单相并网逆变器及反孤岛控制的研究（可编辑）

单相并网逆变器及反孤岛控制的研究（可编辑） ? 叼 语骞 ? 指导教师签名: 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 评阅人: 答辩委员会主席: 周兆经 委员: 周兆经 委员: 钱照明 委员: 医隆道 委员:. 吕焦宝 委员: 睦国挂了文 也不 的复 部分 编学浙江大学硕士学位论文 致谢 时间过的真快,研究生就要毕业了,还清晰的记得当初在父亲的陪伴下来浙江大学报 到时的样子。一晃年,就这么过去了,浙大让我变得成熟,变得大气,变得睿智,浙大 教会了我谋生的手段,让我可以在社会上立足;浙大教会了我做人的道理,让我在前进的 路上能够找到方向。 浙大年,从紫金港到玉泉,校园里的角角落落都有着我的足迹,我对这里的每棵花 草、每棵树木、每个人都充满着感激。 我要谢谢的我的导师吕征宇教授,吕老师学识渊博、治学严谨,对科研工作敏锐的洞 察力和预见性让我受益匪浅;吕老师宅心仁厚,待人以诚,这种处世方式是我毕生学习的 楷模。在课题进程中,吕老师经常主动询问进度,给予帮助,百忙之中抽时间和我一起分 析和解决问题,让我在遇到困难的时候不至于不知所措,我在课题上取得的丁点进步都是 在吕老师精心指导和悉心关怀下才能完成的。 我们实验室是一个温暖有爱的大家庭。实验室里不论是老师还是师兄师姐,师弟师妹, 大家团结和睦,互相帮助,这种祥和的氛围也让我很享受。我们来自五湖四海,能够聚在 一起是很大的缘分,这也是我的一大笔财富,我很珍惜。我要谢谢那些帮助过我的师兄师 姐,那些协助过我的师弟师妹,我会想你们的。 我要特别谢谢我的父亲,母亲。父母的殷切期望一直是我求学生涯的最大动力,一晃 多年,父母早已两鬓斑白,父亲的身躯已经变得瘦削,母亲的双手也早已是斑斑裂痕, 儿子不孝,不能常伴身边,还连累你们担心,谢谢你们,我要好好报答你们。 最后,衷心感谢那些在我困难的时候给过我鼓励,帮助过我的朋友们,你们是我人生 路上的宝贵财富,我会珍惜这份友情,祝福你们一切都好。 我参考了很多国内外的文献,结合自己的成果,完成了这篇论文,由于知识水平有限, 论文完成也很紧迫,其中会存在不少的纰漏,恳请各位老师和读 者指正。 袁江伟 年月于求是园,” ?霉纠错甜‘ ,”?嚣、榭挚一 。‘:’;:。瓷”.‘懈::。弘。憾、二一?‖“毓?;~一’、。砩噼,~:’??。罅。.?、嚣。强。督;二?一::’峨,。‖一“、簪二?口’:“一”护:女’芦々,’《一?艄。蕾 ~ :磐孵九‘%一卅??竺一一一.? 一,一一‘?~?一一 一?~?一。 ?~,、一~一?一一:?一一;一‘~一.?一‘??一,』.?々??一一“~?;?“~,?一~.一 浙江大学硕士学位论文 摘 要 本文为单相并网逆交器及反孤岛控制的研究,并网逆变器是新能源分布式发电的电力 电子接口,并网逆变器的控制是现在研究的热点。本论文简要介绍了新能源发电的背景及 意义, 对并网系统中的几个核心问题进行了分析,本篇论文主要对并网逆变器的三个方 面进行论述,分别阐述如下: 一,介绍了锁相环的结构和原理,分析了一种基于坐标变换的单相并网逆变器同 步锁相策略;着重对变换方法进行了阐述,并分析和解决了其存在的直流分量问题, 对新的锁相策略进行了仿真和实验验证; 二,分析了孤岛效应产生的原因、危害,介绍了常用的孤岛检测策略,并对孤岛检测 算法的有效性进行了思考,利用相角判据,描绘出孤岛检测的盲区图,利用盲区图指导孤 岛检测算法的改进,在算法中引入正反馈; 三, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了并网逆变系统的硬件平台,介绍了功率开关,并网开关的选择,对逆变器 网侧输出滤波器的进行了分析,设计了具有更好高频衰减性能的滤波器。 本篇论文对并网逆变系统的三个核心部分进行了比较详细的介绍和分析,并对系统 进行了仿真和样机验证,仿真和实验的结果也一一列出。最终,论文以研究目标为方向, 通过一系列的改进措施,实现了课题要求。 关键词:分布式发电 并网逆变器滤波器锁相环孤岛检测浙江大学硕士学位论文. . . :. , ,.、, , ., . , , ? , . .. 曲一丘 ? , . . : ,? , ??浙江大学硕士学位论文 目 录 ???????????????? 致谢??。 摘 要第章绪论. .能源危机与对策?。 .并网逆变器研究热点??.. ..并网逆变器的电能质量 ..并霹逆变器的交换效率 .并网逆变器研究现状 。并网逆变器分类 『..国力移发髭彩捞 .本课题研究内容?.. ..铹锕的街佘.. ..掰谚矽街似检刺??.. .论文的主要工作?.. 第章并网逆变器的控制?。 .并网逆变器电流源控制? .并网系统滤波器的设计?. ..并厕逆芟器的历蒯蘑瓣..::..?.?;.... .. 蘑据矽分力胁赞垆?. .电流环控制器设计.. ..詹刀鬯压黼分红??.. .宫苈环拦蒯器%矽赞垆 ...开环传递函数. ... 参数设计一?浙江大学硕士学位论文 .倍频式??.. .本章小结??.. 第章单相软件锁相环??.:.锁相环的基本结构 .锁相环路的相位模型??. .并网逆变器中的锁相环? ..盛:芟撵矽三徊铹徊环 ..基于芟撵乒彰.. ..正交丝粝条彩产生?.刀 .. 榭在的苴苈分量嬲? ..萄皆荔矿猫孵芨勿乞. .单相锁相环的仿真和实验 ..萄彩秀矿乏万的麒 ..销椤黟实验砻果??. .本章小结?. 第章孤岛检测及盲区描述? .孤岛效应及其检测方法?. ..石旅铆房橙铡扔薯? ..