（电力电子与电力传动专业论文）基于z源的光伏并网发电系统可靠性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名：工啦盈日期：丛坦垒芏叠i ! 国 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盥导师签名：童毒圭型l 日期：参唑脚 摘要 摘要 基于z 源逆变器的光伏并网发电系统的可靠运行面临两个问题：z 源逆变器的可靠 换相以及光伏并网系统孤岛效应的检测和防止。本文主要针对这两个问题进行分析研 究，并提出了相应的解决办法，以确保基于z 源逆变器的光伏并网发电系统安全、可靠 和高效的运行。 第一章阐述了本文研究的背景和现实意义，就国内外光伏发电的现状进行了详细的 介绍。提出了基于z 源逆变器的光伏并网发电系统可靠运行所要解决的两个问题，即 本论文的主要研究内容。 第二章首先介绍了传统逆变器吸收电路，并对其工作原理、拓扑结构和参数设计进 行了深入的研究。然后结合实验波形细致分析了传统逆变器吸收电路不适合应用在z 源 逆变器中的原因。 第三章首先在上一章分析的基础上，结合当前无损吸收电路的发展现状，提出一种 新型吸收电路。然后对新型吸收电路的工作原理、拓扑结构、参数设计和其在z 源逆变 器中的应用进行深入地研究，认为新型吸收电路能够很好地工作在z 源逆变器中。最后， 通过仿真对分析结果进行验证。 第四章首先介绍了吸收电路实验平台的各组成部分，然后分别进行了传统吸收电路 和新型吸收电路在传统逆变器和z 源逆变器中应用共四组实验，进行对比分析。实验结 果证明新型吸收电路吸收效果明显，电路工作一切正常，能够很好地在z 源逆变器中应 用。 第五章首先介绍了孤岛效应产生的原因及危害、国内外孤岛检测的相关标准。然后 总结了当前比较流行的各种孤岛检测方法及各自的优缺点。 第六章在上文分析的基础上，提出一种简单的孤岛检测方法，这种方法是将过欠电 压、过欠频率相结合，不需要额外的硬件电路，直接可在程序中实现。仿真分析表明， 只要发生孤岛时，逆变器输出功率与负载所需功率不匹配程度较大，这种简单孤岛检测 法就能在很短的时间内有效地检测出孤岛并对其进行处理。 第七章是对全文的总结和展望，一方面对所取得的成果进行总结，另一方面对下一 步继续研究的方向作出建议。 关键词：光伏发电，并网，z 源逆变器，吸收电路，孤岛效应，孤岛检测 东南大学硕士学位论文 a b s n a c t t h er e l i a b l eo p e r a 畸o no fp vg 砸d c o n n e c t e ds y s t e mb a s e do nz s o u r c 圮i l l _ v e r t e rf i a c e st 、) ，o p r o b l e m s ：t h er e l i a b l ec o m m 喇i o no fz s o u r c ei n v e r t e r ，d e t e c t i o na n dp r c v e n t i o n l ei s l a n d i i l go fp vg 弧d c o n n e c t e ds y s t e m e 油s l l r en l es e c l 】r j t y ，r e l i a b l ea n de 氐i c i e n to p 酬i o no f p v 断d c o i l i l e c t e ds v s t e mb a s e do nzs o u r c e 洫v e r t e r ，w ea i l a l y s i so ft h e s et w op r o b l e m si n t 1 1 i sp 印e r a n dt op r o p o s e 也es o l u t i o i l s c h a p t e r1i i 】订o d u c e sm eb a c k 擘，o u n i i sa n dp r a c t i c a ls i 毋1 i f i c a n c eo ft h i ss t u d y i 1 1 仃o d u c e s c u n e n tt e c h n i c a ll e v e lo fp h o t o v o l t a i cg 酊d c o 皿e c t e ds y s t 锄h o m ea n da b r o a d p r o p o s e st h e t w op r o b l e m so fr e l i a b l eo p e r a t i o no fp v 擘一d c o i l i l e c t e ds y s t e mb a s e do nz s o u r c ei n v en e ，a i l dp r o p o s e st h em a i l lc o n t e n to ft l l i sp a p e l c h a i t e r2f i r s ti n t r o d u c e st h es n “b b e rc i r c l l i to ft r a d “i o l n a li n v e r t e r a n di 1 1 。