【文章內(nèi)容簡介】 可以向電網(wǎng)提供電能，同時也可以當(dāng)電網(wǎng) 電能富足時，從公用電網(wǎng)吸收電能，并將其存儲起來。因此各種拓?fù)淇梢苑謩e使用在不同的場合，并且這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以相互組合成各種不同的形式，以滿足各種要求。 在控制方法上，隨著各種高速的數(shù)字信號處理器 (DSP)的出現(xiàn)，將先進(jìn)的數(shù)字控制應(yīng)用到并網(wǎng)逆變器的控制中的研究越來越多。如 PI 控制、滑?？刂?、模糊控制等等 。在采用模擬控制時有電壓控制、峰 /谷值電流型控制、平均值電流控制、單周控制等等。針對各種控制的缺點(diǎn)，將模擬控制和數(shù)字控制相結(jié)合，以到達(dá)理想的控制效果也是目前研究的熱點(diǎn)。在調(diào)制方式上，有 PWM、 SPWM、 SVPWM 等先進(jìn)的調(diào)制方式 [8]。 微電網(wǎng)的孤島檢測研究 三相逆變器接口建模 5 課題研究的主要內(nèi)容與意義 隨著人類對新能源的需求不斷的增加，而利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)就是如何將新能源轉(zhuǎn)化成的電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此并網(wǎng)逆變器的研究也成為合理利用新能源的課題中的重中之重。目前，可靠、高效和廉價(jià)的并網(wǎng)逆變器己成為生活中的迫切需要。因此針對家庭中所使用的小型發(fā)電系統(tǒng)和大的局部電網(wǎng)饋能系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的都需要進(jìn)行深入的研究。本課題針對并網(wǎng)逆變器的一些具體要求，在仿真和實(shí)驗(yàn)上取得了一定的研究成果。 第二章 并網(wǎng)逆變器的防孤島技術(shù) 防孤島效應(yīng)是并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)研 究技術(shù)。在并網(wǎng)工作過程中，當(dāng)出現(xiàn)孤島狀態(tài)時，可能威脅到設(shè)備和人身安全，因此控制器必須快速、準(zhǔn)確地判斷到孤島狀態(tài)，使逆變器退出這種運(yùn)行狀態(tài)。其具體的實(shí)現(xiàn)需要從軟件和硬件上共同配合來判斷孤島現(xiàn)象。目前，有很多的文獻(xiàn)討論研究各種防孤島的方法，有無源、有源、通信等眾多方法需要根據(jù)實(shí)際需要、并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、可靠性等各種因素選擇合適的方法 [5]。 孤島效應(yīng)的概念 在逆變器并網(wǎng)工作過程中，當(dāng)市電輸入被人為斷開或出現(xiàn)故障而停止供電時，逆變器仍持續(xù)向電網(wǎng)供電，使得當(dāng)?shù)刎?fù)載的供電電源處于正常的電壓和頻率，這時的工作狀態(tài)稱為 “孤 島 ”(ISlanding)狀態(tài)，又叫孤島效應(yīng)。 圖 逆變器并網(wǎng)工作示意圖 6 如圖 所示的是逆變器并網(wǎng)工作時出現(xiàn)孤島狀態(tài)的示意圖，當(dāng)逆變器并網(wǎng)工作時，因?yàn)楦鞣N原因?qū)е率须姴荒芙o局部電網(wǎng)負(fù)載供電，即示意為圖中 S2 斷開，此時如果沒有任何孤島判斷技術(shù)，逆變器會持續(xù)給逆變器負(fù)載和局部電網(wǎng)負(fù)載供電，其原因在后面作分析。出現(xiàn)這種狀態(tài)的外界原因很多，一般有下面這些可能性 : 1 當(dāng)電網(wǎng)保護(hù)裝置檢測到一個故障后，切斷局部電網(wǎng)的輸入開關(guān) 。 2 由于設(shè)備意外跳閘，斷開了正常的市電輸入 。 3 欲切斷電網(wǎng) 和并網(wǎng)逆變器供電系統(tǒng) 。 4 人為有意或無意的操作。 孤島效應(yīng)可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)和孤島效應(yīng)出現(xiàn)的原因 當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)時，如果沒有及時判斷并防止其出現(xiàn)，可能會導(dǎo)致下面的很多的危險(xiǎn)發(fā)生。 