（电力电子与电力传动专业论文）分布式发电并网逆变器设计及相关控制方法研究.pdf

a bs t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h es h o r t a g eo fe n e r g yr e s o u r c e sa n dt h ep r o b l e mo fs e v e r e e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s ( d g ) t e c h n i q u eb a s e do nr e n e w a b l e e n e r g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h e 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e ri st h ek e y e l e m e n tf o rt h ed ga sar e s u l lt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o di s a b s o r b i n gp e o p l e sa t t e n t i o n t h es i n u s o i d a lc u r r e n tw a v ec o n t r o lm e t h o di st h em a i n c o n t r o lp r o b l e m r e a l - t i m et r a c k i n gt h ef r e q u e n c y , p h a s ea n dc a p a b i l i t yd e m a n do ft h e g r i di st h eg o a l ，t h u st h ed i s t o r t i o nc a nb el o w e ra n di n f l u e n c et ot h eg r i dc a l l b e r e d u c e dm o r e i t st os a y , t oa c h i e v et h eu n i t e dp o w e rf a c t o r i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d o fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c ho ft o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d c o n t r o lm e t h o di st h ee m p h a s i s t h eb a s i cw o r k i n gm e c h a n i s mo fv o l t a g e - t y p e 鲥d - c o n n e c t e di n v e r t e r i s i n t r o d u c e df r o mt h ec i r c u i tt o p o l o g yi nc h a p t e r2 t h ep a r a m e t e r sd e s i g no ft h e c o m p o n e n t si sd e d u c e di nd e t a i l i nc h a p t e r3 ，b a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，t h ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e d t h ec o n t r o lo b je c t i v ea n dp e r f o r m a n c ed e m a n di sa n a l y z e d ，t h e n i m p r o v e dp ic o n t r o la n dr o b u s tc o n t r o la r ep r o p o s e da n dc o m p a r e d m e a l w h i l et h e c o n t r o l l e rd e s i g ns t e p sa r ed i s c u s s e d r e l a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e si t sc o r r e c t i o n i nc h a p t e rf o u r , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r c o n t r o ls y s t e mb a s eo nt m s 3 2 0 f 2 8 0 8d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri si n t r o d u c e di