d e p ms t = u d y o fi t sw o f i ( i n gp r i n c i p l e ，t o p o l o g y 锄dp a r 锄e t e rd e s i g n t h e nad e t a i l e da n a l y s i so ft i l e 衄 。d i t i o n a li i l v e r t e rs n u b b e rc i r c u i ti sn o ts u i t 乏l b l ef i o rn l czs o u r c ei n v e r t e rr e a s o n s 、) l ，i t ht 1 1 e e x p e r i m e n t a lw a v e f o 肌s c h a p t e r3b a s e do nt h e 锄a l y s i si i lt h ep r e v i o u sc h 印t e r ，f i r s tp u tf o n 砌an e wt y p eo f s n u b b e rc i r c u i t ，谢t 1 1t h ec u r r e n td e v e l o p m e ms t a t u so fl o s s l e s ss n u b b e rc i r c u i t t h e ni i l - d e p t l l s t u d yo ft h ew o r k i i l gp r i n c i p l e ，t o p o l o g y ，p a r a i n e t e rd e s i g na n di t su s emz - s o u r c ei r e r t e ro f t h er 圮ws m l b b e rc i l c u i t t h a tm en e ws m l b b e rc i r c u i tc a nb eav e r yg o o di o b 舔e a r l ya si r it h e z s o u r c ei i e r t e r f i n a l l v a i l a l y s i so ft h er e s u l t sw i t ht h es i m u l a t i o n c h a p t e r4f i r s ti i l 仃o d u c e sv a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es n u b b e rc 硫u i te x p e r i m e n tp l a t f o 肌 t h e nt i l ef o u r 毋o u p so fe x p “m e n t s ：t h e 仃a d i t i o n a ls n u b b e rc i r c u i ta i l dn e ws m l b b e rc i r c u i t u s e di i l 仃a d i t i o n a li i l v e r t e r sa i l dz s o u 】r c ei i e r t e r c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x p e r i i i l e n t a l r e s u l t ss h o wm a ts i g n j f i c a i l ta b s o r p t i o no fn e ws m l b b e rc i r c u i t ，卸dt h ec i r c u i tw o r kw e r ea l l n o i m a la n dw e l li i lt h ezs o u r c ei n v e r t e r c h a d t e r5f i r s ti n 仃o d l l c e st h ec a i l s ea n dh a 册o fi s l a n d i n g t l l er e l e v a n ts t a m d a r d so f i s l a n d i n gd e t e c t i o na th o m ea n d2 l b r o a d a n ds u n u n a r i z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f 