本文是一篇电力论文，本课题选择TNPC变换器为应用拓扑，研究了一种快速SHEPWM策略并注入三次谐波解决中性点电压波动，最后选择虚拟同步发电机控制提高电网的稳定性。
1绪论
1.1课题研究背景
随着化石能源的使用量不断上升，世界各国早已开始关注环境污染问题，也愈发意识到能源结构改革的必要性与紧迫性。大力开发新能源代替传统化石能源，既满足经济发展对能源的需求[1]，又解决了环境污染问题。在“30 60”大背景下，清洁能源被大力应用在交通运输业，建筑制造业等多领域[2]。同时，大量新能源发电设施并入电网减小电网的阻抗，在负载功率变化时会导致电网电压和频率随之波动[3]，这会严重威胁到电网的安全稳定运行。在电力系统输配电的过程中，非线性负载的投入、功率器件的通断以及基波电流受磁场干扰而畸变，都会产生谐波。谐波直接影响电能质量，尤其弱电网背景下更会对系统传输效率和稳定性造成严重影响。因此，如何实现弱电网的稳定运行已经成为时下热点问题[4]。
弱电网系统不稳定会造成输出电压波形畸变严重，系统输出效率低下的状况。应用特定谐波消去策略和提升输出波形电平数能够有效解决输出电压畸变严重的问题。在开关频率较低的情况下，受限于电平数目，两电平变换器系统输出信号中谐波占比较高，影响输出波形的正弦度，致使输出电压发生畸变增加了滤波器的体积和系统成本，也导致系统转换效率比较低下。反观多电平变换器，增加了输出的电平数目，在同样滤波参数下能够输出正弦度更高的波形，提高了波形质量和系统转换效率[5]。特定谐波消去策略是一种以谐波优化为目的的调制方法，它通过准确计算出各开关的通断时刻来生成输出相电压波形，是一种有效解决低次谐波的调制策略[6]。
1.2国内外研究现状
1.2.1三电平变换器的研究现状
三电平变换器按照结构可包括：二极管箝位（Netural Point Clamped，NPC）型拓扑及其改进的T型NPC拓扑，飞跨电容（Flying Capacitor，FC）型拓扑和H桥级联（CascadedH-bridge，CHB）型拓扑三类。
(1)三电平NPC型变换器：二极管箝位型NPC[9]变换器的拓扑结构如图1-2所示，T型三电平NPC是对前者进行改进，其拓扑结构如图1-3所示。二者相比之下，在中低压领域T型NPC拓扑能够提高逆变效率并减少损耗，是一种高效率、高经济性、高发展潜力的拓扑结构。
T型三电平NPC变换器在中低压、大功率设备领域中可以使用高开关频率[10]的开关器件。但是随着电平数的增加，庞大的硬件系统增加了成本也对控制器的精确度提出更高要求。假定完全理想的状态下，直流母线电压会被均分，但是现实的电路条件有一定偏差加上传统调制策略的固有缺陷，直流侧中点电位的波动造成了开关应力不均衡，输出电压畸变导致系统不稳定运行。
三电平NPC型变换器相比FC型变换器省去了稳压电容，但电平数量较高的系统体积会很庞大，同时控制器要解决多电容的稳压问题显得更繁琐[12]，所以FC型并不广泛应用于工业领域中。而H桥级联型变换器优势在于高集成度和高模块化程度，方便装卸和更换。但其直流侧需要额外设立隔离电源，这不但增加了系统的总体积也导致各级联单元间新的功率分配问题的出现[13]。
2基于状态方程的SHEPWM调制策略
2.1 SHEPWM调制策略的数学模型
分析SHEPWM调制策略的实现过程，该策略实际是对含有开关角度的非线性超越方程组进行求解。利用计算出的开关角度作为功率开关器件的通断时刻，以此来消除对应的低频次谐波。目前智能算法在求解SHEPWM方程组中具有一定优势，但是直接嵌入遗传、模拟退火等智能算法进行求解会陷入“精度死区”，并导致过程计算量大。本章以待求解开关角度之间的递增关系为基础结合状态方程矩阵，将智能算法随机产生的初始变量嵌入至开关角度的求解方程组，建立一种基于状态方程矩阵的SHEPWM调制策略，提升了调制策略本身的准确性与快速性。
T型三电平NPC变换器输出端交流相电压如图2-1所示，可采用1/4周期对称的傅里叶分析方法实现SHEPWM调制策略。
为了简化传统数学方法在求解初值过程中的复杂计算，可将智能算法引入SHEPWM方程组的求解过程。目前，模拟退火算法(Simulate Anneal，SA)和传统遗传算法(GeneticAlgorithm,，GA)在求解SHEPWM方程组中使用较为广泛[59-60]，但这两种智能算法都存在容易受到参数影响，收敛时间和搜索能力较弱的问题[61]。
以传统GA为例，虽然其算法搜索覆盖面大，利于全局择优。但传统GA交叉、变异概率是不变的，导致在某一代种群个体适应度相接近时会出现局部最优的情况，这使得传统GA在求解SHEPWM方程组时计算准确率低下，收敛结果不够精确。针对传统GA的弊端，本文根据每代种群适应度的集中程度改变交叉和变异概率，使用自适应遗传算法(AdaptiveGenetic Algorithm,AGA)来避免算法收敛速度过慢，陷入局部最优的问题。
