（电力电子与电力传动专业论文）燃料电池并网逆变技术研究.pdf

浙江大学博：上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f u e le e l lg e n e r a t i o nn o wi sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v ee n e r g y s o u r c e sf o rt h ed i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s ( d g ) d u et oi t sa d v a n t a g e so f h i g he f f i c i e n c y , l o we m i s s i o n s , a n dh i g hp o w e rd e n s i t y t h eg a d c o n n e c t e di n v e r t e ri s t h em a i ni s s u eo ft h ef u e lc e nd gb e c a u s eo fi t si m p a c tt ot h ep o w e rq u a l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds a f e t y h e r e t o f o r e ，m a n yp r o b l e m ss t i l ln e e df u r t h e rs t u d i e s a n dt h e s o m en e wr e q u i r e m e n t sa r er a i s e db yt h ef u e le e l id ga m o n gt h e s e t h ep o w e r q u a l i t yt og r i da n dt h ep o w e rr e l i a b i l i t yt ol o c a l l o a d sa r et w om o s ti m p o r t a n ta s p e c t s t h e s et w oa s p e c t sa r eu s e dt os t u d ys e p a r a t e l y ；s e l d o mr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d eo n c o n s i d e r i n gt h es y s t e ms t r u c t u r e sa n df u n c t i o n s t h ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h e g a d - c o n n e c t e di n v e r t e r sw i t hl c l f i l t e r sw e r ed e g r a d e db yt h er e s o n a n c ef r e q u e n c y w i t h o u ti d e a ls o l u t i o n sf o rl o n g o nt h eo t h e rh a n d t h eo p e r a t i n gm o d e st r a n s f e ri sa n e w s u b j e c to fo n g o i n gr e s e a r c h e s f o c u s i n go nt h er e q u i r e m e n t sf o rf u e l e e l ld gt h i s p a p e rh a sd i s c u s s e dt h e o p e r a t i n gm o d e sa n dt h ei n v e r t e rs t r u c t u r e sf o rt h ep o w e rs y s t e m s as u i t a b l es y s t e m s t r u c t u r ea n dt h ep o w e rm a n a g e m e n t sh a v eb e e np r e s e n t e d t h es y s t e mm o d e l s 。 c o n t r o ls t r a t e g i e s a n df i l t e r d e s i g n m e t h o d sf o rs t a n d a l o n eo rg r i d c o n n e c t e d o p e r a t i n gm o d e sa r ea l s og i v e nh e r e a st ot h es w i t c h i n gf r e q u e n c yd e p r e s s i o nf o rt h ep w m i n v e r t e r , t h ec h a r a c t e r i s t i e s o ft h el c l - f i l t e ra n d i m