1 失去電網(wǎng)的平衡控制作用，逆變器一旦出現(xiàn)電壓、頻率不正常，損壞設(shè)備 。 2 當(dāng)用戶認(rèn)為電網(wǎng)已經(jīng)斷開，但電網(wǎng)仍然帶電，給維修人員或使用帶來危險(xiǎn) 。 3 市電突然恢復(fù)，由于相位錯開而引起大的沖擊電流，損壞發(fā)電裝置和設(shè)備 。 4 當(dāng)人為或自動的需要市電重新切入時，由于電流沖擊引起故障。所以，作為一個可靠、安全的并網(wǎng)逆變裝置，必須有防孤島技術(shù)來保證 及時檢測出孤島效應(yīng)而減少或避免可能引起的危險(xiǎn)。 圖 孤島檢測的測試電路圖 圖 所示為孤島檢測的測試電路圖，逆變器的輸出濾波器包括在逆變器的框圖中，在逆變器和電網(wǎng)中間是防孤島檢測負(fù)載。它由 RLC 諧振電路模擬電網(wǎng)的負(fù)載作為測試，用于檢測并網(wǎng)逆變裝置的防孤島可靠性，該電路由 Hbaernli 提出，并在 EIEE 標(biāo)準(zhǔn) 929 一 2021 中給出規(guī)定，上圖為簡化的結(jié)構(gòu)。所有的并網(wǎng)逆變器裝置都有輸出電壓過 /欠壓或頻率過高 /過低的判斷，微電網(wǎng)的孤島檢測研究 三相逆變器接口建模 7 當(dāng)檢測出這種情況的任何一種發(fā)生時，逆變器內(nèi)部保護(hù)發(fā)生作用，停止向外供電。但是在下 面的情況下仍然會出現(xiàn)孤島效應(yīng)，利用圖 .42 的測試電路分析孤島效應(yīng)出現(xiàn)的電路原因。 假設(shè)逆變器并網(wǎng)工作時，電網(wǎng)突然斷電，相當(dāng)于開關(guān) S 處斷開。而逆變器在此狀態(tài)之前和之后輸出的有功與無功基本上保持不變，同時可以檢測到并網(wǎng)公共點(diǎn)的頻率和電壓作為市電頻率、電壓。下面分析其工作狀態(tài) : a)并網(wǎng)工作 并網(wǎng)工作時可以根據(jù)功率平衡得到下面兩式， PPRUg ???2 (21) UCL grgrg??????????? ? 21 ?? (22) b)電網(wǎng)斷開工作 因?yàn)槟撤N原因，開關(guān)可以得到下列式子 : PRUi ?2 (23) QUCL iriri ????????? ? 21 ?? (24) 所以 由 (21)(23)得 221igUUPP ??? (25) 由 (22)( 24)得 2222ggiicciggiUUQUU????????? (26) 其中 2grgc UCQ ?? ，是諧振電路上電容 rC 的無功。 由 (25)( 26)得 8 1122 ?????????? ?????giCgigi PP ?????? (27) 所以，式 (25)和式 (27)表示了市電斷開前后，公共點(diǎn)的電壓、頻率和功率 P、Q 的關(guān)系。如果逆變器輸出的有功功率 P、無功功率 Q 和局部電網(wǎng)的負(fù)載不匹 配，即 ΔP和 ΔQ 不等于零，則在市電 斷開前后，電壓和頻率會有變化，如果檢測出該變化則可以判斷出孤島而防止孤島出現(xiàn)。 如果 ΔP=0， ΔQ=0，由式 (25)得到 ig UU ? 。 代入式 (27)得到， 0111 ??????????? ????????? ????????? ?gicgi ???? (28)，即 。 所以，如果 ΔP和 ΔQ 在市電正常和掉電之后都接近零，即原來電網(wǎng)局部負(fù)載的功率和并網(wǎng)時逆變器輸出的功率接近，則公共點(diǎn)的電壓、頻率沒有大的變化，這也是電路上出現(xiàn)孤島狀態(tài)的原因。 圖 逆變器孤 島判斷的檢測盲區(qū) 圖 所示的即為逆變器在判斷孤島時由于 ΔP和 ΔQ而引起的一個電壓和頻率檢測范圍的盲區(qū)。所以，僅僅通過簡單的電壓、頻率突變和電壓過/欠壓或頻率過高 /過低是來判斷孤島狀態(tài)是有很大的局限性的，需要增加一些孤島檢測的方法來優(yōu)化系統(tǒng)。 上述各式中使用符號分別對應(yīng)如下 : gU :市電電壓 。 iU :逆變器輸出電壓 。 g? :市電電壓波形的角頻率 。 i? :逆變輸出電壓波形的角頻率 。 微電網(wǎng)的孤島檢測研究 三相逆變器接口建模 9 P:逆變器輸出的有功功率 。 Q:逆變器輸出的無功功率 。 ΔP:輸入到電網(wǎng)的有功功率 。 ΔQ:輸入到電網(wǎng)的無功功率。 