nd e t a i l t h e3 0 k wt h r e ep h a s e 鲥d - c o n n e c t e di n v e r t e re x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i s d e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a la n d s i m u l a t i o na n a l y s i s t h es u m m a r ya n df u t u r er e s e a r c hi d e a sw o u l db eg i v e na tl a s t k e y w o r d s ：d g ；g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ；i m p r o v ep ic o n t r o l ；r o b u s tc o n t r o l ； d i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o np h a s ei d e n t i f i e r ；d s p i i i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签签字日期： 厶扣年 ；月，寂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑鋈盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：2 , o l o 年多月a 日签字日期：加，口年3 月，z 日 致谢 两年半的浙江大学研究生生活，转眼即逝，成为了我人生中重要的一段历程， 相信它必将对我的一生产生积极而深远的影响。在这期间，有太多的人给予我无 私的帮助，谨此向他们表示诚挚的谢意。 首先，感谢我的导师陈辉明教授。无论在学习上还是生活上，陈老师都给了 我很大的帮助，他的言传身教让我受益匪浅。陈老师学问渊博、作风严谨、求真 务实、兢兢业业、待人宽厚，是传道、授业、解惑的典范。正是由于陈老师悉心 的业务指导和人格魅力的熏陶，我才能自信地面对未来的挑战。 其次，感谢王正仕老师对我的教导。王老师精通专业知识、经验丰富、循循 善诱、学术思维活跃。在整个项目设计与调试过程中，由简入深，给予了我很多 建议和指导。让我一步一步从完全无知到对整个项目有比较客观的认识。更重要 的是学习到从事工程研究的方法。同时，也感谢电工厂的同志们为我的实验提供 所需的器件、工具和设备，以及在设备安装调试过程当中给予的帮助。 另外，要感谢国家自然科学基金为本项目提供的资金支持，没有这笔资金， 我们的工作将难以进行。并感谢评审委员会的各位前辈，你们的建议是我们前进 的动力。直到最后我们以优秀的成绩通过国家验收也少不了你们的一份功劳。 还要感谢实验室的蔡卓剑、姜礼节、朱明磊等博士；感谢已经毕业的师姐金 园园、刘欢，以及前师姐林金燕等人，他们的耐心指教给我做出了好的榜样；感 谢与我同一年进入实验室的岳金伟、张朝立、裴倩；感谢我的师弟张海钰、胡蓬 峰、范子林等人，他们在我的专业学习和课题研究过程中给予了巨大的帮助，也 为我的生活增添了不少乐趣，和谐的学习与娱乐氛围为我的研究生生活留下了永 恒而精彩的一笔。 最后，最重要，也是最难以用言语向他们致谢的是我的父母和我的舅舅。在 我近2 0 年的求学生涯中，他们总是鼓励我，在每一关键时刻支持我，让我充满 信心，他们给予我的最伟大、最无私的爱，谢谢! 白真贵 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕十学位论文1 绪论 1 1 课题背景及意义 1绪论 1 1 1 国内外可再生能源开发的研究现状及应用前景 在全球气候变暖问题日益凸显和以石油、煤炭为代表的传统能源供应日趋 紧张的情况下，世界各国都在积极寻找和开发新的替代能源，又称可再生能源， 如水能、风能、太阳能、生物质能和海洋能等。可再生能源相对于传统资源有 着不可比拟的优势，它可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭，且对 环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。 2 0 0 7 年，全球在可再生能源领域的投资打破历史纪录，达到1 4 8 4 亿美元， 比2 0 0 6 年增长了6 0 。风力发电是发展最快的。在过去的6 年里，风电的年 平均增长率达到了2 2 ，2 0 0 4 年新增装机7 9 7 6 万千瓦，全球累计风电装机达 到4 7 3 1 7 万千瓦。太阳能发电也发展很快。2 0 0 4 年，全球光伏电池的生产首 次超过了1 0 0 万千瓦，比2 0 0 3 年增长了6 0 。 事实上，从2 0 世纪7 0 年代开始，特别是近年来，可再生能源的开发利用 已经被世界各国提到了战略性的高度。尤其是发达国家，纷纷制定并实施了一 系列宏大的计划和工程。 欧盟自2 0 世纪9 0 年代初开始就高度重视能源战略，也是世界可再生发展 最快的地区。