p a c t so ni n v e r t e rs y s t e mc o n t r o la r ea n a l y z e di nd e t a i l f o rt h e c u r r e n tc o n t r o lo ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r , t h ep r o b l e mo fl o wb a n d w i d t ha n dg a i n r e s u l t e df r o mt h e l c l - f i l t e rr e s o n a n c ef r e q u e n c yb yt r a d i t i o n a lc u r r e n tf e e d b a c k c o n t r o lh a sd e m o n s t r a t e d n o v e lc u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d sw h i c ha p p e a ra s c u r r e n tw e i g h t e da v e r a g ea n ds p l i tc a p a c i t o rm e t h o dh a v eb e e np r e s e n t e d t h en e w c o n t r o lm e t h o d sc a nc r e a t et w oz e r o st o c o n t a c tt h ee f f e c t so ft h et w op o l e si n l c l f i l t e r c o n s e q u e n t l y , t h ev - i 仃a n s f e rf u n c t i o no ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r s y s t e mw i t ht h el c l - f i l t e ri sd e g r a d e df r o mat h i r d - o r d e rf u n c t i o nt oaf i r s t o r d e ro n e t h e r e f o r et h ec l o s e d l o o pc u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mc a nb eo p t i m i z e de a s i l yf o r m i n i m u ms t e a d y s t a t ee r r o ra n dc u r r e n th a r m o n i cd i s t o r t i o n s a sw e l la st h es y s t e m s t a b i l i t y f o ro p e r a t i n gm o d et r a n s f e rc o n t r 0 1 t h i sp a p e rp r o p o s e sf o u rn e wt r a n s f e rc o n t r o l a l g o r i t h m s b a s e do n v o l t a g ea m p l i t u d er e g u l a t i o n ，v o l t a g ep h a s er e g u l a t i o n ， i n s t a n t a n e o u sv o l t a g er e g u l a t i o na n dc u r r e n tr e g u l a t i o nf o rt h ef u e le e l li n v e r t e r s 。t o i m p l e m e n tf o r c e dc u r r e n tc o m m u t a t i o nb e t w e e nt h eg r i da n dt h ei n v e r t e rd u r i n gt h e t r a n s i t i o nf r o mg r i d c o n n e c t e dm o d et os t a n d a l o n em o d e t h ea l g o r i t h m sa n dt h e i r t r a n s i t i o np e r f o r m a n c e sh a v eb e e nd e s c r i b e da n dd i s c u s s e d s i m u l a t i o n so ft h e t r a n s f e rc o n t r o la l g o r i t h m sw e r ec a r d e do u ti np s p i e et ov e r i f yt h em e t h o d s f i n a l l y t h ei n v e r t e rd e s i g na n dt h ep r e s e n t e de o n t