檢測孤島的方法 逆變器內(nèi)部無源法 電壓過高 /過低和頻率過高 /過低判斷法困 Vo/V， UF/OF) 電壓、相位突變判斷法 (PJD) 電壓諧波和電流諧波檢測法 (DVH， DCH) 逆變器內(nèi)部無源法是指逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)完全利用電路正常工作的電壓、電流等各種電氣狀態(tài)和指標(biāo)用于判斷孤島的方法。上述三種方法都是利用逆變器從并網(wǎng)到市電掉電時，由于負(fù)載有大的 變化而引起逆變輸出電壓的幅度或頻率突然變化，或是由于局部電網(wǎng)負(fù)載引起的電壓電流諧波大幅度增加，從而通過上面的方法可以防止孤島出現(xiàn)。但是在前面的電路原因分析中提到，這類方法的檢測很有限。所以一般在無源法的基礎(chǔ)上增加內(nèi)部有源法進(jìn)行判斷 [9]。 逆變器內(nèi)部有源法 逆變器內(nèi)部有源法是通過在逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的控制中人為的加入一些電壓、頻率的擾動或偏移，用于增加孤島的判斷可靠性，盡可能的減小孤島判斷的盲區(qū)范圍，但是加入的這些有源方法會在一定程度上使輸出的電壓或電流波形出現(xiàn)很小的擾動。學(xué)術(shù)研究上討論的防孤島方法也 大多數(shù)以有源法為主。 其它的一些外部檢測方法 除了上述的無源法和有源法，也有一些并網(wǎng)逆變器外部的檢測方法。比如采用電網(wǎng)側(cè)加入電阻插入裝置，當(dāng)電網(wǎng)掉電時自動在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)插入一個 10 大的阻抗，使得網(wǎng)側(cè)的阻抗突然變化很多，此時通過檢測到網(wǎng)側(cè)阻抗的變化來判斷市電中斷，這種方法稱為 “網(wǎng)側(cè)阻抗插值法 ”。 另外的方法有利用網(wǎng)絡(luò)通訊的手段，通過電網(wǎng)側(cè)自身的監(jiān)控系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)故障或市電輸入中斷后，向逆變器系統(tǒng)發(fā)出信號，逆變器控制系統(tǒng)接收到信號后立即退出并網(wǎng)狀態(tài)。 孤島檢測方法小結(jié) 無源檢測法通過檢測并網(wǎng)連接和 孤島前后的電壓、頻率等參數(shù)的指標(biāo)變化來判斷孤島狀態(tài) 。有源檢測法通過逆變輸出引入一定的擾動或變化，如果所引入的擾動能夠使孤島狀態(tài)下的負(fù)載電壓、頻率等參數(shù)不穩(wěn)定，則可以檢測孤島狀態(tài) 。外部檢測方法通過網(wǎng)側(cè)插入阻抗或者通信等方法來檢測孤島。對于有源檢測法來說，一些方法不適合多臺并網(wǎng)逆變器同時并網(wǎng)，而且這些不同的有源方法也可能會給逆變并網(wǎng)系統(tǒng)帶來負(fù)面影響，同時對電網(wǎng)造成一定的干擾。所以，這些方法有自身不同的特點(diǎn)，但并不能證明哪個方法更好，一般會根據(jù)不同的應(yīng)用場合、并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)成本等方面考慮選擇一種或幾種方法。 本章小結(jié) 本章介紹了 “孤島 ”效應(yīng)的概念及其帶來的危險(xiǎn)，并分析了孤島狀態(tài)出現(xiàn)的電路原因?；诜拦聧u技術(shù)的方法研究，通過等效電路的研究分析了有源檢測 法，并介紹了無源檢測法和其它的外部檢測方法?；陔妷盒湍孀兤鞑⒕W(wǎng)系統(tǒng)的研究，將有源電壓擾動法應(yīng)用于系統(tǒng)的孤島判斷中，并通過實(shí)驗(yàn)證明該方法的可行性。 第三章 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù) 逆變器的控制技術(shù)介紹 并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是提高逆變器輸出電壓的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)性能就是指輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和帶不平衡負(fù)載的能力 。而動態(tài)性能主要指輸出電壓在負(fù)載突變時動態(tài)響應(yīng)水 平。按照實(shí)現(xiàn)控制的硬件手段，并網(wǎng)逆變器的控制可以分為模擬控制和數(shù)字控制 [11]。