级联三相桥并网逆变器功率解耦控制策略研究.pdf

哈尔滨理工大学能源动力硕士学位论文

级联三相桥并网逆变器功率解耦控制策略研究

摘要

在当今不可再生能源逐渐枯竭的环境下，随着我国新能源发电装机容量不

断升高，现代电力系统呈现出“双高”的特性，导致系统呈现无转动惯量和低阻

尼的问题。虚拟同步发电机（VSG）这一概念的提出，可以有效的解决上述问

题。但是VSG输出的有功功率和无功功率存在着功率耦合，会引起功率稳态偏

差、动态振荡甚至导致系统失稳。本文以二级联三相桥逆变器为研究对象，针

对并网工况下存在的功率解耦问题进行研究。

首先，对功率天然自平衡且更适合三相大功率场合、输出电压更高的级联

三相桥逆变器进行研究，并分析该拓扑结构下的电量关系。针对传统载波移相

调制策略带来的直流电压利用率低、谐波含量高的问题，设计一种直流电压利

用率高、谐波含量低的CPS-TPWM调制策略。基于数学分析，得到三角化率与

直流电压利用率和总谐波含量的函数。通过分析该函数，设计合适的三角化率，

可以有效提高直流电压利用率并降低谐波含量。并通过仿真实验验证CPS-

TPWM调制策略的正确性和合理性。

其次，针对在弱惯量、低阻尼的环境下，传统VSG“准稳态”三阶模型无

法正确描述系统低频主导特征根的问题，本文提出一种电磁动态五阶模型，在

控制参数变化的环境下能够准确描述系统的低频主导特征根。该模型基于一种

时间常数的模型降阶策略，通过保留快速子模型和慢速子模型在时间尺度上重

叠的主导特征根，即影响系统中低频特征根的输电线路动态过程，拓宽降阶模

型的频域，提升降阶模型描述低频特征根的准确性。并通过仿真实验验证本文

所提出电磁动态五阶模型的有效性和适用性。

再次，针对传统VSG自适应虚拟阻抗解耦策略中没有考虑系统动态过程、

解耦不彻底的问题，本文提出一种考虑系统动态过程、解耦彻底的自适应动态

虚拟阻抗解耦策略，可以提高稳态工作点解耦的精度、拓宽解耦策略适用范围。

通过分析动态增益矩阵，论证在弱电网、大功角、高线路阻抗比的环境下，系统

动态过程呈现强耦合的特性。通过自适应动态虚拟阻抗直接补偿消除有功环路

与无功环路之间的耦合量，实现系统功率解耦，解决强耦合引起系统稳定性和

控制性能差的问题。通过仿真实验验证本文所提出自适应动态虚拟阻抗解耦策

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略的可靠性和优势。

最后，搭建基于DSP和FPGA双芯片控制的逆变控制器，在并网的多种工

况下，通过实验验证自适应动态虚拟阻抗解耦策略的准确性和适用性。

关键词虚拟同步发电机；降阶模型；功率耦合；级联三相桥逆变器

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ResearchonPowerDecouplingControlStrategyfor

CascadedThree-PhaseBridgeGrid-Connected

Inverters

Abstract

Inthecurrentenvironmentwherenon-renewableenergyresourcesaregradually

depleting,astheinstalledcapacityofnewenergygenerationinChinacontinuesto

increase,modernpowersystemsexhibitcharacteristicsofdualhigh,leadingto

issuesofnorotationalinertiaandlowdampinginthesystem.Theintroductionofthe

VirtualSynchronousGenerator(