舰d i t i o m lp a s s i v ea n da c t i v ea 】1 t i i s l a n d i n gm e t h o d sm e a n w b i l e c h a p t e r6p r o p o s e das i m p l em e t h o do fi s l a j l d i l l gd e t e c t i o nb a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e t h j sa p p r o a c hc o m b i n e do v e r u n d e rv o l t a g e 锄do v e r 岫d e rf r e q u e n c y ，c a nb ea c m e v e d d i r e c t l yi nt h ep r 0 2 r 锄a i l dn oa d d i t i o n a lh a r d w a r ec i r c u i 仃y s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a t t l l i ss i l l l p l ei s l a n d i l l gd e t e c t i o nm e t h o dc a ni i lav e 珂s h 砥p e r i o do ft i i i l et oe 仃宅c t i v e l yd e t e c t a l l dd e a lw i t ha i li s l 锄da s1 0 n ga st h ei s l 锄do c c u r sw h e nt h ei i l v e r t e ro u t p u tp o w e r 锄d1 0 a d p o 、e rd o e sn o tm a t c ht l l ee x t e mo ft h er e q u i r e dl a r g e c h a p t e r7s u m m a r y 锄do u t l o o kf o rm 1 1 t e x t t h eo n el 姗d s u m m i l l gu pm er e s u l t s a 出e v e d ，t l l eo m e rh a n d ，g i v et h er e c o m m e n 蝴o i l so fc o n t i i l u es t u d y k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i c ，鲥d - c o 加e c t e 也z s o u r c ei n v e r t e r ，s n u b b e rc h c u i t ，i s l a n d i i l g ，i s l 锄d i l l g d e t c c t i o n 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 光伏发电系统的构成及分类l 1 3 基于z 源逆变器的光伏并网发电系统可靠性分析- 2 1 3 1z 源逆变器2 1 3 2 可靠性分析3 1 4 本论文的主要研究内容4 第二章传统i g b t 逆变器吸收电路及其在z 源逆变器中应用的局限性5 2 1 传统i g b t 逆变器吸收电路特点和拓扑结构5 2 2 传统l g b t 逆变器吸收电路分析和设计5 2 2 1 线性化换流过程6 2 2 2 母线寄生电感。谐振转移能量过程及吸收电容g 的参数计算6 2 2 3 吸收电容c 。放电阶段及吸收电阻r s 的参数计算7 2 3 传统i g b t 逆变器吸收电路在z 源逆变器中应用的局限性8 2 3 1 z 源逆变器电路拓扑结构和基本原理8 2 3 2 传统i g b t 逆变器吸收电路在z 源逆变器中应用的局限性一9 第三章新型吸收电路及其在z 源逆变器中的应用1 3 3 1 逆变器无损吸收电路的研究13 3 1 1 逆变器无损吸收电路的基本设计思路。1 3 3 1 2 逆变器无损吸收电路的设计原则和常用方法一1 3 3 2 新型无损吸收电路的研究及其在z 源逆变器中的适用性1 4 3 2 1 新型i g b t 逆变器无损吸收电路的提出1 4 3 2 2 新型无损吸收电路原理分析1 5 3 2 3 新型吸收电路损耗分析1 6 3 2 4新型吸收电路在z 源逆变器中的适用性1 8 3 3 新型吸收电路的设计一1 9 3 3 1 吸收电容g 的选择1 9 3 3 2 放电电感厶的选择1 9 3 3 3吸收电路中箝位二极管n 的选择2 l 3 4 仿真分析2 1 3 4 1 两种吸收电路在传统i g b t 逆变器中应用的仿真2 2 3 4 2 两种吸收电路在z 源逆变器中应用的仿真2 4 3 4 3 仿真小结2 7 第四章实验验证2 8 4 1 实验平台各部分介绍2 8 4 1 1 功率主电路的设计一2 8 4 1 2 控制部分的设计。