r o ls t r a t e g i e sh a v e b e e n e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e do n a5 k wd s pc o n t r o l l e dr u e le e l l i n v e r t e r k e y w o r d s ：f u e lc e l lg e n e r a t i o n ，i n v e r t e r s ，c u r r e n tc o n t r o l ，v o l t a g ec o n t r o l ， s e a m l e s st r a n s f e r , i n t e r c o n n e c t i o n ，h a r m o n i c s ，l c l f i l t e r , s t a n d - a l o n e 浙江大学博士学位论文 第章绪论 1 1 燃料电池发电 第一章绪论 能源是人类赖以生存的基础，是社会经济可持续发展的物质保障。人类为了 更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革 命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一 次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一 是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受 卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有3 3 , - - - - 3 5 ，一半以上的能 量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量 的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术 在不断地升级，如丌发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃 烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压 远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有3 5 左右，大规模的污 染仍然没有得到根本解决。 近年来，能源紧缺、环境污染等问题的日益严重，可再生清洁能源的利用、 能源多元化以及先进高效的能源利用技术已经成为人类社会可持续发展的必然 要求，因而对于太阳能、风能以及氢能等丌发利用已日渐加快，新型分布式发电 技术也越来越受到人们的重视。其中，燃料电池发电尤其成为当今研究开发的热 点之一2 圳。 燃料电池是将化学反应中产生的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有 燃料利用效率高、功率密度大、环保无污染、容量可根掘需要而定等多种优点， 可以作为并网发电装置与后备电源应用。特别在分布式发电系统中，燃料电池与 太阳能、风能、水能等可再生能源相比由于不受地域等因素的限制，更适合应用 于各种不同的场合和保证关键负荷的运行，因此燃料电池并网发电系统具有广泛 的应用前景b 6 。 大型电站火力发电机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型 机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴近用户，因此只好集中发电由电网输送 给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应用户的需要，电网随着用户的 用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只 l 浙江大学博十学位论文第一章绪论 好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效 益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近7 0 被浪费，燃烧时还会排 放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能， 发电效率可达4 0 - - , 6 0 。如果应用于企业、饭店、宾馆、家庭，采用热电联产 联用，输热和输电损失极小，综合能源效率可达8 0 以上埔9 | 。 燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的 动力装置。国际能源界预测，燃料电池是2 1 世纪最有吸引力的发电方法之一。 我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容 量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发 燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将 给我国带来巨大的经济效益。 