并网逆变器孤岛检测技术研究

南京邮电大学毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 并网逆变器孤岛检测技术研究专 业学生姓名班级学号指导教师指导单位毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。论文作者签名： 摘 要随着新能源发电的迅速发展，越来越多的可再生能源被转化为电能通过并网逆变器输送到电网。当电网由于故障而断网时，容易产生孤岛现象。孤岛现象的发生可能会带来巨大危害,因此,研究孤岛效应及其检测方法具有重要的现实意义。本文首先对分布式发电系统的概念，分类及发展现状进行介绍，从而引出分布式发电系统的核心部分逆变器。然后对逆变器的原理、拓扑结构、控制方法等进行了研究，并最终选择了双降压桥式逆变器作为设计的对象。在接下来的章节中，本人具体介绍了并网逆变器孤岛检测的多种方法及其优缺点，并对它们的盲区边界进行计算。基于对各种孤岛检测方法的分析，本文研究了一种有功电流全扰动孤岛检测方法,详细介绍了该方法的原理和实现过程,并结合 IEEE.Std.2000-929 标准中的技术规范对仿真模型进行了分析,验证了此类方法的有效性和适用性。关键词：并网逆变器；孤岛检测；主动孤岛检测技术；有功电流全扰动ABSTRACTWith the rapid development of new energy power generation, more and more renewable energy is converted into electric energy through the grid-connected converters. Grid inverter with islanding detection function, the photovoltaic grid-connected inverter research mainly focused on the single, usually on the output must exert the disturbance to improve islanding detection ability. This paper bases on gridconnected system as research obj ect and focuses on single-phase gridconnected systems to conduct a comprehensive analysis，and thendoes a detail analysis and simulation、from the main circuit topology of grid-connected system，control strategies，system parameters，antiisland effect as well as reliability analysis.At the same time it gives some methods of inverter islanding detection design considerations and islanding algorithm parameter selection method, and their blind spot boundaries calculated.In this paper, an active current full disturbance islanding detection method is accepted based on the analysis of all kinds of islanding detection methods.while detailly described the principle and process of the method. The result shows that the method iS feasible and up to the demand of IEEE Std.2000929Keywords: Grid-connected inverter; islanding detection ;Active islanding detection technology;Active current full disturbance目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪论 11.1 分布式发电系统 11.1.1 分布式发电系统的概念11.1.2 分布式发电系统的分类11.1.3 分布式发电系统的发展状态及前景21.1.4 分布式发电系统的构成31.2 孤岛现象 41.2.1 孤 岛 的 概 念 51.2.2 孤岛的危害51.2.3 孤岛的研究现状61.3 本 文 研 究 的 内 容 6第 二 章 逆 变 器 并 网 运 行 分 析 72.1 并 网 逆 变 器 拓 扑 结 构 72.2 逆 变 器 独 立 工 作 82.3 双 降 压 桥 式 逆 变 器 工 作 原 理 82.4 控 制 方 法 分 析 9第 三 章 孤 岛 检 测 方 法 103.1 被 动 检 测 法 113.1.1 过/欠压和高/低频率检测法113.1.2 电 压 相 位 突 变 检 测 123.1.3 电 压 谐 波 检 测 123.2 主 动 检 测 法 133.2.1 有 源 频 率 偏 移 法 133.2.2 滑 模 频 率 偏 移 法 143.2.3Sandia 频 率 漂 移 检 测 法 163.2.4 有 功 干 扰 法 163.2.5 无 功 功 率 补 偿 法 163.2.6 频 率 跳 变 检 测 法 173.3 电 网 侧 反 孤 岛 检 测 法 173.3.1 阻 抗 插 入 检 测 法 173.3.2 远 程 通 讯 监 控 手 段 183.4 检 测 盲 区 及 有 效 性 分 析 183.4.1 基于 x 坐标系的有效性评估 19PQ3.4.2 基于 LCnorm坐标系的有效性评估20第四章 有功电流扰动孤岛检测法的分析 224.1 有功电流扰动孤岛检测原理224.2 有功电流全扰动孤岛检测方法234.2.1 全扰动孤岛检测原理 234.2.2 断网后三种检测方法分析 244.2.3 参数设计 254.2.4 仿真设计 26结束语 29致谢 30参考文献 31南京邮电大学 2012 届毕业设计（论文）1第一章 绪论随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题。为了避免能源危机、保护环境，近年来，对新能源的开发和利用成为一个越来越热门的话题。由新能源所构成的分布式发电系统可作为中小发电系统用于电能应急备份、补充电网系统、局部或偏远地区发电等方面。因此，研究高性能分布式发电系统，开拓广阔的并网发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。1.1 分布式发电系统1.1.1 分布式发电系统的概念分布式发电指的是在用户现场或靠近用电现场配置较小的发电机组(一般低于 30MW)，以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。