2 9 4 1 3 实验平台照片3 l 4 2 吸收电路在传统i g b t 逆变器中应用实验31 4 3 吸收电路在z 源逆变器中应用实验一3 3 第五章光伏并网发电系统的孤岛检测3 5 i 东南大学硕士学位论文 5 1 孤岛效应的概念及其危害一3 5 5 2 孤岛检测的相关内容3 5 5 2 1 孤岛检测的国际标准和国内标准3 5 5 2 2 孤岛检测基本原理及检测盲区。3 6 5 3 孤岛检测方法3 8 5 3 1 被动式检测3 8 5 3 2 主动式检测。3 9 第六章过欠电压和过欠频率相结合的孤岛检测方法4 3 6 1 过欠电压和过欠频率孤岛检测法及其n d z 计算4 3 6 1 1 过欠电压和过欠频率孤岛检测法4 3 6 1 2 过欠电压和过欠频率相结合孤岛检测法的n d z 4 3 6 2 基于孤岛效应研究的单相光伏并网发电系统4 6 6 2 1 单相光伏并网发电系统的构成一4 6 6 2 2 光伏并网逆变器的控制策略4 7 6 3 过欠压和过欠频相结合孤岛检测法的仿真4 7 6 3 1 仿真模型和算法流程图4 7 6 3 2 仿真过程及仿真结果4 8 6 3 3 检测盲区n d z 5 0 第七章总结与展望5l 7 1 全文总结5 l 7 2 展望，51 致谢5 3 参考文献5 4 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。当今世界各国特别是发达国家对 光伏发电技术十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。光伏发电产业几十年 来得到迅猛发展，2 0 世纪9 0 年代的年平均增长率达到2 0 ，从1 9 9 1 年的5 5m w 增长 到2 0 0 0 年的2 8 7m w 。进入二十一世纪后后，光伏组件的年均增长率更是高达3 0 以 上【l 】。世界光伏产业发展迅速，最近1 0 年太阳电池组件的年平均增长率达到3 3 ，最 近5 年的年平均增长率达到4 3 ，2 0 0 4 年比上年增长6 1 2 ，光伏已成为当今发展最迅 速的高新技术产业之一；2 0 0 4 年世界光伏电池组件产量达到1 2 0 0 m w ，其中日本生产 6 1 0m w ，欧洲3 2 0m w ，美国1 3 5m w ，其它国家1 3 5m w 。2 0 0 4 年世界光伏系统的 总装机容量超过4 g w 【2 】0 2 0 0 5 年全球太阳电池产量为1 7 2 7m w ，比2 0 0 4 年增长了4 4 ， 其中日本的产量继续保持世界第一，占总产量的4 6 ，欧洲占总产量的2 8 ，美国2 0 0 5 年太阳电池产量为1 5 6m w ，占总产量的9 。2 0 0 5 年全球兴建新的太阳电池制造厂的 投资超过了1 0 亿美元。2 0 0 4 年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到9 6 4 9 m w ，2 0 0 6 年底达到4 9 6 1 6 9 m 、妒3 1 。 与其他能源相比，太阳能光伏发电有许多优点，如安全可靠、无噪声、不受地域限 制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护方便、规模大小随意、可以方便 地与建筑物相结合等，这些优点都是常规能源发电无法比拟的。因此，以太阳能为代表 的可再生能源成为当代新能源开发的重要方向之一。在光伏发电技术的产业化方面，尤 其是对光伏逆变系统的研制开发与生产方面，国外取得了众多的成果，发展迅猛，技术 成熟。其中，德国居于世界首位，其1 0 万屋顶光伏计划通过的可再生能源法规定光伏 电价为0 9 9 马克l ( 、枷，高于常规电价o 6 马克l ( 、h ，极大促进了其光伏产业的发展。 其他国家如日本、美国、荷兰、瑞士、奥地利、芬兰也有相类似的计划，整个国际光伏 事业蓬勃发展。光伏发电除了可以产生相当本身消耗能量5 1 0 倍的额外能量外，还可 以实现减排温室气体( 包括c 0 2 、n o x 等) ，实现能源的清洁利用，可对保护环境、节省 能源作出很大贡献。可再生能源实验室对这方面进行统计和分析后表明，与使用传统能 源相比，用光伏技术发电1 0 0 0 k w h ，可以少排放s 0 2 0 4 5 4 堍、n o 。0 1 2 8 4 埏和c 0 2 7 9 4 5 k g 【2 】。应用广泛也是太阳能发电的一大优点，从理论上说，光伏发电技术可以用于任何 需要电源的场合，从为航天器提供电源到作家用电器的电源，从兆瓦级电站到几伏玩具 电源。虽然光伏发电与常规发电相比有技术条件的限制，如投资成本高、系统运行的随 机性等，但由于它利用的是可再生的太阳能，因此其前景依然被看好。 