燃料电池产生不稳定的直流电，必须配备功率变换器( p c u ) ，来调节、控制 和管理电源输出，以得到符合要求的交流电能。为满足燃料电池发电应用的要求， 针对燃料电池发电的电力电子变换装置与技术的研究与开发己成为一项重要的 课题。这正是当前各个国家研究的热点，也是我国国内燃料电池发电技术中最薄 弱的环节之一。 逆变是燃料电池并网发电的重要环节，直接关系到电源系统的电能质量、安 全和可靠性等。尽管燃料电池并网逆变与太阳能、风能并网逆变相类似，迄今也 已取得不少研究成果叫，但仍有不少问题需进一步研究解决，特别是燃料电池的 特点使其具有更高的应用环境适应性和并网与独立运行要求j 射。因而对燃料电 池并网逆变技术的深入研究十分必要。 本文将针对燃料电池在分布式电源系统的应用要求，着重于探讨电源系统并 网发电的逆变系统结构和控制技术问题，进行深入的理论分析、设计和实验研究。 1 1 1 燃料电池原理与分类 燃料电池是将化学反应过程中产生的化学能直接转变为电能的电化学装置 【1 1 。它通过氢气和氧气结合的电化学反应生成电能和热能。燃料电池的基本单元 由电解质以及连接到电解质两侧的多孔渗水阴极与阳极组成。图1 - 1 所示为燃料 电池的基本原理以及反应物流向。 2 浙江大学博上学位论文第一章绪论 燃料 空气 水 图1 1 燃料电池原理示意图 在典型的燃料电池中，气态氢燃料连续不断地流向阳极室( 负电极) ，而氧 气则连续地流向阴极室( 正电极) 。在电极表面催化物的作用下发生反应，阳极 氢分离出带电的质子通过电解质从一个电极转移到另一极，而电子则通过外电路 实现转移，从而形成电流。在阴极质子氢与氧结合，生成水和热，排出燃料电池。 理论上只要不断地施加燃料与氧气，可以连续不断地输出电能。 除采用氢气作为燃料外，燃料电池还可以用天然气、甲醇、汽油等其它碳氢 化合物作燃料。由于电解质的不同，燃料电池有多种不同类型。按电解质不同主 要可分为五种类型：1 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 2 ) 碱性燃料电池( a f c ) 3 ) 磷酸燃料电池( p a f c ) 4 ) 熔盐燃料电池( m c f c ) 5 ) 固体氧化物燃料电池 ( s o f c ) 等。表1 1 所列为五种主要类型的燃料电池及其相应的反应条件和特 性【2 1 。 表1 - 1 燃料电池的类型 类型 j i p e m f cp a f c- i c f cs o f c 碱性燃料质子交换膜磷酸燃料电熔融盐燃料电固体氧化物燃 电池燃料电池池池料电池 工作温度 6 0 一1 2 01 6 0 2 2 06 0 0 。1 0 0 0 特性 无污染排 污染排放污染排放小；热利用方便；噪热利用方便；噪 放；效率小；噪音低； 噪音低；费用 音低；无需外部音低；无需外部 高：制造采用固体电高；连续运行气体配置；腐蚀气体配置；腐蚀 成本高介质：效率下降；性电解液性电解液； 电解质氢氧化钾质子可渗透 磷酸 锂和碳酸钾固体陶瓷体 溶液 膜 燃料 纯氢 氢、甲醇天天然气等天然气、煤气、天然气、煤气、 然气等沼气等 沼气等 电效率 6 0 一9 0 4 3 5 8 3 7 4 2 5 0 5 0 6 5 浙江大学博上学位论文第一章绪论 最基本的燃料电池结构称为电池单元( c e l l ) ，电池单元的电压在理想条件 下由燃料的电化学动力特性决定。在标准温度与压力条件下，由氢气与氧气反应 产生的理论电压为e 。当反应生成物为液态水时，e o = 2 2 9 v ；当反应生成物为 汽态水时，e o = 1 1 8 v 。电池实际电压受到温度、气压等因素的影响，可以由能 斯脱方程( n e r n s te q u a t i o n ) 给出， e ：矿+ 丝i n 生+ 坚1 n 、厍 ( 1 1 ) 2 f 晶：d 2 j 2 其中，厅为气体常数，丁为绝对温度，尸为法拉第常数，易，为氢气压强，易，o 为 液态或汽态水的压强，而最则为氧气的压强。 电池单元输出电流大d , n 由电流密度和面积决定。通过多个单元的串联与并 联，构成燃料电池电堆，得到满足负载要求的足够的电压与电流。 燃料电池应用系统除了电堆外，还必须配备燃料与空气处理、温度和压力的 调节、水与热的管理以及功率变换等多个处理子系统。这些子系统工作是密切相 关的。燃料电池电源系统的设计与运行性能也依赖于各个子系统，其运行成本、 效率等常常是各环节折衷与整体优化的结果。 图i - 2 所示为一个以甲醇为燃料的燃料电池系统原理框图。甲醇经雾化和 重整提取氢气，在燃料电池电堆中氢气与压缩空气中的氧气反应生成水和热。水 反应物捧出到水罐，部分用于甲醇雾化。燃料电池运行过程产生的热量则通过制 冷循环 | 出。 图卜2 一个甲醇燃料电池系统的构成 4 浙江大学博十学位论文第一章绪论 1 1 2 燃料电池的特性与优点 燃料电池的输出特性与蓄电池有一些类似，但有本质的区别。与蓄电池类似， 燃料电池单元输出为直流电，有确定的正极与负极。通过多个单元的串联与并联 可以使电压或电流线性叠加。但燃料电池发电装置只能以正向电流输出能量，不 能电流反向输入电能，这是与蓄电池完全不同的。 燃料电池特性受到温度、气压、电池结构材料、燃料纯度以及负载等因素的 影响。 1 燃料电池静态输出特性 图1 - 3 显示燃料电池在标准条件下给以固定的燃料流量时，典型的燃料电池 电流密度与输出电压的关系。