考猡豺岛捡别方法?. .孤岛检测盲区描述 ..一移彦区描述办共?. .. 橙删矽亨区描述. .带正反馈的方法?。 . 方法的仿真. .本章小结?. 第章并网系统硬件设计 .并网系统的主电路设计?: 二 .憎:一?,一二一 ?一‘ 一 , 。 , ,。. .、 . 。, ,,。. : .?,, 、, 。一. ,一.,‘ ,。.‘,一‘?,~”。. 一 霞窖嘎鬻;孑??乎阿:%:,“。窖擘尊。鼍、《。:鼍:弘一?~.。;‘七:一哮埒;’巧”譬专乎孽冀“了。。西黛霉”,争?《髫鼍戳 。誓?.一置麓织臻:三氆二赞:~:稍寸搿。..一毋巳。 浙江大学硕士学位论文 工.』力攀鲈耽堂履. .芳阿矛关删择” .并网系统采样驱动电路设计??. .控制系统设计??。 .本章小结. 第章实验结果及分析 第章总结以及展望。 .总结.展望参考文献?. 附录一附录二??. 一一、茹一?~一?一“一一矗二~:。一 ’?。? 鬻委然鬻曩兰璺”雾臻强秘型露霉篡黧皇委麓謦薯爱焦。蒡,鬻章置箬。蔓美。焉:鼍孽二。:孑簟’囊是一写鬟孽露骥翌譬誓氍霉置 警鬟:岔譬?“舞璺焉一雹鬻嘉鬻算曩量嚣鼍謦暮?譬试謦蔓”‘誊曩譬要羔黧曩麓舜》。;凳誊耋爱醮巍曩藏毒要孽;二慧孽嚣 一,。 骶%?鼎一世艘一咖?一一?一一一;“,织一一一?静,一。一黼?“~~。一~?。一一一一一一“肼十一一一?。..盘‘一一?.一一~.~一一一。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 .能源危机与对策 能源是世界文明的支柱,是社会运转的动力,是国民经济发展和人民生活水平提高的 重要物质基础。世界经济的现代化就得益于化石能源等的广泛使用,是建筑在化石能源基 础之上的一种经济。年世界一次能源消费结构中,化石燃料占世界能源消费的% 以上,其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为.%、.%、.%;与年相 比,世界一次能源消费量增加了.%’。因为化石能源是不可再生的,大量的消费必然 会加紧能源危机的到来。使用化石能源还会带来严重的环境问题,燃烧化石能源所排放出 的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生跚。 现在世界范围内的能源短缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的两大严 重问题。以风能、太阳能为代表的新能源和可再生能源是应对能源短缺和环境污染的重要 手段。可再生能源的开发利用将节约和替代大量化石能源,显著减少温室气体和污染物排 放,减轻化石能源开采引起的生态破坏和环境污染?耵. 分布式发电是当前和未来可再生能源发展的主要方向之一。在各种分布式发电系统 中,并网逆变器作为能量传输的通道,是实现可再生能源利用和节能减排的电力电子基础。 图为使用风能、太阳能的分布式发电系统示意图。 图分布式发电系统示意图 太阳能电池板、风力发电机等一起接入直流母线,供给并网逆变器,而并网逆变器 则负责将直流电能变为交流后并入公用电网,当然也可以选择向本地负载供电。太阳能, 风力发电等产生的电能在并入电网前需要使用电力电子技术进行逆变以获得所需要的电 .?一‘.?;,?一 ?”‘?? ??浙江大学硕士学位论文 压和电流。并网逆变器作为各种新能源发电系统和电网的接口在分布式发电系统中发挥着 , 重要作用。 .并网逆变器研究热点 分布式发电是当前和未来可再生能源发展的主要方向。在各种分布式发电系统中,都 需要并网逆变器作为能量传输的通道。并网逆变器的设计需要尽可能提高系统的发电效率 和电能质量。因此,并网逆变器的拓扑结构、调制方式、控制方法以及孤岛检测、电磁兼 容性等技术已经成为工业界和学术界共同面对的重要问题。 从电力电子技术角度来讲,并网逆变器属于/变流器,评价并网逆变器的性能的 两个最重要的指标是电能质量和变换效率。一方面,严格控制并网逆变器输出电流的谐 波含量、功率因数,改善电能质量,才能降低分布式发电系统对公共电网的不利影响,有 利于可再生能源并网规模的扩大.另一方面,尽可能地提高并网逆变器的变换效率是降低 整个分布式发电系统功率损失的重要途径,特别在光伏电池光电转换效率不高的光伏系统 中意义尤其重大。 ..并网逆变器的电能质量 分布式发电系统与电网连接的关键是控制并网逆变器的输出电能质量。并网逆变器是 分布式发电系统的能量通道,承担着电压电流转换,实现与公共电网匹配等功能。并网逆 变器直接连在电网上,运行时的各种扰动都会对电网电能造成影响,同时,电网本身的扰 动也会反馈到并网逆变器中,威胁系统的安全平稳运行。为保障公共电网和分布式发电系 统的安全,有必要针对并网逆变器的输出电能质量制定一系列技术要求和并网标准,对并 网逆变器输出的电压偏差、频率偏差、谐波、功率因数等性能参数做出明确的规定,使并 网逆变器向电网输出的电能质量严格受控,若出现偏离标准的越限状况,分布式并网发电 系统应能检测到这些偏差并进行相应的保护措施’。 目前我国关于并网逆变器电能质量的标准主要有《电能质量 供电电压偏差》/ ,《电能质量公用电网谐波》/ ,《电能质量暂时过电压和 瞬态过电压》/?,《光伏系统并网技术要求》/ ,《光伏 系统电网接口特性》/ 等。下面是标准中关于并网电能质量几个重要技术 指标和要求。 电压:正常运行时,并网点三相电压的允许偏差为额定电压的?%,单相电压的允许偏差为额定电压的%,%。当并网点电压超出表规定的电压范围时,过/欠电压 保护应及时响应,停止向电网送电。 