我国的光伏发电技术起步晚，发展缓慢，目前光伏发电并网用逆变控制设备基本上 都靠进口。为解决我国的能源短缺问题，光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要 的角色。到2 0 1 0 年我国要建立两个5 m w 的荒漠并网光伏示范电站；到2 0 2 0 年要建立 2 0 座m w 级的荒漠并网光伏电站。国家发改委计划到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，光伏发电装 机容量要分别达到6 0 0 m w 和1 6 0 0m w 。而中科院和中国太阳能学会的一些专家更是希 望到2 0 2 0 年实现3 0 0 0 m w 的光电装机容量，届时光伏发电量可达到国内用电总量的1 。根据电力科学院的预测，到2 0 5 0 年中国光伏发电将达到1 0 0 g w ，将占到全国总电力 装机的5 f 4 】【5 】。 1 2 光伏发电系统的构成及分类 典型的光伏发电系统是由太阳能电池阵列( 组件) 、电缆、电力电子变换器( 逆变 器) 、储能元件( 蓄电池) 、用户即负载等构成，其构成如图1 1 所示。其中，太阳能 东南大学硕士学位论文 电池阵列和储能元件为电源系统，控制器和电力电子变换器为控制保护系统，负载为系 统终端。 图1 1 太阳能光伏发电系统的构成【6 1 太阳能光伏发电系统按与电力系统的关系可分为两大类：独立光伏发电系统 ( s t 柚d - a l o n ep vs y s t 锄) 和并网光伏发电系统( g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m ) ，独立光伏发电 系统由光伏阵列、蓄电池组、充电控制器、电力电子变换器( 逆变器) 、负载等组成， 其工作原理是：光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量转换成电能，然后经过电力电子 变换器变换成用电负载所需要的合格电力，供给负载，并将多余电能经过充电控制器后 以化学能的形式储存在蓄电池组中。在日照不足时，储存在电池中的能量再经过电力电 子逆变器、滤波和工频变压器升压后变成交流2 2 0 v 、5 0 h z 的电能供交流负载使用。太 阳能发电的特点是白天发电，而负载却往往是全天候用电，因此在独立光伏发电系统中 储能元件是必不可少的，工程上使用的储能元件主要是蓄电池。 并网光伏发电系统由光伏阵列、高频d c d c 升压电路、电力电子变换器( 逆变器) 和系统监控部分组成，其工作原理是：光伏阵列将接收来的太阳辐射能量经过高频直流 变换后变成高压直流电，然后经过电力电子逆变器逆变后向电网输出与电网电压同相同 频的正弦交流电流。并网光伏发电系统与独立光伏发电系统的最大差别就在于：它是与 电网相连接的光伏发电系统，光伏阵列的电量盈余可与并联电网实行互补，从而省去了 蓄电池等储能元件，既保证了系统的可靠性，也降低了系统成本。同时，夏天太阳辐射 强度大，光伏系统发电量多，还可以对电网夏天峰荷起到调节作用。随着近年来光伏发 电的大规模应用以及太阳能电池组件价格的迅速下降，并网系统无疑将得到更为广泛的 应用【6 1 。 1 3 基于z 源逆变器的光伏并网发电系统可靠性分析 1 3 1z 源逆变器 z 源逆变器是在传统电压源逆变器和直流电源之间接入一个由电感、电容组成的对 称阻抗网络而形成的新型电力电子变换电路。图1 2 是z 源逆变器的电路拓扑结构。 剜7 c 1 甏泌c 2 电压源逆 p入 变主电路 ( v s l ) n 晰 i2 图1 2z 源逆变器的电路拓扑结构 z 源逆变器最独特的地方就在于通过电感和电容的跨接可以允许后面同一桥臂的上 2 第一苹绪论 下开关管的直通，通过控制直通状态的插入与否和插入时间长短，加上调制比的组合， 使得理论上z 源逆变器的输出电压可以为任意值，而实际上由于电路中器件的非理想特 性和控制方法的限制使得z 源逆变器的输出电压有一定的限制范围。相比于传统逆变 器，z 源逆变器有以下特点驯 ( 1 ) z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源或电流 源逆变器不同，z 源逆变器的直流电源可以为任意的如电池、二极管整流器、晶闸管变 流器、燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。 ( 2 ) z 源逆变器的主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结构。另外， z 源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合，即反并联或串联两种组合形 式。 ( 3 ) z 源逆变器的负载可为电感性或电容性。 ( 4 ) 理论上为取得1 到无穷大的电压增益，直通占空比只需在0 到0 5 之间调节；而 传统b o o s t 电路必须在0 到l 之间调节。 ( 5 ) 以电压型逆变器模式工作时，z 源逆变器同一桥臂上下开关管可以在允许的时间 范围内同时保持导通，而使电路成为b o o s t 型逆变电路；而以电流型逆变器模式工作时， z 源逆变器可以存在开路零状态，使该电路成为b u c k 型逆变电路。 1 3 2 可靠性分析 光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为和电网电压同频同相的交 流电，从而既向负载供电，又向电网发电的一个系统。由于与大电网相连，光伏发电并 网系统的稳定、安全、可靠、高效地运行显得尤为重要。目前来说，影响光伏发电并网 系统的可靠运行主要有两个方面： ( 1 ) 并网逆变器的可靠换相 作为光伏并网发电系统重要组成部分的并网逆变器，其功率开关器件一般采用 i g b t 。当i g b t 工作在较高频率场合时，由于i g b t 关断时主电路电流急剧变化，在主 电路的寄生电感上会诱发高电压，使i g b t 在关断瞬间承受很大的浪涌电压。另外，由 于与i g b t 反并联的续流二极管反向恢复时两端电压异常升高，也会产生与关断浪涌电 压相似的浪涌电压。关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压的存在，会直接影响i g b t 的正常工作，使并网逆变器不能正常换相，进而导致整个系统不能可靠地运行。 针对并网逆变器的可靠换相问题，目前较常用的解决办法是用吸收电路。吸收电路 主要用来抑制i g b t 等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少开关 损耗，充分利用i g b t 的功率极限。 对于z 源并网逆变器，由于其独特的电路拓扑结构，在工作过程中相比于传统i g b t 逆变器要多出一个直通状态。当z 源逆变器工作在直通状态时，就需要通过程序控制使 得逆变器同一桥臂上下两个开关管同时导通来制造直通，此时传统的并网逆变器吸收电 路将会蜕变为充放电型吸收电路。因此，传统的并网逆变器吸收电路应用在z 源逆变器 中时，若仍旧按照传统的设计方式来设计吸收电路是不正确的，并且随着功率等级和开 关频率不断增大，这一不适用性更加明显。 ( 2 ) 孤岛效应的检测和防止 当前电力系统的设计与建设并没有考虑分布式发电系统的存在，若配电网中某条线 路发生故障，会依靠离故障点最近的继电保护装置来切除。一旦此配电网中存在光伏发 电并网系统，光伏电源会继续向与大电网断开的配电网供电，在一些特殊情况下形成独 立的小型发电系统。这种现象就称为“孤岛效应”。孤岛运行会给电网、用户、人身安 全带来极大危害： 原本由于断路器断开后不应带电的线路仍然继续供电，线路维修工人很可能不知 情地接触到线路而引起人身伤害。 没有大电网的支撑，光伏发电系统的电能质量得不到保证，直接损害用户的设备。 东南大学硕士学位论文 重合闸的广泛使用导致电压、相位不一致引起的不同期合闸，引发更大的事故， 妨碍电网重新供电。 基于上述原因，光伏并网发电系统在检测到大电网断开的时候，需要尽快停止光伏 并网发电系统的运行。这种技术即孤岛检测技术，又称反孤岛运行。 针对孤岛效应的检测和防止问题，目前绝大部分的研究都集中在逆变器侧。逆变器 侧检测大致可以分为两类：被动法检测和主动法检测。被动法是通过检测逆变器输出电 压幅值、频率或者电压电流之间的相位差，判断是否出现异常来检测孤岛效应是否发生。 被动法的优势在于算法速度很快，且不会对系统造成影响。采用被动法基本能够检测出 孤岛效应，但是对于逆变系统和负载相匹配的情况，也即逆变器输出电压和频率不变或 者变化很小的情况，被动式检测方法将无法检测到孤岛效应的发生。另一类方法即主动 法，它是通过光伏逆变器主动向电网发出一些扰动信号，检测电网响应来判断孤岛是否 发生。这种方法即使是在功率匹配的情况下也会通过扰动破坏功率平衡关系，使系统的 电压和频率有明显变化。主动法的检测盲区较被动法大为减少，但很有可能给系统带来 扰动，降低输出电流的质量。 1 4 本论文的主要研究内容 基于上述基于z 源逆变器的光伏并网发电系统可靠性分析中所提出的问题，本文主 要的研究内容有以下两点： 1 、z 源并网逆变器吸收电路的研究 ( 1 ) 首先对现有传统i g b t 逆变器吸收电路的拓扑结构、工作原理、参数设计及其在 z 源逆变器中的不适用性进行研究。 ( 2 ) 在上述基础上结合当前无损吸收的研究现状，提出了一种新型吸收电路并对其拓 扑结构、工作原理和参数设计进行研究。 ( 3 ) 分析新型吸收电路在z 源逆变器中的适用性。最后通过对比仿真和实验来验证其 在基于z 源的光伏并网发电系统中的适用性和有效性。 