高密度逆变器型分布式电源接入低压配电网的电能质量分析与控制研究

In this project, the power quality rules and control strategies of the high-density distributed generations constituted by Inverters in low-voltage distribution network are analyzed through theoretical analysis, digital simulations and experiments. The study is based on the power source structure, the focused industries and the main industrial load characteristics in Ningxia Province. Providing theoretical basis and key technologies, it aims to increase the power density of distributed generations, thus helping to construct a strong and steady distribution network with higher clean energy efficiency and better power quality..By establishing the power flow calculation model of distribution network with the high density distributed generations, the change rules of power quality in a distribution network when the load or the output current/power of distributed generation changes are investigated, and its position and the capacity are optimized. The influence mechanism of power grid voltage feed-forward and impedance on the inverter’s stability is properly clarified, and on-line evaluation model of grid impedance is derived. Based on the different equivalent circuit and short circuit ratio of grid, inverter capacity and filter structure, the self-adaptive control strategies of distributed and concentrated grid-connected inverter are proposed respectively under the stability margin constraint. In order to keep the voltage quality within normal range, the integration mechanism of control objects and the flexible control strategies are presented on the basis of the power quality evaluation model.

根据宁夏电力系统电源结构、重点发展行业及主要工业负荷特点，课题组依据现有研究基础和条件，拟结合理论分析、仿真和实验验证，探索高密度逆变器型分布式电源接入低压配电网的电能质量变化规律和控制策略，为提高逆变器型分布式电源在宁夏配电网中的功率分布密度提供理论依据和关键技术，以构建坚强稳定、清洁能源高效利用和电能质量良好的配电网络。.通过建立高密度分布式电源接入配电网的潮流计算模型，揭示负荷与分布式电源输出电流/功率变化时配电网电能质量变化规律，优化分布式电源接入位置和配置容量；正确阐释电网电压前馈与电网阻抗对并网逆变器稳定性影响机理，建立电网阻抗在线评测模型；根据电网不同等值电路和短路比、逆变器容量、滤波器结构及参数，提出稳定裕度约束条件下的集中并网与分布式并网逆变器自适应控制策略；为保证配电网电压质量合格，依据配电网电能质量评测模型，解析逆变器控制目标融合机理，提出并网逆变器柔性控制策略。

为缓解能源压力，配电网中以光伏、风力发电为代表的变流器型分布式电源必将得到大规模应用。分布式电源接入点一般在电网末端，受配电线路较长以及变压器的影响，电网往往呈现出弱电网特性，并网变流器将会给配电网电能质量带来不利影响，同时电网阻抗与变流器控制系统的耦合作用，以及并联变流器控制系统之间的耦合作用，都可能导致变流器系统稳定性下降，产生振荡甚至失稳，变流器失稳还可能进一步会激发并网滤波器、线路和无源无功补偿元件谐振。为此，本文对高功率密度（高比例）分布式电源接入低压配电网的电能质量进行研究。主要研究了:(1) 阻抗比判据的机理以及变流器多机并联时并联台数和滤波电感参数对系统弱电网适应能力的影响，以及提高弱电网条件下并网变流器稳定性控制方法；(2)网侧谐波电压条件下提高变流器抑制能力的控制方法；(3)并网变流器控制环路中不同环节对并网效果的影响及抑制方法；(4)电力电子磁性元件温度场测试能量回馈电源拓扑及其控制方法。取得了以下成果：(1) 揭示了多机并联系统中变流器并联台数和滤波电感参数与系统弱电网适应能力之间的定量关系，为逆变器型分布式电源接入弱配电网提供了理论参考依据；(2) 提出了一种提高变流器弱电网适应能力的全通前馈策略，同时分析了PWM装载模式、控制器比例系数和控制器带宽对变流器稳定性的影响规律，为提高变流器稳定性提供了分析方法；(3)提出了一种基于并网电流谐波微分的有源阻尼策略，保证了变流器系统对网侧谐波电压扰动的抑制能力；(4)针对并网滤波电感量非线性变化导致变流器输出电流畸变或变流器失稳的现象，提出了一种并网变流器电流控制器的环路增益补偿控制策略，提高了变流器的稳定性；(5)提出了电力电子磁性元件（并网滤波电抗器与高频变压器）温度场测试电源的拓扑及其控制方法，为其真实再现电力电子电源装置开关纹波电流对磁性元件温度场的影响与测试节能提供了技术路径。