频率:在 标准中,电网额定频率为。对于中国的电 网来说,系统正常工作范围是..,根据功率情况,并网系统频率异常响应时间 不同,如表所示。 谐波和波形畸变:总谐波电流应小于并网逆变器额定并网电流的%,各次谐波电流应 限制在表所列范围之内。 功率因数:当并网逆变器输出大于其额定输出的%时,平均功率因数应不小于 .超前或滞后;当并网逆变器的输出大于其额定输出的%时,平均功率因数应不 小于.超前或滞后。 直流分量。并网逆变器向公共电网输入的直流电流分量不应超过其交流额定值的%。 表并网电压异常响应时间 并网点电压 最大分闸时间 . .秒 %×。%×。 .秒 %×。 ×。 连续运行 %× %× .秒 / 。? .秒 注: 一为并网点的电网额定电压。 最大分闸时间是指异常状态发生到并网逆变器停止向电网送电 的时间。 表.并网电压异常响应时间 分布式系统容量/ 频率范围/ 最大分闸时间/ . . . . . . .. .到可变 . .浙江大学硕士学位论文 表各次谐波电流畸变限值 奇次谐波 畸变限值 .% 次至次 .% 次至次 .% 次至次 .% 次至次 偶次谐波 畸变限值 .% 次至次 .% 次至次 综上,分布式发电系统与电网连接的关键是控制并网逆变器的输出电能质量。系统 并网逆变时网侧电流的稳态和动态性能是表征并网输出电能质量的具体指标,一直以来都 是并网逆变研究的技术重点。 ..并网逆交器的变换效率 变换效率是电力电子装置的重要性能指标之一。并网逆变器的变换效率对提高分布式 发电系统的有效发电量、降低系统的发电成本具有至关重要的影响。一方面由于分布式发 电系统中的并网逆变器多为长期持续发电,变换效率的提高与系 统的有效发电量和发电成 本关系重大,是一个直接关系到经济效益的量。另一方面,不同于传统的电力电子装置多 在额定工作点设计最大变换效率的原则,并网逆变器必须同时提高从轻载到满载范围内的 变换效率,以符合风能、太阳能等可再生能源随外部环境随机变化的特征。 并网逆变器的变换效率与功率器件选型、电路拓扑结构、储能元件设计、控制调制方 式等多种技术有关。单极性倍频控制可以用少的开关次数取得大的谐波抑制;开 关管、二极管等新型器件的应用,可以使并网逆变器获得更高的效率。 .并网逆变器研究现状 ..并网逆交器分类 并网逆变器作为分布式发电系统中新能源电能与电网的接口装置,将电能转换成符合 并网 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的交流电能传输到电网上,在分布式发电系统中起着至关重要的作用,现代逆变 技术为并网发电技术的发展提供了强有力的技术和理论支持。 逆变技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合。世纪年代晶闸 管的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件,逆变技术发展至今,随着电力电子技术、微 电子技术和现代控制理论的进步不断改进,逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、 ’ 高可靠性、智能化的方向发展。 并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率相位完全一致;并网逆变器可 以按照拓扑结构、隔离方式、输出相数、功率等级、功率流向等进行分类’。 .按照拓扑结构分类 包括全桥逆变拓扑、半桥逆变拓扑、多电平逆变拓扑、反激逆变拓扑、正激逆变拓扑 等,其中中小功率并网逆变器多采用全桥、半桥逆变拓扑,高压大功率并网逆变器多采用 多电平逆变拓扑。 .按照隔离方式分类 包括隔离式和非隔离式两类,其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和 高频变压器隔离方式。工频变压器隔离方式由于其体积、重量、成本方面的明显缺陷已很 少采用,近年来采用高频变压器隔离方式的并网逆变器发展较快; 非隔离式并网逆变器效 率高、控制简单,目前已经在欧洲开始推广应用,但是也存在很多的问题,比如可靠性、 共模电流等,这些是因为非隔离所引入的。 .按输出相数分类 可以分为单相和三相并网逆变器两类,中小功率场合一般多采用单相方式,大功率场 合多采用三相并网逆变器。 .按照功率等级进行分类 并网逆变器可分为功率小于的小功率并网逆变器,功率等级的中等 功率并网逆变器和以上的大功率并网逆变器。并网逆变器发展至今,发展最为成熟 的属于中等功率的并网逆变器,目前已经实现商业化批量生产,技术趋于成熟,小功率微 逆变器也即模块集成逆变器和大功率并网逆变器将会是未来逆变器发展的重点。 .按照功率流向进行分类 分为单方向功率流并网逆变器和双方向功率流并网逆变器两类,单向功率流并网逆变 器仅用作并网发电,双向功率流并网逆变器除并网发电外,还能用作整流器,改善电网电 压质量和负载功率因素,是未来的发展方向之一。 纵观并网逆变器的发展历程,高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向臻露罨嚣鳞联臻舞学豪嚣‘骠爱舅爱骘誉鬻霹撼譬鬟冀臻爱葺譬学詈蕾一蠢磐誊?够雾?警蔓?鬟髫蟛冀薯?黉譬露黪雾豫骢露雾叠‘囊雾鬻鬻孽咎臻墨簿雾‘黧孵孽象萋薹篓妻篓置鬻蓦箩鬻孽量努:黪鼋鬻臻。蔓鬻:鬻喾鬻磬 浙江大学硕士学位论文 之一,未来最具发展前景和发展潜力的并网逆变器当属微逆变器模块集成逆变器,因为 其具有突出的发电效率高、模块化生产、系统扩展灵活、易于集成等突出优势。 ..国内外发展现状 近几年,随着西班牙、德国、美国、日本等对本国新能源产业的政策扶持,全球新能 源发电逆变器的销售额逐年递增,新能源发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。欧洲 是全球新能源市场的先驱,具备完善的产业链,并网逆变技术处于世界领先地位。而目前 中国国内新能源并网逆变器市场规模较小,虽然国内生产逆变器的厂商众多,不少国内企 业在逆变器行业已经研究多年,已经具备一定的规模和竞争力。但是从技术方面来看,国 内企业在转换效率、结构工艺,智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距, 目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平,在大功率并网逆变器上,大功率并 网逆变器仍需进一步发展’。 .本课题研究内容 提高并网逆变器的变换效率和电能质量是促进可再生能源分布式发电系统获得快速 发展的技术前提。围绕着这两个研究热点,本文着重分析了单相并网逆变器的控制策略, 倍频调制的实现,锁相同步的实现,以及孤岛检测等。 ..锁相环的概念 在分布式发电系统中,需要实时检测电网电压的频率和相位,用来控制逆变器输出电 流,使其输出电流与电网电压频率和相位保持同步,这便是同步锁相所需要完成的任务。 同步锁相技术是并网系统中的一项关键技术,其控制精度直接影响到并网变换器的技术性 能和运行稳定性。 锁相环是指能够自动跟踪输入信号频率与相位的闭环控制系统。年 提出同步检测理论,他本人也率先发表了对锁相环概念的阐述, 但是直到 年,锁相环才首先被应用在电视接收机水平和垂直扫描中。现在,随着半导体技术 和数字控制的发展,锁相环技术取得了长足的进步旧。 锁相环的基本功能是根据输入参考信号可能含有噪声和干扰,检测并输出输入信 号的频率和同步相位。同步检测需要正确的检测出电网电压的零相位时刻,而不受电网电 压扰动的影响。从同步方式来讲,锁相环有单相同步和三相同步;从原理上讲,有基于波 形过零点比较和基于矢量变换的锁相环;从实现方法上来讲,锁相环可以通过硬件电路或,””。,,. 嬲臻鬻曩謦蓍鬻妻譬尊戛羔曩霹曼曩冀舅篓要露:墨姜窖舞要点静嬲?黧蔓?麓?鞭冀舞冀嬲譬::翟蛾。鬻鼍兽嚣置翟臻:臻黧臻麓誊羲乏豫强秀繁:麓雾髫憋劳鼍冀孽亨鬈强基鬃黧鬈焉:磐零嬲零鬟譬?凳嚣雾麓鬻蘩萼誊 一一一一 一。 一七。“?掣一烨:舞一’,址出:纽二坐监.?::::龇 龇?出?.‰一。,.,。.。一。一一‘‘、.一~~?一一一~一“?一一“一一二~一’~?~ 浙江大学硕士学位论文 者软件来实现。现在常用的锁相方式有拍?: .过零比较方式 过零比较方式将输入电压转化为方波,送环节处理,得到电压的相位信息。这种 方式原理简单,实现起来也很方便。但是一个工频周期内只能检测到电网电压的两个过零 点,每周期只能调整两次,这限制了锁相环的速度;另外当电网电压缺相时,过零比较不 能跟踪电网电压基波,此方式失效。 .变换的锁相方法盯 文献】中给出了一种基于交换的并网逆变器锁相同步方法,如图所示。 三相电网电压经过变换和变换得到两个直流量屹,屹,屹对应系统的有功分 量,口对应系统的无功分量。该方法可以检测任意时刻电网电压的同步相位。由理论分析, %,口中的直流分量对应于电网电压的基波正序分量,交流分量对应于电网电压中的负序 和谐波分量,因此只要设计合适的控制器参数和低通滤波器参数,就可以很好的消除掉直 流分量等的影响,取得良好的锁相效果。 图三相结构框图 由于数字系统在某些方面有着模拟系统无法比拟的优势,目前锁 相环路趋向于全数字 化和软件化。数字化的锁相环路在信号处理过程中不易引入噪声,仅受量化误差和有限字 长效应的影响,信噪比较高;而且,软件实现的数字滤波器,可以通过修改参数灵活的实 现不同功能的滤波,可以改变环路的跟踪特性,为环路的调试带来极大的便利和灵活性。 因此,研究适用于实现的软件锁相环对于并网逆变器来说是很有 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实践意义的 ..孤岛的概念及检测 孤岛是指电网因故障或者维修而停止供电时,分布式发电系统 ,仍处于工作状态,和本地负载形成一个无法控制的自供电网络似。分布浙江大学硕士学位论文 式发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果隅:一 一般工作在电流源模式,因此电网无法控制孤岛的电压和频率,若电压和频 率超出允许范围,会给用户和设备的正常运行带来安全隐患。 孤岛运行时本地线路仍然带电,这会对人身安全造成威胁。 若本地负载的容量大于的容量,处于过载运行状态,易被烧毁。 可见,孤岛效应的存在会对生命和财产带来极大的危害,因此需要能够快速, 准确的检测出孤岛的存在,孤岛的检测是并网逆变器的基本功能 之一。 孤岛检测方法根据技术特点大概可以分为内部无源方法和内部有源方法: .内部无源方法: 无源检测方法是通过监测公共耦合点参数,包括电压的电压幅值、频率、相位、谐波 基波畸变率等,当它们中的一个或是多个超出预设的边界时,就可以确定孤岛的发生,进 而进行相应的动作。各种无源非检测方法最突出的特点是它们只是监测某一参数或者某些 参数,并不改变逆变器的输出电流,对电能质量没有影响随,. 根据选定参数的不同,无源检测方法可以有以下三种方法: 过/欠压和高/低频保护/、/ 过/欠压和高/低频保护是检测公共耦合点的电压幅值和频率,如果超出正常 范围,停止并网逆变器运行的一种检测方法。