一种微源逆变器串联的微电网系统关键问题研究

AC, DC and AC/DC hybrid structure are widely employed in a microgrid at present. Aiming at the problems such as the prevalence of circulating current, high harmonic content of output voltage and control complexity in the structure, a kind of microgrid with micro-source inverters connected in series is proposed. In the microgrid, the outputs of micro-source inverters are connected in series, the mixed modulation of variation amplitude carrier phase shift is applied for all inverters to make the output voltage to be multilevel waveform. This special structure can eliminate the circulation thoroughly, minimize harmonic content, decrease the operating voltage of the micro-source inverter, reduce voltage stress and the cost of equipment, simplify the diversity and complexity of system control and improve power quality. Asymmetric series structure, control of power balance and energy coordination, independent control of micro-source inverter, voltage stability, exit or joint of the limited micro-source, modeling of small signal are studied mainly.Some key issues including demand of dc voltage constant, over modulation, dc voltage fluctuation, dimension reduction and discrete model, influence of dead band and the others are solved primarily.The goal of the project is to develop a new type of microgrid with high-performance. So it proposes a new series microgrid structure , some new methods and strategies of micro-source inverters control, power optimization balance and voltage stability in series microgrids, which provide a new approach for the microgrid networking.

针对目前微电网广泛采用的交流、直流和混合结构中，普遍存在的环流、输出电压谐波含量大及系统控制复杂等问题，研究一种微源逆变器串联的微电网。在该微网结构中将多个微源逆变器的输出相串联，对所有逆变器采取载波变幅移相调制，使系统的输出电压为多电平波形。彻底解决了环流问题；减少了谐波含量；降低了微源逆变器的工作电压，减小电压应力和设备成本；系统控制的多样性和复杂性也得以简化；提高了电能质量。主要研究非对称串联结构、功率平衡与能量协调、微源逆变器独立控制、电压稳定性、微源解列与投入、系统小信号建模等内容。主要解决直流电压不变条件的满足、过调制、直流电压波动、系统降维与离散模型建立、死区效应影响等关键问题。目标是研究出一种高性能的新型微电网系统。项目提出了一种新型串联微网结构，以及一些对微源逆变器、功率优化平衡、串联微网电压稳定等控制的新方法和策略，为微网的组网方式提供了一种新的途径。

微电网是一种输出电能质量高、运行方式灵活、可再生能源渗透率高的发配电系统。微电网发展至今，其结构类型主要有交流、直流以及交直流混合型三种。各网架结构下都不同程度地存在环流、输出电压谐波含量大及控制复杂等问题。本项目研究了一种微源逆变器串联的微电网系统，可以从结构上很好地解决普通微电网中所存在的诸多关键性问题。本项目主要进行了以下研究：1)对系统在对称、非对称以及过调制条件下的输出特性进行了分析；2）建立了微源逆变器、串联逆变环节、整体系统在孤岛和并网运行模式下的小信号模型。这为微源之间的能量协调控制，系统动、静态特性的分析及控制器的设计奠定了基础；3）采用一种载波变幅移相调制方法，实现了各微源逆变器的输出基波电压和输出功率的独立控制；4）分析了微源逆变器载波比、直流链电压变化时，死区对系统输出电压的影响，提出了一种适用于该系统的载波变幅死区补偿方法；5）基于系统小信号模型，采用特征值灵敏度方法分析了微源的解列与投入对系统孤岛和并网运行稳定性的影响；6）研究了串联逆变环节的非线性控制方法，并采用多准比例谐振控制器对非线性负载条件下的系统输出电压进行了稳定控制；7）提出了微源间功率协调策略、功率分配方法和混合储能功率协调方法，提高了微源利用率，实现了系统的优化运行。总之，研究了一种控制简单、谐波含量低、成本低的新型微电网系统，为微电网的组网方式提供了一种新的途径。