这是在稳定的输出电流电压下的静态特性。从图上 可以看到，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有明显的下降，燃料电池电 压特性可明显地分为三个不同特性的区域：活化区、欧姆极化区和密集极化区。 其中，活化区是燃料电池在产生电流前使反应物激活所付出的电压损失，其电压 损失随着电流密度的增加而指数增大，但其主要是在电流密度较小的阶段表现突 出，当电流较大时活化电压损失相对地不再明显；欧姆极化区是电流流经燃料电 池电解质和电极材料时的内阻电压损失，符合欧姆定律，随着电流密度的增加电 池端电压呈现出近似线性下降的规律；密集极化区是当电流密度的增加达到某种 程度时，反应物进出电极表面参与反应的流量受限因而造成电压加速下降。通常 燃料电池正常工作时处于欧姆极化区内，电压随负载变化较大。 兮 、， 崮 脚 长 蒋 o0 z0 40 60 8 1 0 。 电流密度( a c m 2 ) 图卜3 输出静态特性 2 燃料电池的动态特性 燃料电池的动态特性主要表现如下： ( 1 ) 功率输出响应慢 浙江大学博士学位论文第一章绪论 前述燃料电池的静态特性是在固定的燃料压力与流量条件下的电压电流特 性。实际应用中，负载的持续和变化将对前述条件产生影响，控制系统需根据运 行状况做相应的调节。当负载条件变化时，如负载电流突然加大，燃料电池系统 需对燃料流量、压力作调节，而这一调节过程往往具有较大的时间常数n3 。，才能 得到新的稳定输出。相对于负载变化而言，燃料电池的功率输出响应速度一般不 能适应负载要求。如果仅由燃料电池来供电，负载突变还易引起燃料电池寿命下 降3 ，因此电源系统需配备能量缓冲环节，如蓄电池等。 ( 2 ) 电流纹波的影响 基于上述类似的理由，低频电流纹波是有限制要求的，因其对燃料电池的 效率产生不利影响。当输出存在低频电流纹波时，根据燃料电池的输出特性， 燃料电池的输出电压和输出功率也相应地有波动，由于调节速度慢，燃料流量 必须设置到峰值功率所对应的流量值，在峰值功率之外的工作点上，燃料的利 用率则下降。同时电流纹波还将在内阻上产生纹波电压以及附加损耗n 毛1 6 1 。 当电流纹波频率较高时，如l o k l - l z 以上，纹波的限制逐步放松。这种特性 与其内部的等效并联电容有关。 3 燃料电池优点 与其它发电方式相比，燃料电池具有以下优点： 1 ) 转换效率高。燃料电池的能量转换效率比热机能量转换效率高得多。目 前汽轮机或柴油发电机的效率仅为3 0 - - 4 0 ，而p e m f c 等燃料电池的发电能效 可达到4 3 5 8 ，如果采用热电联合方式，整体效率可达到8 0 。 2 ) 污染小、噪音低。燃料电池作为发电装置使用时，其突出优点是污染排 放低。对于氢燃料电池，其发电生成物只有水，可实现零污染。此外，燃料电 池发电无传统热机引擎等机械传动部分，故运行环境无噪声污染。 3 ) 模块化、可靠性高。燃料电池发电装置可以根据用户需要灵活配置输出 电压和功率容量，具有很好的积木化特性，采用模块化结构可方便组装和维修。 与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池发电系统其转动部件很少，因 而系统更加安全可靠。 4 ) 功率密度高、可移动性好。燃料电池发电的功率密度较高，发电装置可 根据需要灵活配置，体积小，环境适应性强，适合城市集中用电区域，并易于 实现便携、移动。 5 ) 适用能力强。燃料电池可以使用多种多样的燃料，如天然气、煤气、甲 醇、乙醇、汽油以及其它传统发电不易使用的低质燃料，适用能力较强。 6 浙江大学博上学位论文第一章绪论 1 1 3 燃料电池发电应用 燃料电池的可应用领域非常广泛，主要应用形式有： 1 ) 发电站( 中心发电站) ，容量为1 0 0 m 1 i 一3 0 0 m w 。燃料电池发电代替传统 的火力发电可充分发挥其高效率、低排放的优点，具有很好的发展前景。 2 ) 移动、便携式电源。包括燃料电池汽车等，燃料电池可广泛应用于各种 有便携、移动要求的独立电源系统，如航天飞行器、潜艇、便携式电脑和仪器等。 3 ) 分布式发电系统( 包括热电联合系统) 。由于燃料电池具有污染小、噪音 低、模块化和可靠性高等特点，具有很好环境适应性，在未来分布式发电应用中 将大有作为。 对于燃料电池发电系统的研究和开发，美、日和欧洲发达国家走在前列n 7 ，1 8 1 。 美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子 交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力 部门使用，其中磷酸燃料电池( p a f c ) 已达到”电站”阶段。已建成兆瓦级燃料电 池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城 市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应 用于医院、饭店、宾馆等。加拿大、韩国以及欧洲许多国家也在燃料电池的研究 与应用上取得了很大进展。 1 1 4 燃料电池分布式电源系统特点及其对并网逆变的要求 电力工业集中供电的模式由于规模效益，发电厂( 站) 规模都很大，而且远离 用户，电力要通过高压线及变电站输送到用户。