士学位论文 分布式发电系统并网及切换控制技术 姓名：周彦 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：段善旭 20090101 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 由于人们对供电质量要求的不断提高以及化石能源危机日益突出， 使得分布式发 电系统成为 21 世纪电力领域最重要的发展方向之一。作为分布式电源与电网和负载 间的接口，电力电子装置成为了分布式发电技术中不可或缺的一部分。本文基于三相 并网系统，重点分析和研究了基于电力电子的并网和切换控制技术。 论文首先建立了基于 LCL 的三相并网系统的状
2、态空间模型，指出在旋转坐标系 下d轴和q轴间存在着复杂的耦合关系， 在静止坐标系下轴和轴之间无耦合关系。 介绍了 LCL 滤波器的滤波特性和谐振特性， 从控制角度比较了其与 L 滤波器的差别， 并在此基础上把 LCL 滤波器等效为低频极点和高频极点的组合，有助于对系统更清 晰的了解和分析。 依据阻尼谐振峰的不同原理将现有基于LCL滤波器的并网控制策略分为三大类， 即加入阻尼电阻增加滤波器阻抗、抑制谐振激励源、补偿滤波器中谐振分量。分别从 稳定裕度、控制器鲁棒性、传感器数量等方面，比较了这三类方法的优缺点。通过实 验验证了对不同策略稳定裕度的分析。 详细分析了并网电流作为外环控制量、 电容电流作
3、为内环控制量的双电流闭环控 制策略，对该策略的抗电网干扰性、控制器鲁棒性、对强弱电网的适应性等进行了讨 论。提出了一种基于非完全极点配置和零极点对消的控制器设计方法，得到一组最优 化的控制器参数。实验证明电容电流内环的引入可以有效地补偿滤波器中的谐振分 量，也说明了控制器设计方法的有效性。 讨论了现有的双模式运行控制策略， 设计并实现了一种基于多闭环控制的双模式 运行策略。仅检测三个控制量的基础上，在独立运行模式和并网运行模式下均实现了 双闭环控制策略，两者共用电容电流内环，保证了两种模式下系统都具有很好的稳定 性、动态性能和抗扰动性能。从并网模式向独立模式切换的过程中，通过设置电流控 制器指
4、令为零，加快晶闸管关断速度，保证系统迅速与电网脱离，提高了负载电压的 连续性。 为了避免复杂的解耦，选择在静止坐标系下对系统进行控制，并引入比例谐振 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II （PR） 控制器对交流信号进行稳态无差地跟踪。 讨论了 PR 控制器数字实现时的难点， 介绍了 PR 控制器分别基于q算子和算子的两种实现方式，利用数学解析手段证明 了基于算子实现控制器时对数字精度要求低于q算子。 关键词：分布式发电系统；并网控制；双电流闭环控制；双模运行控制；无缝切换； 比例谐振控制器；算子 华 中 科 技 大 学 硕 士 学
5、位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III Abstract Due to the higher requirement of power quality and the fossil energy crisis, distributed generation systems have become very popular. As the interface between distributed sources and grid, power electronics equipments are critical to the power quality inject
6、ed into the grid. In this paper, grid-connected technology and two-mode operation technology are studied based on a three-phase grid-connected inverter. The mathematical model of three-phase grid-connected system with LCL filter is established firstly. There is complicated coupling between d coordin
7、ate and q coordinate under the synchronization reference frame, and no coupling between coordinate and coordinate under stationary frame. Then the main characteristics of LCL filter are illustrated. LCL filter is equivalent to combination of low frequency part and high frequency part which is easier
8、 for analysis. According to the damping principles, most grid-connected strategies based on LCL filter are classified into three types including: adding resistor to increase impedance of LCL filter, inhibit resonant excitation sources and compensate the resonant component in the LCL filter. The thre
9、e strategies are compared in terms of stability, robustness, sensor number and et al. The experimental results verified the analysis. In this paper, the two-current-loop control strategy is analyzed in detail. Furthermore, a specific design method for the two-current-loop controller is firstly propo
10、sed to determine the controller parameters which can make the tuning procedure easier. Pole placement and pole-zero cancellation methods which are rather conventional are used in this method. However, the proposed method provides a way to get the parameters of the two-current-loop controller which c
11、an maximize the use of the two feedbacks and get good control performance. Practicality of this design method is discussed and experimental results are also provided to verify the feasibility and correctness of the design method. A novel multi-loop control scheme is proposed to realize the two-mode
12、operation of an LCL-based three-phase inverter. The control scheme consists of three parts, GCM 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV controller, SAM controller and seamless transfer controller. GCM and SAM controllers are both dual-loop controllers, however only three control loops are
13、used in all. Seamless transfer between two modes is also realized in the scheme. Design of the control scheme is discussed in detail. Finally the proposed scheme is verified on a laboratory prototype. Since the PI regulator under stationary frame can not track the reference command without error, PR
14、 regulator is adopted here. The two implementation methods based on different operators (q operator and operator) are compared in this paper detailedly. It is also proved with mathematical tools that it is better to realize PR controller with delta operator than with shift operator. Keywords: distri
15、buted generation system; grid-connected; two-mode operation strategy; dual-current-loop control strategy; seamless transfer; PR controller; operator 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。
16、学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 分布式发电系统介绍 1.1.1 分布式发电概念与特点 至今为止，世界各国对分布式发电（DG）系统都没有一个统一的定义1，国际大 型电力系统委员会（CIGER）将分布式发电定义为： “非经规划的或中央调度型的电 力生产方式，通常与配电网相连，一般发电规模在 50100M
