【正文】 目 錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 1 研究背景 1 孤島研究的意義 1 孤島研究的發(fā)展 2 課題研究的內(nèi)容及主要解決問題 4第二章 主電路的設(shè)計及仿真 5 并網(wǎng)逆變器的拓?fù)?5 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變 5 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變 6 非隔離型并網(wǎng)逆變 6 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的選擇及其工作原理 7 Boost電路 7 單相全橋逆變電路 9 濾波電路參數(shù)設(shè)計 11 開關(guān)元件選擇 12 逆變器的建模 13 開環(huán)系統(tǒng)仿真 16 本章小結(jié) 17第三章 控制電路的設(shè)計 19 單相并網(wǎng)逆變的控制設(shè)計 19 并網(wǎng)逆變的電流跟蹤控制方式 20 滯環(huán)控制電流瞬時值比較方式 20 定時控制的電流瞬時值比較方式 21 應(yīng)用三角波比較的電流跟蹤方式 21 單極性SPWM控制方式 22 改進(jìn)型并網(wǎng)逆變電流跟蹤方式 24 電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償 25 PI調(diào)節(jié)器 26 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo) 26 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 27 調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計 28 閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真 29 本章小結(jié) 31第四章 孤島效應(yīng)及其檢測 33 孤島效應(yīng)及其負(fù)面影響 33 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn) 33 電壓和頻率觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn) 33 孤島分析模型 34 本設(shè)計所采用的孤島檢測方法 34 孤島檢測方法 34 本系統(tǒng)的孤島檢測法 35 系統(tǒng)仿真 36 系統(tǒng)仿真模型 36 仿真結(jié)果 37 孤島檢測流程圖 39 本章小結(jié) 39結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 43致謝 45附錄1 開題報告 47附錄2 中期報告 51附錄3 英文翻譯原件 57附錄4 英文翻譯 6337第一章 緒論 第一章 緒論 研究背景能源與環(huán)境是二十一世紀(jì)人類所面臨的重要基本問題。人類生存嚴(yán)重依賴的石油、天然氣按目前速度僅能使用幾十年，原煤僅能使用二百年，這些一次能源最終將走向枯竭，人類必須及早尋求新的替代能源。另一方面，大量使用化石能源,已經(jīng)造成極為嚴(yán)重的大氣污染，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)排向天空，大量排放的CO2等溫室氣體使得地球表面氣溫逐年升高，如果不加控制，溫室效應(yīng)將使南、北兩極的冰山融化，這可能會使海平面上升幾米，四分之一的人類生活空間將由此受到極大威脅。我國正處在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)軌和蓬勃發(fā)展時期，但能源問題嚴(yán)峻，由于城市中大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。2000年世界衛(wèi)生組織公布的世界上污染最嚴(yán)重的十大城市中，中國占了8個。另一方面，我國具有豐富的太陽能資源，日照時數(shù)大于2000h、太陽能總輻射量高于5016MJ／(m2a)的地方約占全國總面積的三分之二以上，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。在這些地方發(fā)展并網(wǎng)發(fā)電計劃，對于緩解當(dāng)?shù)氐哪茉簇毞η闆r，提高當(dāng)?shù)厝藗兩钏接兄鴺O其重要的意義[1]。我國也是一個人口大國,人均能耗的微小增長就會匯積成龐大的供電需求，電力緊張成為伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展如影隨形的制約。世界范圍內(nèi)的新能源開發(fā)利用熱潮、分布式供電體系以及微型電網(wǎng)的出現(xiàn)為解決能源與環(huán)境問題帶來了新的希望，這些分布式供電系統(tǒng)雖然普遍裝機(jī)容量較小，但依托當(dāng)?shù)靥烊毁Y源的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)減排或零排放，開發(fā)過程清潔環(huán)保；靠近用戶，電力變換、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葞淼碾娔軗p耗被大大減小，總效率提高。但隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展,檢測出電網(wǎng)斷開后的孤島狀態(tài)變得極其的重要。 孤島研究的意義隨著傳統(tǒng)能源的不斷枯竭，新興能源發(fā)展迅速，如光伏發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電技術(shù)。為了充分利用這些分布式發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，滿足用戶對電能日益增長的需要，保證用電的可靠性和電能質(zhì)量，可將這些系統(tǒng)接成并網(wǎng)運(yùn)行模式。然而，由于故障或維護(hù)造成的有意或無意的主電網(wǎng)掉電，使得局部電網(wǎng)供用電不平衡，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果：(1)孤島中的電壓和頻率無法控制，可能對用戶設(shè)備造成損壞；(2)孤島中的線路仍然帶電，可能對維修人員造成危險；(3)非同相合閘時，可能會造成線路再次跳閘，或者對逆變電源和其他與其相連的設(shè)備造成損壞；(4)如果負(fù)載容量與逆變器容量不匹配，容易對逆變器造成損壞。所以，不管是從安全性，還是可靠性方面考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)都應(yīng)具備防止孤島產(chǎn)生的能力。 孤島研究的發(fā)展所謂孤島狀態(tài)是指包含有負(fù)載和逆變電源的局部電網(wǎng)從主電網(wǎng)中脫離出來，并且在此局部電網(wǎng)中，逆變電源持續(xù)給負(fù)載供電的一種電氣現(xiàn)象。如圖11所示，當(dāng)斷路器斷開后，它的左邊系統(tǒng)就處于孤島狀態(tài)。圖11 逆變電源并網(wǎng)系統(tǒng)國內(nèi)外許多專家學(xué)者提出了多種檢測方法，大體可分為兩類：被動式孤島檢測和主動式孤島檢測。被動式檢測法有過／欠電壓、頻率檢測法、電壓諧波檢測法等；主動式檢測法有自動頻率漂移法，滑差式頻率位移法，無功補(bǔ)償檢測法，電壓不平衡電流總諧波失真檢測法等等。被動式檢測法檢測盲區(qū)較大，主動式檢測法輸出諧波較大或控制算法過于復(fù)雜在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn),但減小了檢測盲區(qū)得到了廣泛的運(yùn)用。1） 被動式檢測方法即僅監(jiān)測電壓電流等電量的變化而不實(shí)施主動擾動，包括：（1） 檢測公共點(diǎn)電壓和頻率，根據(jù)電壓、頻率是否超出正常范圍的（UV/OV：電壓低/電壓高；UF/OF：頻率低/頻率高）來判斷電網(wǎng)的存續(xù)狀態(tài)。這是孤島檢測中最常用的指標(biāo)，不需外加任何硬件，但如果不與其它技術(shù)配合，會有較大檢測盲區(qū)。（2） 檢測電壓相位跳變檢測公共點(diǎn)電壓相位是否有跳變，從而判斷電網(wǎng)是否被斷開。該方法有檢測盲區(qū)，且閾值難以整定（容、感性負(fù)載投切、電機(jī)負(fù)載啟動等都可能產(chǎn)生較大的電壓相位跳變），在縮小孤島檢測盲區(qū)與減少誤動作方面難以兩全。（3） 檢測諧波的變化通過檢測公共點(diǎn)電壓諧波的變化來判斷孤島。該方法也存在檢測盲區(qū)和閾值難于整定的問題，例如本地負(fù)載含非線性負(fù)載時，這將會導(dǎo)致THD的明顯變化；而對高品質(zhì)因數(shù)RLC負(fù)載，其濾波特性能使失壓后的電壓諧波也保持在低水平，增加了判別孤島的難度。被動式孤島檢測方法的共同缺點(diǎn)是：閾值難以整定、有檢測盲區(qū)。2） 主動式檢測方法為彌補(bǔ)被動式檢測的不足，人們提出了多種主動式方法來提高孤島檢測的準(zhǔn)確率，主要有：（1） 對有功功率實(shí)施擾動對逆變器的輸出電流幅值進(jìn)行間歇性擾動，使輸出有功功率變化，監(jiān)測公共點(diǎn)電壓是否隨之變化，從而判斷電網(wǎng)是否失壓。不足：多個光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時，擾動不同步會使檢測的準(zhǔn)確性大受影響；即使同步問題能得到較好解決，在多光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時由于輸出功率變化大，也有可能造成電壓閃變和電網(wǎng)不穩(wěn)。（2） 主動移頻偏移技術(shù)[5]即對逆變器輸出電流的相位（頻率）施加擾動。當(dāng)電網(wǎng)正常時公共點(diǎn)頻率和相位受電網(wǎng)電壓的鉗制，擾動對電壓不起作用，一旦電網(wǎng)被斷開，按正反饋控制的擾動量會把公共點(diǎn)頻率推離正常范圍，從而判斷出孤島。該辦法有較高的準(zhǔn)確性，有檢測盲區(qū)小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)的檢測盲區(qū)主要集中在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q較高、光伏逆變器輸出有功/無功與本地負(fù)載消耗的有功/無功相匹配的情況中。（3） 輸出電壓正反饋對逆變器的輸出電流構(gòu)造正反饋，根據(jù)公共點(diǎn)電壓的波動修改電流給定，使電壓越高，電流給定越大。這樣在電網(wǎng)斷開后，逆變器的輸出電壓波動因電流給定的改變被人為放大，從而偏離正常范圍，檢測出孤島狀態(tài)。 