分布式发电系统相对于传统集中 式供电系统的不同在于其以较小的规模、分散的方式分布到供电网中，或独立运 行为本地负载供电。分布式发电方式与传统的大型机组、大电网相结合有利于提 高电网的整体效益，并提高用户供电的可靠性。 医院、数据中心、通信枢纽、商业大楼、政府要害部门、化工和精密制造工 厂等用户，对于电力供应的可靠性和质量要求很高。采用用户端就近配置的分布 式发电系统，不仅有利于解决集中式供电所产生的长途输电损耗和峰谷用电造成 的传输瓶颈，而且可在电网崩溃和意外灾害情况下保证重要用户的连续供电。这 对计算机、通讯、连续自动化生产过程等系统非常有利，因为它减少了由外部电 网中断所可能引起的事故。 此外，偏远地区用电负荷小而分散，电网建设投资大、线损大，并且电力不 稳定；而城市中心限于供电线路也存在增容困难问题。采用分布式发电系统就能 有效地解决这些地区的电力供应问题。 7 浙江人学博上学位论文 第一章绪论 燃料电池分布式发电就是属于分布式供电系统的一种。燃料电池的高效率、 高功率密度、模快化、环保和可靠稳定等特点，使其在分布式发电应用中具有独 特的优势。相比于其它形式的分布式发电系统，燃料电池分布式发电系统具有以 下特点： 1 ) 燃料电池分布式发电系统发电效率高，并且效率与规模无关，可根据用 户和本地电网需求而增减发电容量； 2 ) 燃料电池分布式发电系统体积小、环境污染小，因此可以在用户端就近 配置，长时间运行。传统的燃油发电机效率低、空气和噪音污染重，在目前城市 环境中，仅作为应急供电措施。而风能、太阳能和水力等再生能源则受限于地域、 气候等条件，较难靠近用户尤其是城市用户。 3 ) 燃料电池分布式发电系统与太阳能、风能、水能等可再生能源相比，不 受天气和时间等因素的限制，可持续、稳定、可靠地发电运行，更能满足电网调 峰和用户供电保障的要求。 燃料电池分布式发电系统的上述特点，将使其成为未来分布式发电的最主要 的形式。同时，上述特点也对燃料电池分布式发电系统的并网逆变提出了更高的 要求： 首先，燃料电池并网逆变必须兼具并网发电和独立运行保障本地负载供电两 种工作模式。选择合适的系统结构和控制，是关系到电源系统的性能、成本和效 率的关键因素。 其次，燃料电池并网逆变必须能实现并网发电和独立运行两种运行模式的快 速切换，满足敏感负载对供电连续性和供电质量的要求。因此，针对并网逆变系 统的结构和运行特点，采用合适的切换控制策略是必要的。 以往对这两个方面的研究和工程应用常常是分开的，如大多数现有的风能和 太阳能发电系统，很少有人从结构上、功能上将两者放在一起考虑。而保障本地 负载连续供电的并网发电与独立运行的模式切换问题则更是一项新的研究课题。 1 2 并网逆变器的要求和相关标准 作为分布式电源的燃料电池电源系统具有两种运行模式：1 ) 并网运行，可 以持续向电网输送能量，或在在电网用电高峰时实现“削峰”和平衡电网负荷的 作用；2 ) 独立运行，即在电网异常时脱离电网独立运行，为本地重要负载提供 持续的电力。因此，并网逆变器也相应地需满足不同运行模式下各自的要求和现 有的相关标准。 8 浙江大学博上学位论文第一章绪论 1 2 1 并网发电 随着分布式系统的发展，越来越多的分布式发电系统连接到电网上，在一定 程度上对电网产生影响。因此国际上相关部门针对分布式发电系统制定了一系列 的技术尺度和并网要求。2 0 0 3 年6 月发布的i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 ( i e e es t a n d a r d f o ri n t e r c o n n e c t i n gd i s t r i b u t e dr e s o u r c e sw i t he l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ) 是第一个规范燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设备这类分布式 电源系统并网的标准射。 i e e es t d1 5 4 7 2 0 0 3 考虑的是容量不超过i o m v a ，工作频率为6 0 h z 的分布 式发电系统。所以针对5 0 h z 市电研究，将根据该标准按比例修改后作为参考。该 标准所关注的是技术规范、测试规范以及并网连接本身，它包括通用的技术指标、 异常响应情况、并网波形质量、孤岛、保护措施、并网维护、测试标准等。下面 是标准中关于并网的几个重要技术指标和要求。 1 电压异常反应和反应时间 并网工作时，电网电压正常范围为标准电压的8 8 一1 1 0 ，当电网相电压超出 正常范围( 如表卜2 所示) ，并网系统应该立即检测出并在规定的响应时间脱离 电网。 表卜2 并网系统电压异常响应时间 电压范围响应时间 ( 额定电压百分比)( 周期) v 5 0 6 5 0 v 8 8 1 2 0 8 8 3 0 5 7 00 1 6 9 浙江大学博上学位论文 第一章绪论 l 6 0 50 1 6 3 并网电流谐波要求 并网系统不允许对电网造成污染，要求注入电网直流分量不能超过交流额定 值的0 5 ，另外对交流谐波的要求如表卜4 所示。 