弱电网情况下LLCL滤波并网逆变器基于LMI理论的直接入网电流鲁棒控制

The grid or micro grid system in remote areas has the grid impedance and voltage uncertainty characteristics which feature as the weak grid. The variation of grid impedance will change the resonant frequency of the system, thus affecting the control of the current injected into the grid. The uncertain grid voltage and the background harmonics will cause distortion of the current injected into the grid, making the grid-connect requirement difficult to be satisfied and even resulting in instability of the system when the situation becomes worse. In this project, LLCL filters with good harmonic restricting performance and robust controller design theory are introduced into the grid-connect inverter. First of all, the method of optimizing LLCL filter is studied to make the filter adapt to the grid impedance change in a certain range. Then the system modeling method under uncertain grid impedance and voltage conditions is analyzed theoretically, and the modeling method of LLCL grid-connect inverters under uncertain parameter and distortion condition will be put forward. LMI (liner matrix inequality) theory, which can be used to analyze the robust control problem of uncertain systems, will be used to develop the design method of state feedback current controllers with strong robustness under weak grid conditions. As a result, the closed loop eigenvalues can be placed regionally, the resonance restricted and system stability ensured. Moreover, a direct grid current robust control strategy is developed to restrict the current harmonics and obtain the unit power factor.

边远地区电网或微电网系统往往具有弱电网特性，即电网阻抗、电网电压的不确定性。电网阻抗变化会改变系统的谐振频率，从而影响并网逆变器入网电流控制，不确定的电网电压波动和谐波会引起入网电流畸变，使其无法满足并网标准，严重时还会导致系统不稳定。本项目并网逆变器采用谐波抑制性能好的LLCL滤波器，首先研究LLCL滤波器参数优化设计方法，使其能在一定范围适应电网阻抗的变化，接着从理论上分析电网阻抗、电压不确定性情况下系统建模的方法，提出弱电网情况下带有参数不确定和干扰不确定的LLCL并网逆变器建模的理论方法，LMI（线性矩阵不等式）理论可以对具有不确定系统的鲁棒控制问题进行优化，研究基于LMI理论的对弱电网具有强鲁棒性的状态反馈电流控制器的设计方法，进行闭环特征值极点区域配置，抑制LLCL的谐振，保证系统稳定，最后提出直接入网电流鲁棒控制算法，以实现弱电网情况下入网电流稳定的谐波抑制和单位功率因数。

随着能源与环境问题日益凸显，寻求清洁、高效的新能源成为当今能源行业的当务之急，而新能源发电是利用新能源最主要的途径。所以，新能源分布式发电技术正在得到广泛关注。而新能源发电中需要将直流电转化为能并网的交流电的环节，这就是并网逆变器。从并网逆变器逆变桥输出的电压往往为脉宽调制的方波，其中包含了除了基波分量之外的高频谐波，需要滤波器滤除谐波。一般来说有L型，LC型以及LCL型滤波器。但是这几种滤波器在抑制开关频次谐波的能力上还很大的不足，在电感的容量上还要求较高。所以LLCL型滤波器被提出，它能显著减少开关次谐波，节省电感的容量。另外，我国的新能源发电站一般建立在偏远的地区，距离用电区域较远，所以线路上的寄生参数会在电网上产生阻抗，该阻抗的值无法确定。当使用LCL或LLCL型逆变器时，电网阻抗将会导致滤波器网侧阻抗的变化，会引发系统不稳定。本项目的研究内容主要针对LLCL型滤波器参数的设计优化。同时，针对弱电网需要建立一套系统的建模方法，使得不确定的电网参数能够反映在模型中。之后需要设计鲁棒控制器，使控制系统在面对参数变化的电网时能够确保逆变器的性能。本项目在经过一系列研究之后提出了一套LLCL型滤波器的参数优化方法，不仅能满足并网电流的谐波指标，还通过设计元件参数简化了系统的控制，减少了逆变器的损耗。在建模方面，本项目建立了能够描述不确定电网阻抗的多面体模型，并用于控制器设计。在控制算法方面，本项目基于LMI理论，提出了设计全状态反馈参数以实现系统鲁棒性和快速性的方法，提高了系统在面对不确定参数的电网时的鲁棒性。并将该基于LMI的电流鲁棒控制方法和重复控制结合起来，显著抑制了并网电流的谐波。本项目还提出了一种使用卡尔曼状态观测器以减少传感器使用数量的方法，在工程上能够降低成本。综上，本项目完成了预期的研究目标，研究成果可用于并网逆变器的设计，提出的方法在对鲁棒性有要求的变换器的建模和控制上有参考作用。具有一定的工程价值和科学意义。