这种方法成本低,易实现,大多其他的有源 方法都是建立在此基础上的。 电压相位突变检测 电压相位突变检测是通过监测并网逆变器输出电流和点电压之间的相位差来检 测孤岛。这种方法通过检测输出电流和点的电压之间的相位差以 超过门槛值来停止逆 变器并网运行,容易实现,但是因为某些负载如电动机启动时经常引起瞬间的相位突 变,相位门槛值很难确定。 电压谐波检测 电压谐波检测通过监测并网点电压的总谐波失真来检测孤岛状态。孤岛运行时点 的谐波含量通常会增加,通过监测点电压的谐波含量来达到孤岛检测的目的。但是同 样的谐波检测的阈值很难界定。 .内部有源方法: 有源孤岛检测方法通过在逆变器控制里面加入特定的扰动使得公共耦合点的电压在 ..浙江大学硕士学位论文 孤岛的状态下呈现能够被检测出来的异常。常见的有源检测方法有有源频率偏移、 滑模频率偏移和输出功率扰动三种埔’. 方法通过周期性的向并网逆变器输出电流引入一个微小的频率偏移量来实现孤岛 的检测。方法是目前应用最广泛的一种孤岛检测方法,具体的原理会在后面第四章中 进行详细分析。 滑模频率偏移法与方法类似,两者的主要区别是方法引入频率偏移, 而方法引入的是相角偏移。 输出功率扰动法的原理是控制并网逆变器周期性的输出有功功率或无功功率扰动,当 电网断开后,该扰动会使逆变器系统的电压幅值或者频率超出预设的阈值,从而检测出孤 岛的发生。 内部有源检测方法的检测效率比无源方法得到了提高,但同时由于加入了扰动,逆变 器的输出电能质量也在不同程度上受到了影响。 .论文的主要工作 本文以单相全桥并网逆变器为研究对象,采用数字控制的方式,基于控制平台, 对并网逆变器的控制策略和常见的锁相,孤岛检测问题进行理论分析,介绍了一种新型的 锁相策略,对并网发电的孤岛效应进行了分析,并对常见的检测方法的盲区进行了描述。 最后搭建了实验平台,并通过实验验证。论文的主要内容如下: 第一章首先介绍课题的背景和意义,然后介绍了并网逆变器的研究热点及国内外的发 展现状,主要从新能源发展的大背景层面进行介绍;另外对并网 发电系统的两个关键问题: 同步锁相问题和孤岛检测问题进行了简要的叙述,为后面的研究做了前期准备,介绍了本 文的主要任务。 第二章介绍了并网逆变器的模型,分析了并网系统电流源控制的优点,给出了并网逆 变的控制策略,设计了系统控制器;分析了逆变器网侧滤波器的模型,设计了具有更好高 频谐波抑制性能的滤波器,引入阻尼电阻解决滤波器的谐振问题,对电阻的功率 损耗进行分析。 第三章分析了同步锁相环的结构和概念,对并网逆变系统中常用的锁相环路进行了分 析。结合三相系统锁相策略,利用变换,给出了一种新的单相锁相环,分析了该锁相 策略的模型,并设计了锁相环路的控制器;着重分析了基于变换的方法,对新锁相 环中存在的直流分量问题给出了解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,最后给出了仿真和实验结果,验证了新型锁相 .日浙江大学硕士学位论文 环的有效性。 第四章首先简单介绍了孤岛效应的概念和常用的检测方法,分析 了孤岛检测的原理, 揭示了孤岛检测失败的原因,利用相角判据,对孤岛检测的盲区进行了描述,搭建了仿真 模型,给出了仿真结果。 第五章给出了系统的硬件平台设计电路,选择了功率开关和并网开关,介绍了采样和 驱动电路,给出了系统控制板图。 第六章是并网逆变器并网试验波形分析,有半载和满载试验。浙江大学硕士学位论文 第章并网逆变器的控制 .并网逆变器电流源控制 并网逆变器的控制对逆变器的设计非常重要。逆变器的输出电流需要通过控制与电网 电压保持同步,并网控制的内容通常包括滤波器的设计、控制器设计、调制方式、锁相策 略等等。本章主要设计了并网电源的网侧滤波器、控制器,分析了倍频调制的实现, 同步锁相策略后面有专门的章节叙述。 并网逆变器实际上是一个有源逆变系统,与独立正弦波逆变器相比,主要区别是它的 负载是电网。系统将直流电能转化为正弦交流电能,它的控制目标是输出电流的频率、相 位跟踪电网电压。 当前大部分并网逆变器都采用电压源输入的方式,逆变器输出控制可分为电压控制和 电流控制。电网本身可以看作一个容量无穷大的电压源,采用电压控制输出的话相当于两 个电压源并联,要求通过锁相环严格的要求两个电压矢量同步,控制很难,不好实现,因 此一般采用电流源控制模式,控制输出滤波电感电流瞬时值闭环反馈跟踪电网电压,就能 实现单位功率因数并网。 逆变器并网工作处于电流源控制模式时,电网可以被看作一个稳定的容量无穷大的 电压源,逆变器的输出电压由电网来钳制,逆变器等效为一理想的电流源乞。并网系统模 型如图所示伽: 之一广三 ?飞?一一 图逆变器并网控制模型 图中,屯是并网逆变器等效电流源,通过滤波后接入电网,如为滤波后的入网电 流,为本地负载,为本地负载电流,为电网等效内阻。在大电网系统中,电网的阻浙江大学硕士学位论文 抗很小,可以近似为零,同时把负载作为电网负载,可以将负载和电网看作一体,这样子 就可以将并网逆变器的模型进行简化,简化后如图所示。 图逆变器并网控制简化模型 工作在并网运行状态的并网逆变器就相当于一个电流源和一个电压源串联,电流由 逆变器决定,电压由电网钳制。 对于电网来说,并网逆变器作为电流源呈现出高阻抗特性。电网电压的扰动对输出 电流的影响较小,从而改善了输出电流的质量,这也是电流源并网的优势。 单相并网逆变器控制结构简图如图所示,本文采用最简单的并网电流反馈控制, 是一个单环系统。