課題研究的內(nèi)容及主要解決問題本文主要是針對單相并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)進(jìn)行研究，包括對其主電路,控制電路及其孤島檢測方法進(jìn)行設(shè)計和分析。主要解決的問題有:(1) 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)方案的選擇，并對其工作原理進(jìn)行分析，同時也對濾波電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，建立仿真模型。(2) 對控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，包括對各種控制方式進(jìn)行分析，選擇適合的控制方式，對控制電路設(shè)計，并進(jìn)行參數(shù)計算。建立仿真模型驗(yàn)證參數(shù)和方法的可行性。(3) 分析現(xiàn)有孤島檢測的特點(diǎn)和存在的問題，選擇一種可行的檢測方法。并建立仿真模型，驗(yàn)證方案的可行性。(4) 基于DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。(5) 學(xué)習(xí)MATLAB仿真軟件。第二章 主電路的設(shè)計及仿真 第二章 主電路的設(shè)計及仿真 并網(wǎng)逆變器的拓?fù)溽槍Σ⒕W(wǎng)逆變技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，具體比較逆變器結(jié)構(gòu)拓?fù)淙缦?根據(jù)輸入輸出隔離變壓器的類型[3]可以分為低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變、高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變以及非隔離型并網(wǎng)逆變。 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變A. 電路結(jié)構(gòu)低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖21所示，該電路結(jié)構(gòu)由工頻或者高頻逆變器、工頻變壓器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。圖21 低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)B. 拓?fù)渥宓皖l環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器可以由方波、階梯波合成、全橋式等電路，如圖22所示。(a) 半橋(b) 全橋圖22 低頻并網(wǎng)逆變器拓?fù)鋱D這類低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器具有電路結(jié)構(gòu)簡潔、雙向功率流、單級功率變換、高效率、變壓器體積和重量大、音頻噪音大等特點(diǎn)。 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)如圖23所示，該電路結(jié)構(gòu)由高頻逆變器、高頻變壓器、整流器、極性反轉(zhuǎn)逆變橋以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。圖23 高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu) 非隔離型并網(wǎng)逆變對于非隔離型并網(wǎng)逆變通常是需要通過無變壓器隔離的DC／DC變換器將很低的輸入電壓變換為高壓輸出供逆變橋使用，電路如圖24所示。圖24 非隔離型并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)圖 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的選擇及其工作原理經(jīng)過方案的比較論證，本設(shè)計初步?jīng)Q定采用無變壓器的兩級結(jié)構(gòu)，前級DC／DC變換器和后級的DC／AC逆變器，兩部分通過DClink相連。前級DC／DC變換器，可選擇的型式有半橋式、全橋式、推挽式和Boost式，考慮到輸入電壓較低，如采用半橋式則開關(guān)管電流變大，輸出電壓太低；而采用全橋式則控制復(fù)雜，開關(guān)管功耗增大，因此這里采用結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的Boost升壓電路[4]，它根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小使在不同天氣條件下的輸入電壓達(dá)到一個合適的水平，同時在低壓情況下實(shí)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，增大光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。后級的DC／AC逆變器，采用單相逆變?nèi)珮?，作用是將DClink直流電轉(zhuǎn)換成220V／50Hz正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。DClink的作用除了連接DC／DC變換器和DC／AC逆變器，還實(shí)現(xiàn)了功率的傳遞。 