论文总字数：26229字

摘 要

随着传统化石能源的日益枯竭以及环境污染问题的不断加剧，各种新兴可再生能源的开发利用越来越成为人们关注的焦点。这些年来，风力、光伏、燃料电池以及生物质等可再生能源发展迅速。为了减小这些非传统分布式发电单元的接入对电网正常运行状态的影响，并网逆变器作为二者接口的重要节点，其作用与地位是非常显著的。在电力系统中，当可控的电力电子变换器与系统中其他动态的子系统交互作用时，可能会导致系统的局部不稳定。但是，如果变换器的差分输入导纳在一定频率下具有正电导（实部），那么由于电导上能量的损耗，则在该频率下的振荡是衰减的，从而系统在此分布电源接入后是稳定的。

本文推导了电压控制型并网变换器输入导纳的表达式，并由此确定改善系统稳定性的方法。其中首先介绍了有源逆变相关技术及三相电压控制型逆变器的基本工作原理；其次，推导变换器系统输入导纳矩阵中各元素的解析式；再次，运用输入导纳矩阵中元素与系统参数的关系，研究变换器输入导纳无源特性与系统稳定性间的关系，基于此寻求改善导纳无源特性的方法；最后，搭建逆变器在不同联网条件下的模型，分析此时系统的稳定性条件，并对设计的方法以及对应的器件参数进行验证。

关键词：变换器控制 耗散性 并网 振荡 无源 稳定性

Study on the Stability of Grid Connected Inverter Based on the Characteristics of Passive Input Admittance

Abstract

With the global environmental pollution and fossil energy crisis intensifies, various kinds of clean and renewable energy has got more and more attention. Renewable energy, such as wind, photovoltaic, fuel cell and biomass, is developing rapidly these years. In order to reduce the effect of these non-traditional distributed generation units access the normal operation of power grid, the grid connected inverter as an important node in the interface, and its role and position is very significant. A controlled power electronic converter can cause local instabilities when interacting with other dynamic subsystems in a power system. Oscillations at a certain frequency cannot, however, build up if the converter differential input admittance has a positive conductance (real part) at that frequency, since power is then dissipated.

In this paper, the expression of the input admittance of the voltage controlled grid converter is derived, and the method of improving the stability of the system is determined. Which first introduced the active inverter technology and three-phase voltage type inverter is the basic working principle of control; secondly, formula derivation converter system input admittance matrix elements; thirdly, using the relationship between input admittance matrix elements and the parameter of the system. The heat transfer between the input admittance of passive properties and stability of the system is, based on the seek method to improve the passive properties of admittance; finally, build inverter under different network conditions of the model and analysis at the stability conditions of the system, and verify the design method and corresponding device parameter.

Keywords: Converter control, dissipativeness, grid interaction, oscillations, passivity, stability

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 并网逆变器稳定性研究的背景与意义 1

1.2 并网逆变器稳定性的影响因素 2

1.2.1 逆变器自身对其稳定性的影响 2

1.2.2 外部电网对逆变器稳定性的影响 3

1.3 并网逆变器稳定性的研究现状 3

1.3.1 并网逆变器建模 4

1.3.2 内部因素对并网逆变器稳定性影响 4

1.3.3 外部因素对并网逆变器稳定性影响 4

1.4 本课题研究内容 5

第二章 并网逆变器 6

2.1 有源逆变技术 6

2.1.1 逆变产生的条件 6

2.1.2 三相全桥整流电路的有源逆变工作状态 8

2.1.3 逆变失败和最小逆变角 9

2.2 三相电压型并网逆变电路的基本原理 10

2.3 本章小结 14

第三章 系统输入导纳 15

3.1 系统模型 15

3.1.1 变换器及控制器的系统结构 15

3.1.2 变换器系统的稳定性分析方法 16

3.2 控制系统的设计与分析 18

3.2.1 控制器设计的基本原则 18

3.2.2 交流控制环（ACC） 19

3.2.3 直流电压控制环（DVC） 21

3.2.4 交流电压控制环（AVC） 24

3.2.5 锁相环（PLL） 24

3.3 系统输入导纳 26

3.4 本章小结 28

第四章 输入导纳特性 29

4.1 交流控制环 29

4.2 死区时间 29

4.3 非对称系统 30

4.4 直流电压环 31

4.5 同步锁相环 33

4.6 交流电压环 34

4.7 本章小结 35

第五章 逆变器联网与稳定性 36

5.1 并网控制器设计 36

5.2 联网分析 36

5.2.1 完全模型 37

5.2.2 弱电网 38

5.2.3径向连接 39

5.3 本章小结 40

第六章 总结与展望 41

6.1总结 41

6.2展望 41

参考文献 43

致谢 45

第一章 绪论

1.1 并网逆变器稳定性研究的背景与意义

随着传统能源的日益枯竭以及环境污染问题的不断加剧，各种新兴的可再生能源越来越成为人们关注的焦点。由于以风力、光伏以及生物质等清洁的可再生能源为动力的分布式发电系统（DG）能够显著减少大气污染物的排放，同时缓解社会发展对电力需求的压力而得到各国政府的大力支持，从而实现了迅速的发展，与此同时，相关的技术问题就成为了学者们研究的热点。分布式发电系统可分为并网与非并网两种基本结构，其中并网系统在满足自身需求的情况下，将剩余的电功率回馈给电网，实现电能的共享，而非并网系统主要是给本地负载供电，实现电能的自给自足。清洁能源的大规模运用是推动人类社会在新世纪取得更大发展的重要动力，为实现规模运用新能源，必须首先实现新能源由补充能源向替代能源角色的转变，而这其中的关键就是实现分布式发电系统可靠的并网运行。

一个典型的DG系统的结构框图如图1-1所示，该系统分为两级。前一级处理新能源发电装置产生的初级电能，这里的电能一般质量达不到用户的需求，需要进一步的炼电，在光伏发电中，其为DC/DC环节，而在风力发电中，则一般为AC/DC环节；两级中间的储能装置主要是在前一级不能输出稳定的电能时工作，同时也可作为本地的一个备用电源；后一级就是并网逆变器，该部分是DG系统与电网连接的重要环节，也是本文所要分析与研究的对象。

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