2 、孤岛效应的检测和防止 ( 1 ) 首先对现有国内外已经提出的可以应用于光伏并网发电系统的孤岛检测方法进 行分析研究，比较各种方法各自的优缺点。 ( 2 ) 理解国内外对孤岛检测的相关标准。在此基础上，结合过欠电压、过欠频率等 被动方法，进一步完善孤岛检测的被动法，使其不仅可以最大程度地检测出孤岛运行， 还可以防止由于电网增减负载情况下电力参数变动引起的误动作。最后将算法应用于光 伏发电并网仿真系统中，检验其有效性。 4 第二章传统i g b t 逆变器吸收电路及其在z 源逆变器中应用的局限性 第二章传统i g b t 逆变器吸收电路及其在z 源逆变器中应用的局 限性 2 1 传统i g b t 逆变器吸收电路特点和拓扑结构 与g t r 吸收电路相比，i g b t 吸收电路有如下特点：i g b t 的安全工作区范围较 大，吸收电路不需要保护抑制二次击穿超限，只需控制瞬态电压；由于i g b t 工作频 率要比g t r 高很多，而在每次开关过程中吸收电路都要通过i g b t 或自身放电，使得 总的开关损耗较大。传统i g b t 逆变器一般采用的吸收电路有三种，如图2 1 所示【10 1 。 ( a ) c 吸收电路( b ) r c d 吸收电路( c ) 放电阻止型吸收电路 图2 1 传统i g b t 逆变器吸收电路拓扑结构i l o 】 这三种吸收电路均能限制i g b t 关断时所承受的浪涌电压，其共同特点是吸收电容 c 。的电压等于电源电压。在下次关断前，电容上电压过冲部分的能量一部分回馈电源， 另一部分消耗在电阻上。 图2 1 ( a ) 吸收电路是直接在逆变桥输入极两端并联一个吸收电容，这种吸收电路适 用于小功率等级的i g b t 逆变器，对瞬变电压非常有效且成本较低。但这种吸收电路随 着功率等级的增大，会与直流母线寄生电感产生振荡。图2 1 ( b ) 吸收电路又称为r c d 吸收电路，它可以避免吸收电路随着功率等级的增大，与直流母线寄生电感产生振荡。 由于快恢复二极管可以箝位瞬变电压，从而抑制谐振产生。在功率等级进一步增大时， 此种吸收电路的回路寄生电感会变得很大，导致不能有效控制瞬变电压。因此在大功率 场合一般采用图2 1 ( c ) 吸收电路，该吸收电路又称为放电阻止型吸收电路，它既可有效 抑制振荡还具有回路寄生电感较小的优点j 。 2 2 传统i g b t 逆变器吸收电路分析和设计 在图2 1 的3 种吸收电路中，( a ) 型吸收电路结构简单，( b ) 型和( c ) 型电路应用较多， 二者工作原理基本相同，本文现对( c ) 型吸收电路进行分析。图2 2 为使用( c ) 型吸收电路 的单相i g b t 逆变器等效电路图。图2 3 所示为i g b t 使用( c ) 型吸收电路的典型关断波 形。 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 传统i g b t 逆变器吸收电路等效电路图( 单相) 图2 3 ( c ) 型吸收电路的典型关断波形 以开关管乃关断时刻为起点来分析吸收电路的工作原理，其工作过程可分为：线 性化换流、母线寄生电感厶谐振转移能量和吸收电容g 放电共3 个阶段【1 2 】。 2 2 1 线性化换流过程 此阶段从开关管乃接收关断信号开始到开关管乃完全截止结束。流过母线寄生电 感厶的母线电流，d 经乃和吸收电路2 条支路分流。由于这个过程时间极短，一般为纳 秒级，故此过程中的电流、电压变化可线性化处理。由于实际的换流并非完全线性，因 此在这个过程中会出现第一个电压尖峰( 图2 3 中，) 。这个尖峰是由吸收电路的寄 生电感和吸收二极管的正向恢复联合引起的。如果吸收二极管采用与i g b t 匹配的快恢 复二极管，则该电压尖峰主要取决于吸收电路寄生电感l 。，可估计出，为： 叱：厶罢 厦 式中 ( 2 1 ) ，吸收电路的等效寄生电感( h ) ； 幽仂关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流变化率： 2 2 2 母线寄生电感口谐振转移能量过程及吸收电容g 的参数计算 在线性化换流阶段结束后，开关管乃完全截止。此时，主回路寄生电感三。与吸收 电容g 产生谐振，厶中储存的能量向g 转移。当吸收电容上电压魄达到最大值西， 即谐振峰值时，谐振电流f 为零，吸收电路二极管协截止，箝位魄防止有振荡。在这 个过程中将出现第二个电压尖峰( 图2 3 中) 。此尖峰主要是由母线寄生电感厶引 6 第二章传统i g b t 逆变器吸收电路及其在z 源逆变器中应用的局限性 起，可以用能量守恒定律来确定： 吾乞f 2 = c s 昨： 式中 广母线寄生电感( h ) ； f 工作电流( a ) ； g 吸收电容值( f ) ； ( 厂吸收电压峰值( v ) ； 如果已经确定了的限定值，则可用式2 2 确定吸收电容g 的值： c s = 0 f 2 啡： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 2 3 吸收电容c 。