1 9 9 7 年，欧盟颁布可再生能源发展白皮书，制定了2 0 1 0 年可 再生要占一次能源的1 2 ，而2 0 5 0 年要达到5 0 的雄伟目标。2 0 0 4 年4 月， 主要欧盟成员国达成共识，制定了2 0 1 0 年和2 0 2 0 年的可再生能源发展目标。 英、德均承诺，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年可再生的比例要分别达到1 0 和2 0 ；西班牙 则表示，2 0 1 0 年其可再生发电的比例就能达到2 9 以上；北欧一些国家提出了 利用风力发电和生物质发电逐步替代核电的战略目标。 日本在可再生领域做得十分出色，不断推出新的刺激计划。如：1 9 9 3 年的 “新阳光计划”，1 9 9 7 年的“7 万太阳能光伏屋顶计划”，及“地球再生计划” 等。这些计划都使得日本的光伏技术有了长足发展，到2 0 0 0 年，仅京都陶瓷、 浙江大学硕十学位论文1 绪论 夏普集团两家公司，年生产能力就可高达1 0 万千瓦级，超越德国西门子，位居 世界的前两位；另外日本的燃料电池汽车技术也和美、德等国一样领跑世界。 美国发展可再生技术的基本战略是，通过相关政策鼓励新能源开发，占领 技术制高点，并建立世界范围内可再生能源的广阔市场。2 0 0 5 年8 月的2 0 0 5 年国家能源政策法) 明确要求为太阳能、地热能、生物能等可再生能源的开发 提供资助。并提出“绿色电力”的发展计划，主要通过风力发电、光伏发电、 生物质发电等来达到目标，其中光伏发电预计到2 0 2 0 年将占美国届时发电装机 增量的1 5 左右，累计安装量达到3 6 0 0 万千瓦。专家估计，到2 0 2 0 年全球太 阳光伏电池将超过7 0 0 0 万千瓦，其中美国占5 0 。 我国作为迅速崛起的发展中国家，能源需求十分严峻。而我国可再生能源 资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，可以为未来社会和经济发 展提供足够的能源，开发利用可再生能源大有可为。2 0 0 5 年2 月2 8 日，我国 通过中华人民共和国可再生能源法。2 0 0 6 年1 月1 日，可再生能源法开始 施行，把可再生能源作为能源发展的优先领域。2 0 0 7 年国家发改委发布了可 再生能源中长期发展规划，提出加快推进风力发电、生物质发电、太阳能发电 的产业化发展，逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到 2 0 10 年使可再生能源消费量达到能源消费总量的1o ，到2 0 2 0 年达到1 5 幢1 。 到2 0 0 8 年底，我国可再生能源的年利用量总计达到了2 5 亿吨标准煤，约 占一次能源消费总量的9 ，比2 0 0 5 年上升了1 5 个百分点，其中水电为2 亿 吨标准煤，太阳能、风电、现代技术生物质能利用等约5 0 0 0 万吨标准煤，为 2 0 1 0 年实现可再生能源占全国一次能源10 比例的目标迈出了坚实的一步。 1 1 2 可再生能源分布式发电系统概况 分布式发电是指在用户现场或附近配置较小的发电机组( 一般低于3 0 m w ) 。 以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或则同时满足这两个方 面的要求3 1 。伴随着可再生能源的迅速发展，作为其有效的利用方式，分布式 发电技术异军突起，已经逐渐成为世界各国可持续发展的标尺。 2 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1 可再生能源分布式发电系统框图 可再生能源分布式发电系统结构框图如图1 1 所示1 。风能，太阳能等可 再生能源发出的电能通常是不稳定的，且转化为电能的方式不同，不能直接提 供给负载使用或并入电网，因而需要经过一系列的交流环节。第一级通常为直 流处理电路，其作用是将发出的电转化为一定电压的直流电压，方便后续处理。 不同的可再生能源有不同的处理电路，如光伏发电需使用d c d c 电路，而风力 发电则需使用a c d c 电路( 整流器) 。储能电池( 或大电容) 的主要作用是当可 再生能源受到外界因素影响较大，导致输出电能不稳定时，将电能储存起来， 有利于系统更加稳定的运行b 1 。如果负载为直流负载也可以在此级取电。 第二级为并网逆变器，也是该并网发电系统的核心部分，目前的研究热点 也主要集中在这一部分。并网逆变器实现的功能可能包括：( 1 ) 将可再生能源 产生的电能变换为特定的交流电输送到公用电网或直接供给交流负载；( 2 ) 通 常配备了隔离变压器，实现可再生系统与电网的电气隔离，保障人身安全。( 3 ) 具有设计良好的滤波器，使得并入电网的电能质量达到国家相应标准。( 4 ) 安 全可靠，完善的保护措施以及较高的效率。 1 2 分布式发电系统的并网标准 分布式发电系统的高度分散性给统一管理带来一定的难度，因此国际上相 关部门专门给分布式并网发电系统制定了一系列的技术规范和并网要求，对不 符合要求的发电装置，限制其并入电网，以减少其对电网带来的不良影响。