Boost電路(1) 電路原理圖Boost電路由開關(guān)管Q1，二極管D，電感L，電容C組成，完成將太陽能電池輸出的直流電壓升壓到，其原理圖如圖25所示：圖25 Boost 電路圖(2) 工作過程當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，二極管反偏，于是將輸出級隔離，由輸入端向電感器供應(yīng)能量，當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時，輸出級吸收來自電感器和輸入端的能量。如圖26所示：圖26 Boost 電路的工作過程(3) 工作原理根據(jù)電感電流在周期開始是否從零開始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作狀態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時電路，電感電流的不連續(xù)，就意味著太陽能輸出的電能在每個周期內(nèi)都有一部分被浪費(fèi)掉了，而且紋波也會大些。因此電路的參數(shù)的選擇應(yīng)讓電路工作在連續(xù)導(dǎo)電的模式下，如圖27所示Boost電路在連續(xù)導(dǎo)電模式下的穩(wěn)態(tài)波形：圖27 Boost 電路連續(xù)導(dǎo)電時的穩(wěn)態(tài)波形 單相全橋逆變電路(1) 電路原理圖圖28 單相全橋逆變電路逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種:直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱為電壓源型逆變電路和電流源型逆變電路。本論文采用了電壓型逆變電路,即是單相全橋逆變電路,原理圖如28所示。電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn):(1) 直流側(cè)為電壓源,或并聯(lián)有大電容,相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2) 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3) 當(dāng)交流側(cè)阻感負(fù)載是需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各橋臂都并聯(lián)了反饋二極管。(2) 工作原理如圖28所示為以絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)為主開關(guān)器件的單相全橋逆變器主電路圖，其中，為交流輸出電感，為直流側(cè)支撐電容，也即前級Boost電路的輸出電容，T1．T4是主開關(guān)管IGBT，D1．D4是其反并聯(lián)二極管，對四個開關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制，就可以調(diào)節(jié)輸出電流為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓保持同相位，達(dá)到輸出功率因數(shù)為l的目的。它是由兩個橋臂并聯(lián)組成的，因此這種橋式拓?fù)?，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。其啟動的先決條件是直流側(cè)濾波電容預(yù)先充電到接近電網(wǎng)電壓的峰值，而欲使電感電流能按照給定的波形和相位得到控制，必須保證在運(yùn)行過程中，直流側(cè)電壓不低于電網(wǎng)電壓的峰值，否則，續(xù)流二極管將以傳統(tǒng)的整流方式運(yùn)行，電感電流不完全可控。圖29 系統(tǒng)主電路圖最終本設(shè)計簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),前級Boost升壓部分直接用直流電源代替，且逆變器輸出濾波部分采用LC濾波電路結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)下的系統(tǒng)主電路的電路結(jié)構(gòu)如上圖29所示。 濾波電路參數(shù)設(shè)計本論文選擇開關(guān)頻率, 則逆變器輸出電壓的實(shí)際載波頻為。直流側(cè)電壓,逆變電路輸出功率為1KW。獨(dú)立運(yùn)行模式LC濾波器的設(shè)計取決于電路的載波頻率、最大輸出電壓紋波和電流紋波,同時對通過濾波器的高頻電流需要進(jìn)行限制以減小損耗和EMI的。濾波電路參數(shù)設(shè)計如下[1]:首先，LC濾波器作為低通濾波器，頻率高于其諧振頻率的高次諧波將以40dB／dec衰減，為了實(shí)現(xiàn)對開關(guān)次諧波的抑制，其諧振周期一般設(shè)計為5～10倍的電路載波周期，即有下式成立。 (21) 其次，根據(jù)濾波電感的紋波電流確定濾波電感量的大小，已知電感的紋波電流計算公式為 (22)根據(jù)單極性SPWM原理可知，在開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻頻率的條件下，可以得到每個開關(guān)周期的占空比為 (23)將式( 23 )代入式( 22 )可得 (24)由(24)可知,當(dāng)=/2時,有最大值,即 (25)所以可以取 (26)根據(jù)的取值可確定濾波L的取值。若將濾波電感電流紋波近似看作正弦波且假設(shè)均由濾波電容吸收，則輸出電壓紋波的最大值應(yīng)為 (27)將式(25)代入(27)可得 (28)因此，為限制電壓紋波，要求