电网电压的采样经过锁相环处理后产生参考正弦波,对应不同的功率输 出乘以不同的倍数七鲫,然后作为并网逆变系统的输出电流参考,与电感电流采样乙进行 比较,经过调节,产生控制开关管,调节输出电流,达到闭环控制,使输出电流 始终跟踪电网电压,达到单位功率因数并网。 ; ................................?....,..........; 控制系统 图单相并网逆变器控制结构简图 .并网系统滤波器的设计 ..并网逆变器的网侧滤波器 因为并网逆变器多采用正弦波脉宽调制下的电流源控制,功率开关器件的 高开通关断频率会产生高次谐波, 注入到电网中,这样就使得并网电流中含有大量的高 浙江大学硕士学位论文 次谐波,会严重危害并网电流的质量,为滤除并网电流中的高次谐波,获得低的并网 电流,需要在电网和变流器之间接上谐波滤波器’孙。 并网逆交器的输出滤波器一般有单电感滤波和滤波两种类型。单电感滤波 器结构简单,但是高频谐波衰减特性不够理想,欲得到满意的滤波效果,需要很大的电感 值,成本过高,且电感体积太大使得系统的动态响应变差,或者需要采用较高的开关频率 以提高谐波频率,进而可采用合适的电感量。 为解决电感滤波器碰到的难题,一般选择滤波器,和单电感滤波器相比,三阶 的滤波器可兼顾通带和阻带性能,是现阶段的研究热点。滤波器 可以选取较小的 电感电容值,滤波器对高频分量呈高阻抗,对高频谐波电流可起到很大的衰减作用, 。 更有利于逆变器在较低开关频率下获得高质量的进网电流’ .. 滤波器的分析和设计 滤波器的结构图如图所示,滤波器的一端接并网逆变器的输出, 另一端接电网,输出电流经滤波后注入电网。。为电网相电压,厶为变流器侧滤波电感, 厶为电网侧滤波电感,为滤波电容,?是逆变器输出电压,之是入网电流,乞是逆变器 侧电感电流,也是用来采样反馈的电流’”。 图? 滤波器拓扑图 由上面的等效电路图,忽略电感,,:的等效电阻,得到: ‘/一巧 也/破乞一易‘ 厶如。 因此输入到输出厶的传递函数为: %。厶%丽两而巧 这是一个三阶滤波器,电感和电容参数的选取将直接影响到滤波器的性能。 滤波浙江大学硕士学位论文 器的设计需要考虑到网侧电流最大允许脉动和逆变器开关频率 以及在滤波器谐振频率处 的阻尼特性要求。 逆变电路主要参数: 输入电压吃 额定输出功率日 电网电压名,频率丘 开关频率。 额定输出电流厶争。/? 本文计划采用单极性倍频调制。 如图?和式?所示,假设某待滤除谐波为矿%,其中%为谐波频率,那 么 在该谐波处的传递函数为: %?眠厶咣,%而磊厕 ? 丽陌 谐波频率%处的幅频关系为: ‰?卜花 如式子.所示,对于基波分量矧格,%,魄? /%厶’ 这相当于直接的电感滤皮’在低频处滤波电容不起作用;对于高 频分量%茕, %,,%?矛之,因此对于高次谐波来讲,滤波器是一个三阶的滤波器,等效为厶,浙江大学硕士学位论文 厶和的并联谐振,高频衰减可,开关频率附近的谐波能被有效抑制。 电感值厶的选取 电感值影响并网系统的电流纹波,也会影响到电流的跟踪速度。在一定的直流母线 电压和交流电压条件下,电感值越大,电流的变化率越小,同时电流跟踪能力减弱,设备 成本也会增加;反之,电感值越小,电流变化率就越大,同时电流跟踪能力也越强。但电 流变化也会愈发剧烈,容易造成系统振荡,工作不稳定。实际应用中,电感值的选取是一 个折中的过程,需要在保证系统稳定的前提下,尽量选择较小的电感值。因此,本文根据 并网电流最大允许纹波条件来决定逆变器侧电感的取值钔。 虬一彘%?如 电容值的选取?: 电容的选取也是一个折中的过程,需要综合考虑中无功功率和电感厶的影响,电容 容量越大,其吸收的无功功率就越多,就会分流更多来自滤波电感厶中的电流,会降低系 统的效率,然而电容容量也不能太小,不然需要增大电感厶才能达到理想的补偿效果,而 且大的厶会引起很大的自身压降。本文中,电容的无功功率被限制在系统功率的%以内, 电容的计算式为: %?卫 实际选择参数的过程中,需要根据情况进行取舍,一般当哆形 且兑名时,可以使在取得好的滤波效果的同时其他方面也有好的性能。 由式子代入数据,得到电感和电容的取值为 厶;.,厶, 根据计算得到的参数,传递函数的图如图所示:浙江大学硕士学位论文 《日鲁霍暑主 一口暑一 .。,?,,,::,?,,?,,。:::::::。二::。。;。;:。:。:。;。:;』?。一.。~量童.二。?。。 嘲?啊,? 图 滤波器波特图 可以看到,系统在频率.的时候有一个谐振峰存在,这个谐振频率为: 厶瓦?嚣 这个谐振频率是滤波器固有的,因为电感和电容的存在会使滤波器发生谐振,在 该频率处,变流器侧的电压谐波信号将被放大到并网电流上,导致该次谐波幅值突然增大, 使逆变器的输出电流发生振荡。为抑制高次谐波,避免输出电流畸变,一般取谐振频率为 基波频率的~倍。 为了降低谐振峰对滤波器性能的危害,我们需要在谐振频率处增加阻尼,在电容之 路上串联电阻是一种很有效的方式。 阻尼电阻厂的选取’司 如图所示,在支路中串联电阻,可以有效地抑制谐振峰带来的危害,按照图 中各个量的关系,可以得到图,利用图便于我们对各个量进行计算分析。下 面分析电阻对滤波器性能的影响。 图加阻尼电阻滤波器拓扑图浙江大学硕士学位论文 图? 滤波器的结构图 由图,所示,忽略电感,的等效电阻,得到: 厶瓴,一心一,.之 也/出乞一之 厶四。嚏一% 因此加阻尼电阻后输入形到输出的传递函数为: ‘? %厶%瓦瓦石百面丽 阻尼电阻,.的存在会对滤波器的性能产生影响,因为谐振电路的 品质因数:』丝 故厂越大,谐振冲击会相应减小,但电阻消耗有功功率,,.