2.2基于状态方程的快速SHEPWM策略
2.2.1基于状态方程的快速SHEPWM策略数学模型
利用SHEPWM策略的过程中，非线性超越方程组的求解过程十分复杂。将其应用于全调制度下的三电平拓扑变换器中，求解过程会更加复杂。三电平输出相电压的矩形波中上升、下降沿交替出现，可由式(2-2)中余弦函数的系数正负交错体现。在式(2-2)中，bn是开关角度α的余弦函数且α1至αN呈递增的趋势（多角度约束关系），应用智能算法对开关角度进行求解很难满足多角度约束关系。因此，本文基于三电平变换器提出了一种基于状态方程的快速SHEPWM策略。同时，对所提出的求解策略进行赋值方式的改进，提升了算法求解的精确度和速度。
本文利用开关角度间的递增关系并结合状态方程，将智能算法随机生成的初始变量βi作为每时刻加入的扰动量，所求开关角度αi作为每时刻下的状态变量，建立如式(2-12)的状态方程组。这组呈递增趋势的状态方程组符合角度间约束条件，能够解决寻优结果无序性的问题。将式(2-2)中多判断条件简化为单一约束条件，提高了算法的准确度。
在T型三电平NPC变换器中，通常为了均分直流侧母线电压，需在直流侧串联两个相同的电容，但受限于实际寄生参数的不同，还需通过附加方法使其达到直流母线电压均分的效果。目前，可通过变换硬件配置和更改软件算法来解决[62]。变换硬件配置法主要包括直流电源法、改进拓扑法和附加硬件电路法等。其中，直流电源法利用直流电流源分压电容消除中点电位波动，降低了控制系统的复杂度；改进拓扑法能够解决电压波动的问题，但改进后的拓扑可能会出现额外系统损耗的问题；附加电路法是可以通过附加电路实现两个电容之间的能量平衡，减小电压偏差，但会增加变换器自身的成本。
3基于中点电位平衡策略的SHEPWM三电平NPC变换器.........................23
3.1 T型三电平NPC变换器的中点电位平衡策略.......................23
3.1.1 T型三电平NPC变换器的开关函数模型.................23
3.1.2开关函数模型.....................24
4弱电网背景下基于SHEPWM的三电平NPC控制策略......................42
4.1基于虚拟同步发电机的NPC变换器控制策略.....................42
4.2基于SHEPWM的VSG控制策略.....................45
5结论与展望.....................52
5.1结论.......................52
5.2展望...........................52
4弱电网背景下基于SHEPWM的三电平NPC控制策略
4.1基于虚拟同步发电机的NPC变换器控制策略
图4-1是传统同步发电机组结构图，包括励磁部分、自动调压控制系统部分及原动机部分。同步发电机组中存在储能飞轮结构，转动时能提供很大的转动惯量，也具备高输出阻抗的特性。在并网过程中，可以通过自行调节旋转速度来维持功率的平衡，实现稳定运行。因此，传统同步发电机的外特性是支撑电网平稳工作的重要保障。
传统同步发电机组实现机械能到电能的转化过程，是利用蒸汽流推动原动机旋转从而将将蒸汽热能转换成机械能，再经过同轴旋转带动同步发电机做切割磁感线运动，最终实现机械能到电能的转换。当电网受到干扰或者负载侧功率变化时，电网因冲击而出现波动，这时传统同步发电机组相当于一个外接电压源，它利用定、转子间的耦合效应感知功率变化过程。然后它减小电机的旋转速度，把自身的动能转化为电能向电网注入，对其进行支撑。由于同步电机组中定、转子机械结构巨大且笨重，速度变换缓慢且具有很大转动惯量，整个能量转换过程变化缓慢，对电网进行功率支撑过程也很平稳，能够保证电网的频率波动范围小，变化平缓。
5结论与展望
5.1结论
随着新能源政策的大力推广，电网呈现出阻抗减弱的特性。针对弱电网系统容易受负载变化而波动的问题，如何实现弱电网的稳定运行已经成为时下热点问题。本课题选择TNPC变换器为应用拓扑，研究了一种快速SHEPWM策略并注入三次谐波解决中性点电压波动，最后选择虚拟同步发电机控制提高电网的稳定性。主要得出以下结论：
(1)利用智能算法随机产生的初始变量作为扰动量构建出求解开关角度的状态方程，搭建一种基于状态方程实现SHEPWM策略的数学模型，解决了寻优结果的无序型。依据调制度和开关角度间的联系引入三角函数和圆方程进一步改进了数学模型，提升智能算法的求解速度和计算精度。
(2)针对NPC变换器控制系统中点电位波动，利用谐波注入的方式来解决中点电位波