表1 - 4 并网电流谐波指标 谐波次数( h )h l11 1 h 1 71 7 h 2 3 2 3 h 0 a q = 0 ( 2 1 ) b ) 有源滤波方式，即燃料电池关闭，逆变器输出有功功率为零，无功功率 ( 包括谐波电流) 满足本地负载的需求，电网向负载仅提供有功功率，功率因数 接近1 。此时 尸1 = o q 1 = q 2 心= 一p 2 a q = 0 ( 2 2 ) c ) 联合供电方式，即燃料电池电源系统提供负载一部分有功功率和全部无 功功率( 包括谐波电流) ，电网向负载提供其余部分有功功率，功率因 数接近l 。此时 尸l = 尸2 + 肿 q1。=q2(2-3) 胪 皇生 ：(318l 13 6 m h 8 ) 生= ， ( 3 1 ) 4 hp 4 2 0 一上一(姐后呙砖 浙江大学博士学位论文 第三章独立运行逆变控制 3 ) 滤波电容无功电流限制 由式3 1 0 滤波器衰减特性决定滤波器电感l 和电容c 存在相互关联。电容 越大，则电感l 可减小，但大电容使逆变开关电流和l 电流增加，降低逆变效 率。因此需根据无功电流的要求( s m 戤) 限制电容c 的取值： c 逸( 3 19 ) 国lv d 2 4 ) 滤波器设计的其它考虑 除上述几个主要考虑因素外，滤波器设计还需顾及滤波器成本与体积，由于 电感成本与体积远高于电容，因此滤波器设计时希望输出电感量较小而增大电 容，这与前述几个方面对电感的要求相矛盾，实际设计时必须在成本和性能上折 衷。 综合以上l c 滤波器的设计要求，本文为5 k w 电源系统设计的滤波器参数如 下： 滤波电感：l = 1 5 5 0 , u h - 滤波电容：c = 1 2 , u f 此时滤波电感的最大电流脉动屯口为： = 去= 4 x 1 5 5 0 x 1 0 1 0 _ - 6 x 1 6 0 0 0 4 0 3 ( 彳) ( 3 - 2 0 ) 缸一，2 硕2 4 u 3 2 u l c 滤波器的转折频率为： z2 面1 1 2 k h z ( 3 - 2 1 ) 满载时阻尼比( 为： 孝= 去抬一o 5 7 7 ( 3 - 2 2 ) 3 5 控制参数设计 本文在此所采用的独立运行逆变控制方法为电压瞬时值控制。为了保证输出 电压有效值精度，在瞬时值环外面加了个平均值环来对输出波形的幅值进行调 整。系统的控制框图如图3 3 所示。图中h l 和h 2 分别为内环和外环的反馈系数。 1 瞬时值内环参数设计 由于被控系统是个二阶系统，轻载时在转折频率磊处增益存在尖峰，相位滞 后接近1 8 0 。，而内环采用的是p i 控制器，因此在设计p i 控制器的参数时，把 p i 控制器的零点设置在滤波器的转折频率附近，以限制增益。 4 3 浙江人学博上学位论文第三章独赴运行_ i 藿冀鳖制 确定补偿后的系统控制回路的穿越频率，：时需同时兼顾系统稳定性和系统 带宽。在图3 7 中画出了补偿前后系统幅频特性的示意图。其中曲线1 为补偿前 被控系统的幅频特性，曲线2 为p i 控制器的幅频特性，曲线3 为补偿后的系统 幅频特性。从曲线3 中可以看到，补偿后的幅频特性在低频段以每l o 倍频- 2 0 d b 下降，并穿越0 d b 增益线，过了滤波器的转折频率后以每1 0 倍频一4 0 d b 下降， 保证了对高频段的衰减。 增益j i3 厂 ， 火 v# f n7 - - 2 0 d _ d e e 芦c 图3 - 7 补偿前后幅频特性不恿图 在确定穿越频率正时，如果穿越频率选得比较低，则在低频段的增益比较小， 会影响系统的快速跟随性能；如果穿越频率比较靠近滤波器的转折频率，则在低 频段可以得到比较大的增益，改善系统的快速跟随性能。但穿越频率靠近滤波器 的转折频率时，在阻尼比f 较小( 逆变器空载或轻载) 的情况下，转折频率及其 邻近频率的增益有可能大于l ，同时也会使补偿后的相角裕度变小。 从上面分析可以得到下面结论：穿越频率往低频靠，可以提高系统的稳定性， 但会使快速跟随性能变差；如果穿越频率往滤波器转折频率移，可以改善系统的 快速跟随性能，但会使系统不稳定。所以在确定穿越频率时，只能在系统稳定性 与系统动态响应中得到一个折衷的方案。 这里选择穿越频率约为转折频率的十分之一，p i 调节器为： g ，f ，s ) ：k , p s + k ( 3 2 3 ) s 内环p i 控制器的参数为：k 口= j 7 8 x1 0 一，k ，= j 8 3 。 据此设计的内环p i 控制器，可以画出系统补偿前后的伯德图，如图3 - 8 所 示。图中，实线为负载电阻r - - 2 0q 时的幅频特性，虚线为负载电阻r = 1 0 0q 时的幅频特性；从相频特性图可以读出补偿后在穿越频率( 1 2 0 h z ) 附近丌环相 角裕度接近为9 0 。，表明闭环系统是稳定的。 4 4 浙江大学博上学位论文第三章独立运行逆变控制 4 0 2 0 o - 2 0 - 4 0 6 0 相位0 ( 度) - 6 0 1 2 0 一1 8 0 2 4 0 3 0 0 。 、止： 、 。 频率( h z ) 图3 - 8 系统补偿后开环传函的伯德图 由图3 8 可知，系统还存在着低频增益太小的问题，将造成系统输出跟踪参 考电压的稳态误差较大。但如果为此问题而增加p i 环节的增益，则相应地会引 起中频段增益增加，在滤波器的转折频率处，幅频特性曲线将会出现第二个穿越 点，系统将因相位裕度不足而出现不稳定，尤其在负载较轻时系统阻尼更小。