不易过 大,一般取阻尼电阻值 为谐振点电容阻抗的%,在本文中取,.,。图如图?所示: : ; :’‘ ‘; .?一一 焉??一一::疆蚕 。~ ~:一:” 一?了,,一?~一‖?;?一.』坐 竖丝上 :; ;: , ,一 ;;,: ::;;:: ??一;一一一一一’一:“:?:.一~?:?,一?;?:~“: ,。 :一 ::, 复。:::二.:二走一了一~:~?~一;~一; 耋.奠????叠誓:‘二蔓 :一 一 卜一:一一?;?一;???’;一;?: .;、、、~:?一,..:一 .?一??。.?:‘警三毒: :’ ‘、?. .一一?。.一,一。~一。一。~一一一一?.~~:.。“、:、、』 :: ;。 : ;?: ‘图加阻尼电阻后的滤波器幅频特性 ;浙江大学硕士学位论文 如图所示,蓝色曲线为无阻尼幅频曲线,绿色为加电阻后的阻尼 曲线,谐振峰 得到了很好的抑制,但同时滤波器的高频衰减性能相应被削弱了 一些。为了补偿引入阻尼 电阻损害的高频衰减性能,我们可以再电容之路并上一个小电容, 如图所示, 图并联电容 求出传递函数为: %:厶%瓦面再瓦瓦面?覆再雨巧‘. 此时滤波器为四阶滤波器,取,图如图?如所示 :‘。::一聂: 。一?~: 一;~一一一:一,?~;一一::一,一~:一? 要~~二:~。;;?一’:;,?:;::一 耋.瑚一?奠孓支二.奠?蔓 :.:一一~。一‘。~一~.羚。.一‘』:~;一?。~~:。 ’ :;’ ’::,; ’\二、:.、、’ :’一一~ 一一;一:一~,一;一~:~;~:~‘,?、、三乏:;, :,?.一;一;~;一一一一:二二~:二、:?;专::??,;兰 :;。: :;;一:。 ;:一 \之、; .??一?:二。二。上“:~? 』?一上?二?一...三?.上.:三??一.二?土三叼副? 图阻尼电阻,并电容滤波器幅频特性 红色曲线为并联电容后的幅频特性曲线,可见高频衰减性能较并电容前有好转,且 谐振峰也得到了很好的抑制,同时谐振频率点也发生了偏移。并联电容,后,滤波器变 为四阶滤波器,对控制系统的要求更加苛刻。 虽然串阻尼电阻方法抑制谐振很有效,但会带来能量损耗,降低系统效率,我们需 要对电阻上的功率损耗进行分析。浙江大学硕士学位论文 阻尼电阻的功率损耗司 对于图示的滤波器示意,我们假设电网侧为不含谐波的纯正弦,那么我们分析 谐波的时候就可以将电网视为短路。对于来自逆变器的高频谐波,网侧电感厶呈现高阻抗, 而电容为高频谐波提供了低阻通路,网侧电流和逆变器侧电流司关系为: 高将乞 其中国矾?乃,为谐波次数, 因此阻尼电阻上的损耗为, ? ‰?【一之汗,. 从式子?可以看出,阻尼电阻上面的功率损耗在一定范围内会随着电阻的增 大而增加,因此,,.的选择也是一个折中的过程。 .电流环控制器设计 ..电网电压前馈分析 并网系统电流环结构如图所示 ’,是经过锁相环产生的参考电流,是实 际并网电流,嘞是电流的控制环节,鬈是全桥逆变环节,忽略开关管死区时间 等非线性影响,桥式逆变环节可以等效为一个比例环节,脱是滤波器环节,是 电网电压前馈环节,日是输出电流反馈环节,在参数设计时为了简便分析可以认为 日。 图 电流控制框图浙江大学硕士学位论文 为了分析电网电压前馈对输出电流的影响,图?中,电流和电网电压的关系为 帆一圪 并网系统直接和电网相连,电网可以被看作一个扰动源,对系统运行性能和稳定性有 很大的影响,电网电压对输出电流的影响为: 。护企‘“、 其中为系统不加前馈时的开环传递函数,可见电网电压对输出电流存在一个扰动 关系,下面我们加入电网电压前馈环节.此时电网电压对输出电流的传递函数为: 啪型铲喇 其中%为系统加入前馈后的开环传递函数。 一 上式札,令 一‰ ? , 则 小净 因此,只要合理设计电网电压的前馈环节,可以使电网电压对输出电流的影响为, 理论上可以达到对输出电流全部偿的效果;从图可以看到,电流调节的输入是由前 馈环节和控制器共同生成的,网压前馈如果能够成功的消除掉电网电压对输出电流的影 响,同时也可以大大的减小电流指令信号,这样就减轻了电流控制器的负担,可以更快速 有效地完成对电流的控制。 ..电流环控制器%的设计 ...开环传递函数 采用电网电压前馈后,网压扰动得到补偿,电流控制可以简化为不含电网电压扰动的 环节,如图所示。浙江大学硕士学位论文 图?采用电网电压前馈后的电流控制框图 选取滤波电感电流作为反馈量与参考电流做比较,结果经过环节的调理用来 调整功率开关的占空比,使得输出电流跟踪参考电流。 图中一为逆交器环节,逆变器在理想状态下可以看作为一个比例环节, ? %琶 吃为系统内部锯齿调制波的幅值,可取为。 在本文中,直流母线电压为吃,因此取~。尸,为整个系统的控制 器, 对并网系统性能起到至关重要的影响。 补偿前电流环的开环传递函数为: ‰% 由前面计算得到, %币万可再可石可再丽 上式中, ,,,欧,计算得到开环图见图 :一一? ;;一?; 曼 ::、\。二 \ 一 ::;;:; ;;;:::; 喜 :;、:’\;‘:;;;: . 耋..?膏叠蔓羹塞豢耋 。~~一。:;一::三?一二一‘:二?.三』 一二.:二?、?、:一:一叫 耄 星 一?一. 一是::;~?:。?:盥。量?。?‘;。.:。 ?一::::?:。??若‘“ / 图?补偿前电流环开环传递函数波特图 卜浙江大学硕士学位论文 ... 参数设计 本文采用滤波器,是一个三阶系统,滤波器的转折频率为: 去??厶%厶.,也就是滤波器的谐振频率。 ? 