第 一个分布式电源系统并网标准一一i e e es t d 15 4 7 2 0 0 3 ，于2 0 0 3 年6 月经由 标准制定委员会2 1 ( s c c 2 1 ) 颁布。其中给出的规范包括：技术规范、测试规 范以及并网连接等方面，如通用技术指标、异常响应、并网波形质量、保护措 施、维护等等。9 0 年代以后，我国国家技术监督局也相继颁布了涉及电能质量 的几个国家标准，分别为：电能质量一供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 - 9 0 ) 电 浙江大学硕士学位论文l 绪论 能质量一电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 电能质量一公用电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 电能质量一电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 等。综合起来，可以归纳出针对并网的一些重要的技术指标和要求哺1 。 ( 1 ) 并网输出电流( 或电压) 谐波要求 并网系统要求对电网提供能量，甚至是对电网进行无功补偿，谐波绝对不 允许对电网造成太大的污染。 表1 1 并网系统输出电流( 或电压) 谐波技术指标 i 谐波( h ) h 1 11 1 h 171 7 h 1 5 0 0 1 0 0 0 0 0 1 31 0 ( 3 ) 异常响应时间要求 系统并网工作时，可能遇到各种突发异常状况，超出一定的可承受范围，要 求并网逆变器能够立刻检测出，并在规定时间内脱离电网。标准中主要根据并 网发电系统出现的两类异常：电网电压异常和电网频率异常，做出了相关规定。 表1 3 电网电压异常时并网系统响应时间指标 电压范围( 额定电压百分比)响应时间( s ) v 5 0 0 1 6 5 0 v 8 8 2 0 0 8 8 v 1 1o 正常运行 1 1o v 1 2 0 1 0 0 v 1 2 0 0 1 6 表1 4 并网系统频率异常时的响应时间指标 分布式系统容量( k w )频率范围( h z )响应时间( s ) 3 0 8 0 a 。 浙江大学硕士学位论文 2 并网逆变器基本理论及其参数设计 交流输出滤波器的设计 并网输出滤波器的参数设计主要的考虑因素为电感电流的纹波以及开关频 率。如图2 i4 绘出了电感电流纹波的波形图，它是影响输出波形质量的一个重 要参数。由于开关频率比电网频率高得多，因而可近似认为在任何一个开关周 期内电感电流无增量。由电感的伏秒守恒定理可得到： ( 屯) d t + 饥) ( 1 - d ) 间 即， u g r f d = ( 2 d 一1 ) u 出 ( 3 ) 因此，可以得到电感纹波电流峰峰值为： 她= 半= 掣u 出 由上式可知，当占空比d = 0 5 时，a i 。取得最大值： 斛觚= 赢屹 在并网运行中，通常允许的最大纹波电流为并网额定电流有效值的1 5 瞪1 ， 故而可得到电感需满足： 怂瓦2 l 奇i1 丽5 ( 6 ) 。 “ 其次，电感也不能太大，否则其电流上升速率可能达不到要求的上升速率， 不能很好的跟随参考电流变化，从而不能得到需要的电流输出。并网逆变器交 流侧等效模型如图2 5 所示，其中u s 为直流侧电压经逆变桥后得到的等效交 流电压，根据矢量关系图可以得到： u ，2 = ( 毗t ) 2 + 2 ( 7 ) 而 u 芳 故：三厄四鸣厄四吆 综上所述，可得电感的取值范围为： 沥1 继瓣心 ( 9 ) ( 1o ) 浙江大学硕士学位论文 2 并网逆变器基本理论及其参数设计 卜t 1 图2 4 电感电流纹波 l i l t l o a a u l - j w l i l 图2 5 并网逆变器交流侧等效原理及矢量图 在本项目中，我们取u 出= 4 0 0 v ，i d = 5 0 a ，厶= 1 5 k ，w = 1 0 0 z ， u g , - i d = 2 2 0 v ，则可得到：1 7 8 m h 三 1 1 3 2 m h ，故可取l = 2 m h 。而图2 2 中的滤波电容c 主要为滤除高频开关纹波，因此可以将l c 滤波器的转折频率设 定为开关频率的1 1 0 ，故电容c 可按以下公式计算： c = c 赤，2 圭= c 丽高而，2 志一s 6 ， 2 3 三相电压型并网逆变器的基本原理 图2 6 三相并网逆变器原理图 如图2 6 所示为三相并网逆交器的原理图。图中虚线( 中线) 是为了分析 2 1 l_ 窄l上 口 s 幻 浙江大学硕士学位论文2 并网逆变器基本理论及其参数设计 方便而添加的。首先将直流滤波电容看成两个电容的串联( 实际上可能只是一 个) ，定义两电容中点电位为零。忽略各开关管的导通压降和开关延迟，且 c a - - c b = c c = c 以及l a = l b = l c ；l 。各点的电位及电流均已在图中标出。 首先考虑有中线( 虚线) 的情况，此时整个拓扑相当于三个半桥逆变电路 的组合，且三个半桥因中线的存在而实现解耦，因而三相可分别进行独立控制， 犹如控制三个单相逆变一样。 然而，有u n = o v ，从而流经中线的电流为： = c o 警4 - c 6 等+ c c 警= c 丝等盟 ) 若三相输出负载为线性平衡负载或直接并入电网，则： 叽+ +