放电阶段及吸收电阻的参数计算 在第二阶段结束之后，吸收电容g 上过冲能量通过吸收电阻忍、电源和负载放电。 在放电过程中，近似认为负载是恒流源。因为负载的存在，可不考虑厶、厶对放电的影 响。其等效电路图如图2 4 所示。 + 图2 4 吸收电容d 放电等效电路图 电路方程为： 堑生：一e 监 r s d | 初始条件为： z ，。( d ) = = 圪+ ： 在g 放电阶段： 可得： f 甜o ( f ) = 圪+ 2 9 墨c r = 一 一e 警= 等p 素 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 奎塑奎堂堡主堂垡堡奎 对于不同拓扑结构的吸收电路，允许g 放电的最大时间也各不一样。一般取尺c 时 间常数大约为i g b t 一个开关周期的三分之一到六分之一就可以确保开关管乃再次关断 前，能将储存在g 中的过电压能量9 0 放电。因此，可由以下公式求取吸收电阻匙： 足g 子 可得： r 南 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中 厂i g b t 工作频率( h z ) ； 吸收电阻值凡如果设定过低，由于吸收电路的电流振荡，i g b t 开通时的集电极电 流峰值也会相应增加。因此，应在满足式2 1 0 的范围内尽量将尼设定为高值，参数可 按下式校验【11 】【1 2 】f 1 3 】【1 4 】【1 5 】： r 毛厩 ( 2 1 1 ) 2 3 传统i g b t 逆变器吸收电路在z 源逆变器中应用的局限性 2 3 1z 源逆变器电路拓扑结构和基本原理 基于z 源阻抗网络的单相电压源逆变器拓扑结构如图2 5 所示。z 源逆变器是在常 规单相逆变器的前级加上z 源阻抗网络而形成的。瞄矿为光伏电池板输出电压等效电压 源，l ，厶，o ，c 2 为z 源阻抗网络电感和电容，n 为快恢复二极管。传统逆变器中同 一桥臂上下开关管同时导通，形成直通零状态是禁止的，因为它将极大的损害功率器件。 而在z 源逆变器中，由于z 源阻抗网络的存在，允许该直通零状态的存在，而且恰恰是 这个直通零电压状态赋予了z 源逆变器独特的丹降压特性【7 1 【8 1 【9 1 【1 6 l 。 v v d 3 v d 4 图2 - 5 单相桥式z 源逆变器的主电路结构图 若z 源的电感和电容参数设计合理，该逆变器只在两种工作状态下切换：逆变状态 和直通状态。这里设开关周期为乃直通时间为d ，逆变状态的时间为一则d + r = l n 珐= 等。稳态时，由于对称，= = ，则： 1 、逆变状态： 8 图2 6z 源工作于逆变状态的等效电路图 如图2 6 所示，电源咋y 以及电感卜厶同时向p n 端输送能量，电容c j ，c 2 为充 电状态。这个时候根据电路各部件之间的关系，可以得到以下方程： r = 2 一 圪。= 圪：= 一 2 、直通状态： ( 2 1 2 ) 图2 7z 源工作于直通状态的等效电路图 如图2 7 所示，此时二极管协断开，直流电源与后级隔离，z 源电感与电容之间交 换能量，即电容给电感充电。该过程中有如下方程： = 屹。= 圪： 由稳态时，一个周期r 内电感三两端电压对时间的积分为零， 可得到： ( 2 1 3 ) 并综合式2 1 2 ，2 1 3 ( 2 1 4 ) 可以看出，当d 在o o 5 丁范围内变化时，娑理论上为l 。 y p y 2 3 2 传统i g b t 逆变器吸收电路在z 源逆变器中应用的局限性 传统i g b t 逆变器在工作过程中其同一桥臂上下两个管子不可能同时导通，即为严 格互补的，这也是上述三种传统吸收电路正常工作的先决条件。而z 源逆变器相比于传 统i g b t 逆变器要多出一个直通状态，当z 源逆变器工作在直通状态时，就需要通过程 序控制使得逆变器同一桥臂上下两个开关管同时导通来制造直通，此时传统的放电阻止 型吸收电路将会蜕变为充放电型吸收电路。因此，传统i g b t 逆变器吸收电路应用在z 源逆变器中时，若仍旧按照传统的设计公式来设计吸收电路中各元器件的参数是不正确 的，并且随着功率等级和开关频率不断增大，这一不适用性更加明显。 告 篇击 ，一一 东南大学硕士学位论文 下面以( b ) 型r c d 吸收电路为例对此进行分析。图2 8 分别为使用r c d 吸收电路的 单相传统i g b t 逆变器和单相z 源逆变器等效电路图。 ( a ) 带r c d 吸收电路的单相传统i g b t 逆变器等效电路图 ( b ) 带r c d 吸收电路的单相z 源逆变器等效电路图 图2 8 带r c d 吸收电路的单相逆变器等效电路图 由上文分析可知，当传统i g b t 逆变器吸收电路应用在传统i g b t 逆变器中时，吸 收电路