这些小的机组包括燃料电池，小型燃气轮机，或燃气轮机与燃料电池的混合装置。由于靠近用户提高了服务的可靠性和电力质量。技术的发展，公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。 通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点： (1)分布式发电系统中各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高； (2)分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电，已成为集中供电方式不可缺少的重要补充； (3)可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力； (4)分布式发电的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或避免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低； (5)可以满足特殊场合的需求，如用于重要集会或庆典的(处于热备用状态的)移动分散式发电车； (6)调峰性能好，操作简单，由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。 1.1.2 分布式发电系统的分类根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。 南京邮电大学 2012 届毕业设计（论文）2(1)基于化石能源的分布式发电技术主要由以下三种技术构成：往复式发动机技术：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式或压燃式，以汽油或柴油为燃料，是目前应用最广的分布式发电方式。但是此种方式会造成对环境的影响，最近通过对其技术上的改进，已经大大减少了躁音和废气的排放污染。微型燃气轮机技术：微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。但是微型燃气轮机与现有的其它发电技术相比，效率较低。满负荷运行的效率只有 30%，而在半负荷时，其效率更是只有10% 15%，所以目前多采用家庭热电联供的办法利用设备废弃的热能，提高其效率。目前国外已进入示范阶段，其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。燃料电池技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，同时不污染环境，其电能是通过电化学过程获得的。在其阳极上通过富氢燃料，阴极上面通过空气，并由电解液分离这两种物质。在获得电能的过程中，一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。氢燃料可由各种碳氢源，在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成。因此它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为 21 世纪的分布式电源。 (2)基于可再生能源的分布式发电技术主要由以下几种技术构成：太阳能光伏发电技术：太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。但是此种分布发电技术的成本非常高，所以现阶段太阳能发电技术还需要进行技术改进，以降低成本而适合于广泛应用。(2)风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，可分为独立与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为 100W10kW ，后者的容量通常超过 150kW。近年来，风力发电技术进步很快，单机容量在 2MW 以下的技术已很成熟。 (3)混合的分布式发电技术通常是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被提出，其中一个重要的方向是热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性。1.1.3 分布式发电系统的发展状态及前景 (1)在美国，容量为 1kW 到 10MW 分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。预计几年后，新一代的微汽轮机(10250kW)可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了南京邮电大学 2012 届毕业设计（论文）3新机会。 在美国国内到 2020 年，由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加1.71012kWh 的电，几乎是近 20 年增量的 2 倍。为满足市场需要，下一个 10 年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达 51096109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料，在不久以后，分布式发电技术将在美国得到相当的发展。 (2)在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量 1亿 kWh 的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除风力发电外，还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的良好办法。因此，应引起足够的重视。 在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。1.1.4 分布式发电系统的构成图 1-1 是分布式发电系统的基本组成结构图，分布式发电系统的组成主要包括新能源系统、控制器、并网逆变器、负载四部分。新能源系统 控制器并网逆变器负载卖电用表买电用表 常规电网图 1-1 分布式发电系统的组成南京邮电大学 2012 届毕业设计（论文）4在图 1-1 中，新能源包括太阳能、风能、燃料电池等。控制器在输入侧起着核心的控制作用，它完成新能源输入端电压的转换和提升，并控制输出一稳定的直流母线电压，使之满足并网逆变器的输入电压要求；实现新能源最大功率点的跟踪和控制；完成对蓄电池过充电保护、过放电保护的作用，在温差较大的地方，控制器还具备温度补偿的功能，同时还完成对变换器的故障保护功能。并网逆变器是分布式发电系统中输出侧最关键的组成部分，它完成对直流电能到交流电能的转换，它决定了输出电压和进网电流的质量；控制输出有功功率、无功功率的大小，同时，逆变器还必须具有相应的故障保护功能和抗孤岛能力。辅助性设备包括买电电表和卖电电表，通过买电电表可以知道在分布式发电系统供电不足的情况下，负载从常规电网所获取的电能；通过卖电电表可以知道在分布式发电系统供电充足的情况下，注入常规电网的电能。由图 1.1 可以看出，分布式电源与常规电网之间存在两种基本的工作模式