基于自然坐标方法的主动配电网并网变流器直接功率控制

The direct power control(DPC) method based on natural reference frame, which is proposed in this project, will be an effective approach to solve the problems such as grid-connected converter(GCC) power control problems with high-frequency, real-time power flow in active distribution network(ADN) with the high-penetration of intermittent renewable energy and large scale plug-in electric vehicles. The active power and reactive power commands are obtained by power theoretical analysis of single/three-phase GCC under harmonic and unbalanced conditions. By obtaining and estimating the unit vectors of GCC, the equivalent vector control and real-time response of power commands can be implemented with the natural reference frame characteristics and power devices high frequency switching characteristics. The DPC method based on natural reference frame proposed in this project has some advantages, such as no coordinate transformation, no phase-locked loop(PLL) and clear physical concept. In particular, the advantages of vector control and current DPC are combined in this novel DPC method and the theoretical systems of DPC are enriched. It is of great practical significance in implementing real-time power control, improving the stability for GCC, utilizing the renewable energy and developing the ADN.

针对主动配电网背景下可再生能源高渗透率和未来能源结构中大规模纯电动汽车接入电网导致并网变流器所面临实时功率流动的控制问题，本项目提出基于自然坐标方法实现的直接功率控制解决思路。通过对单相/三相并网变流器非平衡和畸变等复杂工况下进行功率理论分析获得系统功率控制指令，在实现并网变流器自然坐标单位分量获取和估算的基础上，充分利用自然坐标物理特性和电力电子器件的高频开关特性，实时响应功率突变指令并实现矢量解耦控制效果。本项目提出的基于自然坐标实现的直接功率控制方法，无需锁相环和坐标变换便可实现并网变流器功率的动态高品质控制目标，降低了系统实现的复杂度，易于理解和推广；同时融合了矢量控制和直接功率控制的各自优点，充实和丰富了直接功率控制的理论体系。预期的研究成果对于实现并网变流器实时功率控制和提高系统稳定性，开发和利用可再生能源，建设主动配电网都具有重要现实意义。

本项目针对主动配电网背景下可再生能源高渗透率和未来能源结构中大规模纯电动汽车接入电网导致并网变流器所面临实时功率流动的控制问题，提出基于自然坐标方法实现的直接功率控制解决思路。通过对单相/三相并网变流器非平衡和畸变等复杂工况下进行功率理论分析获得系统功率控制指令，在实现并网变流器自然坐标单位分量获取和估算的基础上，充分利用自然坐标物理特性和电力电子器件的高频开关特性，实时响应功率突变指令并实现矢量解耦控制效果。基于自然坐标实现的直接功率控制方法，无需锁相环和坐标变换便可实现并网变流器功率的动态高品质控制目标，降低了系统实现的复杂度，易于实现；同时融合了矢量控制和直接功率控制的各自优点。.项目取得一些成果如下：.1.提出一种基于级联延迟信号消除法和电网电压前馈的 CHB 变流器无锁相环控制方法，结构简单，易于实现，通过电网电压前馈减轻了电网电压畸变对电网电流的影响，并完成了各 H 桥直流侧的电压平衡控制。跟传统的单相 dq 解耦控制相比，该方法无需任何锁相环或低通滤波器、坐标变换和构造正交的电流信号，只需构造正交的电网电压信号，消除了构造正交电流信号造成的延时，具有良好的动态性能。单相三单元 CHB 变流器的仿真和实验结果证明了所提控制方法在电网电压畸变情况下的有效性，可推广应用于其他 PWM 变流器。.2.以单相并网变换器作为研究对象，针对传统的OSG算法在产生虚拟正交信号时存在的延时问题，提出了一种无延时正交电流虚构算法。通过仿真和实验验证了该算法的有效性，并对比分析了该算法与传统 OSG 算法的控制性能。仿真和实验结果表明，该算法能够无延时地产生电网电流对应的 β 轴虚拟正交分量，并且可以无延时地跟踪参考电流信号突变，迅速平稳地过渡到新的稳态。与传统 OSG 算法相比，该算法动态性能更为优越。此外，该算法的实现过程不依赖于系统参数，且稳态性能优异。因此，该算法能够有效解决信号虚构引起的延时问题，从而提高电流控制器的动态性能。.3.项目提出了一种改进的LCL型NPC间接电流控制策略；提出了一种基于自然坐标系（NFC）的无电网电压传感器的控制方案；提出了一种新的功率控制策略；对弱电网条件下无锁相环的LCL型并网变流器的控制和稳定性进行了深入研究等等。