控制器的传递函数为:嘞%% 在设计控制器的参数时,把控制器的零点设置在滤波器的转折频 率处卜枷,这 样有: . 正‰ 接下来确定补偿后的穿越频率五,选取穿越频率为转折频率的/ 引。 , 即以亩正 补偿后的传递函数为: 。阱%%%冬‰% 由于在穿越频率处,回路增益为,再结合式子得蛰, ‰叫。 ?。? 四‰%叱? 代入数据,代入数据就可以得到系统的环参数。 %. 忍. 补偿前后的图如图所示。 浙江大学硕士学位论文 一????~?一,,一一’。;:????。. 一 。‘吲:.? 一。??补偿前 。 : ::? ’;:;: 一: :??一 补偿后一 ?一一;叫;叶一?一卜:一:;~;“:,’卜 ~;一~:?’????柙???叩?一 :::‘: 。?。 星 ‘:’‘’、:~、二 耋.?一二:一』,二?二?一一‘立。’二‘乏一’??、?; 茎.。蕊警溱蕊篓 :: ‘: :;?: :;“ ,。一一一一:二一三一:三,一毫一暑’一一~?:?:一一;;,:? ? 。, / ;。 :‘ . .。 ?一 二:一::一: :一:一:’二;. 一;一‘;: % ~,?:二‘:‘;‘??,箱 ::一;;:::‘ ::“;: 芷 \,::‖’: 擘葛薹?二??誊;篡 九站: ???????~ 一? :二二女:二:??:??.一屯。;』?一 ’’ / 图?电流环开环波特图 图中,蓝色曲线为补偿前的系统波特图,绿色曲线为补偿后的系 统波特图,可 以看出,补偿确实增大了系统的稳定裕量。 将运算得到的参数离 散化就可以应用 到数字系统中。 .倍频式 在普通的逆变电路中,器件开关频率与输出电压载波频率相等。倍频式是 指输出电压的载波频率是逆变桥功率器件开关频率的倍。倍频技术通过合理安排逆变器 的控制脉冲时序就可以达到倍频的效果,可以缓和谐波抑制与效率提高之间的矛盾,具有 很大的实用价值。倍频控制方式如图所剥州。 图?中有两个载波信号。。和“。:,并且二者满足关系:。。。。两个载波信号 分别与正弦调制波相交,每个载波信号分别与正弦波的交点形成相位互补的脉冲序列,用 以控制开关管,便是倍频式的控制。图逆变电路倍频控制方式 在控制系统中,载波信号锯齿波由定时器产生,定时器周期就是载波周期, 而调制波则是环的输出结果射。倍频调制的实现见图。 一.、\\ × 。, 一 .?雌 广?西? 图倍频调制的实现示意图 凭借里的事件管理模块中的全比较单元可以实现倍频调制。图中红 线为比较寄存器的输出,也是电流环计算的结果,每个开关周期 都将与计数器的值进行比较,当数值匹配的时候,信号发生反转,的值可以 看作与两个调制波比较,这样子得到两对相位互补的脉冲,占空比分别为,。因为 运行时某一时刻用来作比较的计数器的值是一定的,图中的比较过程其实也可 以看作是同一时刻和与计数器进行比较,如果匹配,则信 号发生反转。通过对应的口高有效、低有效的设置就可以得到需要的倍频调制 波形。’ 一. “ 一一 一 “ ??, , ?,: : ,? ,。, ,。,.;. .’;一 ’。’一,一““?“ :,:: 、?一 , ,.. 一, 一 、~, ?镰?~’ :,。?蝇?”一舟一’?”。’茄.一。一?:’灌群,.。’’。一’?四 一 ~一?一,?。一一 .一一《一?‰』~一、“~一“、一一一一一一 浙江大学硕士学位论文 ?????????????????????????????一一 .本章小结 本章节分析了并网逆变器电流源控制的模型,给出了系统的控制框图,分析了电网电 压前馈对输出电流的影响,设计了系统的控制器参数,对整个系统的稳定运行有非常重要 的意义;分析了滤波器的模型,分析了它存在的谐振峰问题,通过加入阻尼电阻可以 有效地抑制谐振峰,并且对阻尼电阻带来的功率损耗问题进行了分析;另外,进行了 技术的优化,分析了倍频式技术的原理,并且在中实现。 ..淅江大学硕士学位论文 第章单相软件锁相环 电网电压的相角,频率对于并网逆变器来说是最基本的信息。精确快速的跟踪电网电 压是并网控制系统稳定运行的保障。通常,要想获得电网电压的相位角,需要先产生一个 与电网电压同步的信号,再通过同步信号获得相位角。产生同步信号最简单的方法就是用 电网电压作为同步信号,但这种方法会因电网电压的失真或者畸变导致系统输出电流的畸 变,严重的会威胁到系统的稳定性。因此,需要用锁相环来获得电网电压的相位 角. 锁相环是指能够自动跟踪输入信号频率与相位的闭环控制系统。锁相环的基本 任务是需要正确快速的检测出电网电压信号可能含有噪声信号的零相位时刻并跟踪电 网电压的基波正序频率和相位。锁相同步电路的性能优劣将直接关系到并网逆变器的技术 性能和运行稳定性。 .锁相环的基本结构 是一个相位负反馈控制系统,它能使输出相位和参考相位之间的相差减小到最 小。锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成,典型的结构如图所 示。实际应用中的锁相环路可能有多种形式,但它们都是由这个基本环路演变而来的。 . 。 图锁相环路的基本组成 其基本工作原理是鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差转换成电压 信号,电压信号经过环路滤波器滤波后去控制压控振荡器,压控振荡器的输出改变系统内 部同步信号的频率和相位,形成负反馈,最终使得内部同步信号跟踪外部电网电压,达到 锁相的目的。 各部分的具体功能如下: 鉴相器浙江大学硕士学位论文 鉴相器是一个相位比较环节,用来检测外部输入信号相位研与反馈信号相位岛的 相位差包,并且将相位差信号转换为电压信号。鉴相器的输出和相位差包