因 此，必须由其它措施来改善系统特性。 采用平均值外环的目的就在于改善系统输出稳态精度。 2 平均值外环设计 在设计平均值外环时，把内环闭环作为被控对象。外环的控制框图如图3 - 9 所示。外环的参考值是输出电压的参考幅值，反馈量是输出电压的幅值信号，这 两个都是直流量。由于外环仅调节输出电压的幅值，外环的输出只是改变内环参 考正弦波的幅值。从控制的角度看，被控对象的输入是5 0 h z 正弦波的幅值，输 出也是5 0 h z 正弦波的幅值，实际上被控对象的传递函数就是内环闭环传递函数 幅频特性上5 0 h z 频率对应的增益。所以可以把图3 - 9 中虚线框的部分等效成一 个近似为1 的比例系数k w 。 4 5 浙江大学博一1 j 学位论文 第三章独立运行逆变控制 图3 - 9 平均值外环控制框图 在设计外环控制器时，把外环的反馈系数当成l ，即h 2 = i 。外环p i 控制器 零点的频率厶设置在1 0 0 h z ，即厶= l o o h z ，转折频率厶设置在1 0 h z ，即 工。= l o h z 。所以外环p i 控制器有为： 瓯。俐= k w p s + k , ( 3 - 2 4 ) 其中，k 即= 0 1 0 7 ；k = 6 2 2 。 3 6 独立运行线路仿真 仿真试验通过p s p i c e 软件实现的，逆变器采用单相半桥式，单相负载功率 为5 k w ，直流侧电压为4 0 0 伏，负载电流为0 - 2 3 a ，逆变器开关死区时间设为2 u s ， 其它逆变设计参数由上节确定。 图3 1 0 所示为仿真逆变器在独立运行时的电压输出电压波形，和电网电压 波形。负载为4 a ( 轻载) ，总谐波失真为1 1 。图3 2 7 为仿真逆变器在负载变 化时动态响应逆变输出电压和电流波形( 负载变化为0 1 0 h ) 。 厂天 一逆变电压： 八i 电同电压、 i 乡。 3 0 0 m s 4 0 o w n s 5 0 0 m s 时间 图3 - 1 0 仿真逆变器在独立运行时的输出电压波形( 负载4 a ) 浙江大学博十学位论文第三章独立运行逆变控制 l、 、雩变电压、 、 ，、l二 l负蔽l h 流 | v 逆变电流 突歹 j 帆z ，- j1 7 r - ，7 翮 uv y v 2 0 m s4 0 m s6 0 m s8 0 m s 1o o m s12 0 m s 时间 图3 - 11 仿真逆变器在独立运行时负载变化动态响应输出( 负载0 到l o h 到0 ) 由图3 - 1 0 与图3 - 1 1 仿真波形显示，根据上节设计参数的逆变器具有良好的静 态和动态性能。 3 7 本章小结 本章探讨了独立运行逆变系统的模型和控制方法，给出了输出滤波器的性能 和参数选择依据，介绍了电压瞬时值内环和平均值外环反馈控制的性能和设计方 法，并给出了独立运行逆变控制参数。采用计算机仿真试验对独立运行逆变系统 及其控制方法做了验证。针对独立运行逆变器的系统特性分析和控制设计为并网 逆变系统分析和控制提供了基础。 4 7 浙江大学博十学位论文第四章并嗍逆变系统输出滤波器 第四章并网逆变系统输出滤波器 4 1 逆变器并网运行结构 p w m 并网逆变器的应用包括有源滤波器a p f 、静止无功补偿、太阳能发电、 风力发电以及燃料电池发电等多种电源系统。在中小容量的系统中，通常采用 p w m 的电压源逆变器，将直流电压转换为交流电并将电能馈入电网。本章将依据 图2 - 7 所示的结构，探讨并网逆变系统的输出滤波器的特性问题。 图4 1 单相并网逆变电源系统 图4 - 1 所示为采用l c l 滤波器的单相并网逆变器的结构。前面第二章已经提 到，与单电感l 型滤波器相比，l c l 滤波器可以在高频段实现更快速的信号衰减。 换言之，采用l c l 滤波器可使逆变器在较低的开关频率( 如5 k h z ) 条件下满足 电流谐波衰减要求，这一特性在较大功率燃料电池发电、风力发电等逆变器应用 中尤其重要。 下文对于并网逆变系统的研究将基于图4 一l 所示的5 k v ap w m 控制电压源逆 变器。 4 2l c l 滤波器 电能质量的相关国内和国际标准要求并网逆变器应控制馈入电网的电流接 近正弦波，且各次谐波在一定范围内。i e e es t d9 2 9 2 0 0 0 和i e e es t d 15 4 7 2 0 0 3 做了严格的限制规定，要求总谐波失真小于5 ，3 、5 、7 、9 次谐波小于4 ， 1 1 1 5 次小于2 ，3 5 次以上小于0 3 。因此，网侧电流是并网逆变器的首要 控制量，并且为抑制p w m 开关产生的高次谐波，在逆变输出端必须配置滤波器， 如l 型单电感滤波器和l c l 型滤波器。 l 型单电感滤波器在a p f 等系统中应用较多，它可以抑制逆变输出电流的变 化速率，控制电流纹波幅值。l 型单电感滤波器为一阶环节，控制性能较好，系 统易于稳定，并且结构简单。但单电感滤波器对电流纹波的衰减与频率成正比， 4 8 浙江大学博j ：学位论文第四章并网逆变系统输f j ；滤波器 对纹波的抑制能力有限，通常更适用于高频开关的变换器。 l c l 型滤波器在l c 滤波器的输出端增加一个电感，如图4 2 所示。单电感和 l c l 型滤波器的频率特性波特图( 输入电压与输出电流) 可参见图卜9 。由于l c l 滤波器