模块化级联多电平并网逆变系统功率平衡与电能质量协同控制理论研究

Modular multilevel cascade grid-connected inverters system has advantages of higher efficiency, larger capacity unit, and lower grid-connected harmonic current. Particularly it is suitable for large-scale distributed energy access to high-voltage distribution network. Its power balance and power quality coordination control theory is an important issue needed to be studied. This research will focus on these key scientific problems including the inherent characteristics, power balance, and power quality of modular multilevel cascade grid-connected inverters system. And there are three aspects of science contents to be further researched: 1) the equivalent electrical model of cascade grid-connected inverters system in fundamental and harmonic domain; 2）the power balance control methods of modules and phase-links in the cascade grid-connected inverters system; 3）the cooperative control method of modular multilevel cascade inverters and high-voltage power quality compensator. It is expected to reveal the power output characteristics and harmonic distribution of modular multilevel cascade grid-connected inverters system. Moreover, in the cascade grid-connected inverters system, we plan to obtain the innovative achievements such as power balance control methods of modules and phase-links, and reactive power and harmonic cooperative compensation method between modular multilevel cascade inverters and power quality compensator. The researches will promote the progress of the fundamental theory in large-scale distributed generation, and provide theoretical and practical guidance for large-scale new energy resources injected to distribution network with high power quality and high reliability.

模块化级联多电平并网逆变系统具有发电效率高、单机容量大、并网谐波含量低等优势，特别适合大型分布式能源接入高压配电网，其功率平衡与电能质量协同控制理论是亟需研究的重要课题。本项目围绕模块化级联多电平并网逆变系统内在特性、功率平衡及电能质量等关键科学问题，深入研究三个方面的内容：1)级联并网逆变系统的基波域与谐波域等值电气模型；2）级联并网逆变系统模块间功率平衡和相链节间功率平衡控制方法；3）模块化级联多电平并网器与高压电能质量补偿器协同控制方法。期望揭示级联并网逆变系统的功率输出特性及谐波分布特性，取得级联并网逆变器的模块间功率平衡和相链节间功率平衡控制方法、级联并网逆变器与电能质量补偿器的无功与谐波协同补偿控制方法等创新性成果。本课题将推动大型分布式发电系统基础理论研究的进步，为新能源高电能质量、高可靠性大规模接入配电网提供理论与工程应用指导。

本课题围绕模块化级联多电平并网系统功率平衡和电能质量协同控制问题，深入研究模块化级联多电平并网逆变系统的基波与谐波域等值模型、模块化级联多电平并网逆变系统功率平衡控制、模块化级联多电平并网系统与高压电能质量补偿器协同控制等基础理论问题，并用仿真和实验进行验证与修正。通过本项目研究，1）建立了能反映逆变器等效输出阻抗、非线性特性、功率输出特性以及谐波特性的模块化级联多电平并网系统的基波与谐波域等值电气模型，为大型分布式发电系统（电站型）的内部运行机理与电能质量分析提供理论基础；2）针对非对称条件下的功率振荡问题，提出了一种负序电流和零序电压相结合的新型集群均衡功率控制方法，以重新分配不平衡的有功功率，消除非对称条件下的功率振荡。3）针对基对有限控制集合的电流预测控制存在电流跟踪误差、电流波动大，对控制频率要求高的不足，提出一种适用于级联多电平变换器的改进电流预测控制方法；4）综合考虑负载电流、线路阻抗、电网阻抗和系统频率波动，提出了一种适合大型级联多电平逆变系统的配电网电能质量补偿器拓扑结构，实现无功和谐波进行综合控制，并与级联多电平逆变器组联合发挥互补优势。提出了一种适合于模块化级联多电平逆变系统与电能质量补偿器联合系统的无功和电压控制方法，并合理配置电能质量补偿器容量，实现分布式逆变器组与电能质量补偿器共同参与配电网电压调整。.项目实施过程中，研究成果发表国内外学术论文11篇（均标注项目号），其中SCI/EI论文4篇，授权发明专利5项，申请发明专利4项，获计算机软件著作权5项；培养博士6名、硕士6名、博士后4名，项目研究人员3名入选“博士后创新人才支持计划”。并获2018年度国家科学技术进步奖（创新团队）（项目负责人排名第9）、中国机械工业科学技术一等奖（第二参与人排名第8）。