（电气工程专业论文）三相光伏逆变器及其孤岛检测方法研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c r ： t o d a yt h ep e t r o c h e m i c a le n e r g yi sd e c r e a s i n ga n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti s b e i n gd e s t r u c t e d r e n e w a b l ee n e r g ys u c ha ss o l a re n e r g yi sb e c o m i n gah o ti s s u e p h o t o v o l t a i c ( p t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d t h i sp a p e rf o c u s e so np vg r i d i n v e r t e r s y s t e m a n d e x t e n s i v e l y s t u d i e ss o m e a s p e c t si n c l u d i n gm o d e l a n d c h a r a c t e r i s t i c so fp vg r i ds y s t e m ，t o p o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o do fp vg r i ds y s t e m ， d e t e c t i n gm e t h o df o ri s l a n dc o n d i t i o ni np vg r i ds y s t e m i n v e r t e r sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c et op v g r i ds y s t e m t h i sp a p e rp r o p o s e sm o d e l so f p vs y s t e mw h i c hc a nb eu s e df o rt h e o r e t i c a la n a l y s e s t h em o d e l sp r o v i d eb a s i sf o r s y s t e md e s i g n f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp vg r i dp o w e rs y s t e m ，c l a s s i f i c a t i o na n d t o p o l o g y t h e nr e a l i z a t i o no ft h em a i nc i r c u i to fp vs y s t e mi sd e s c r i b e d a f t e rt h e i n t r o d u c t i o no fa v a i l a b l ec o n t r o ls c h e m e s ，s y n c h r o n o u sp im e t h o di sa d o p t e d t h e r ea r e i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g ys t a n d a r d sr e l a t e dt oi s l a n dd e t e c t i o n a c c o r d i n gt ot h e s e s t a n d a r d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st e s t i n gm e t h o d sf o r 丘e q u e n c ya n dv o l t a g ep r o t e c t i o n 1 1 1 ep r o sa n dc o n so fp a s s i v ea n da c t i v em e t h o d sf o rd e t e c t i n gi s l a n da r ei n t r o d u c e di n d e t a i l t h i sp a p e rp r o p o s e st w od e t e c t i o nm e t h o d sf o ri s l a n da n ds i m u l a t i o ni sm a d eb y m a t l a b e x p e r i m e n t sa r ea l s om a d ef o rv e r i f y i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w o m e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fp vs y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n sa n dm a k e sap v i n v e r t e rt e s t b e do fw i t hc a p a c i t yo f10 0 k w t h i st e s t b e da d o p t st i1 1 1 ep w mr e c t i f i e r p r o v i d e dr e v o l u t i o n a r yi d e aa n dm e t h o df o rt h ep o w e rc o n v e r t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e si n c l u d eh i g hp o w e rf a c t o r , s i n u s o i d a la cc u r r e n ta n db i d i r e c t i o n a lp o w e r e t c 讯sp a p e rc o n s i d e r st r a c t i o np o w e r s u p p l y , e l e c t r i cd r i v ea p p l i c a t i o n ，h a sd i s c u s s e d s e v e r a lk i n do fa d v a n c e dc o n t r o l ss t r a t e g yo ft h ep w mr e c t i f i e ra n di t sd s pr e a l i z a t i o n n i sp a p e ri m p o r t st h ed u m m yn e tl i n k a g ec o n c e p t i o n ，t h r o u g hv o l t a g e ，e l e c t r i c c u r r e n ta n dc o n d i t i o ne s t i m a t ef l u xl i n k a g e t h e nd u m m yl i n k a g ed i r e c t i o nd e t e c t i o n v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sg i v e n ，n e t s i d ev o l t a g es e n s o r l e s sc o n t r o lo fp w mr e c t i f i e ri s r e a l i z e d c o n t r o lp e r f o r m a n c eh a sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l c o n f i r m s m e a n w h i l e , an e wp w mr e c t i f i e rc o n t r o lm e t h o do f8 ke l e c t r i cl o c o m o t i v e i n v e r t e re x p e r i m e n t a ls y s t e mi s p r o p o u n d e d t h e5 0 k wp w mr e c t i f i e ra cs i d ei s c o n n e c t e dt h ei n v e r t e ro u t p u tt h r o u g ht h ei n d u c t a n c e ，p w mr e c t i f i e rd el i n eo u t p u t v p a r a l l e lw i mi n v e r t e rd ci n p u t t h ed e v i c e ，u s i n gf o r e c a s t i n g 删n t 撕h ? e t i c ? d 兰a 孟盼p h a s es t a t i cc o 。r d i n a t e ，c a na c c 。m p l i s h 如1 1 y 1 。a d i n ge x p e r 油耐a n d 0 v e r ? 竺m 皇 m i s s ；a s ef a u l te x p m e n t t h e d e v i c er e a l i z e de 1 1 鹕yr e c 河? 8 吖懿1 = ! 馏o t e x p e 孟砥a 1 渊g y ss y s t 锄a l r e a d y 岫曲t h e 秘v a l a n d p u t 叩。p 耐1 0 n m m ：s c e n e ，h a st h em e r i t 。f 酏m c t u r es i m p l e , f r e e c o n t r o l ，e n e r g ys a v i n ga n dl 1 0 1 s e r e d u c t l 。m ；i s l a i l e 胁；s y n c h r o n o u sp i ；k e y w o r d s ：g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m d i n g 一 ；l s l a i l e i i e c l ； i n v e r t e r ；d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 c l a s s n o ：t m 6 1 4 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：签字闩期：年月日 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 殇诵导师签名：旃_ j 、堂一 黝口尹7 嘛 期：砂降 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师游小杰教授的悉心指导下完成的，游小杰教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 游小杰老师对我的关心和指导。 贺明智老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向贺明智老师表示衷心的谢意。 林飞副教授、郝瑞祥副教授、孙湖讲师、黄先进讲师和王琛琛讲师对于我的 科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢北京交通大学电气工程学院电力电子所的全体老师，他们为研究所的全 体研究生提供了一个团结、严肃、和谐的研究环境和学术研究氛围。 在实验室工作及撰写论文期间，高吉磊、文晓燕、韦克康、郭超勇、赵坤、 刘宏亮等同学对我研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母、家人和所有的亲戚朋友，他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业。 绪论 i 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，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各 国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏( p h o t o v o l t a i cp v ) 发电技术得到了 持续的发展，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光 伏发电并网逆变系统的研究，对于缓解能源和环境问题，研究高性能分布式发电 系统，开拓广阔的光伏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 课题研究背景和意义 能源是人类经济及文化活动的动力来源。世界文明史上，人类不断地从自然 界索取，探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明 的进步步伐。从原始社会开始，化石燃料逐步成为人类所用能源的主要来源，这 种状况一直延续至科技发达的现代社会，随着人类对能源需求的日益增加，化石 能源的储量正同趋枯竭。地球上可供人类使用的化石燃料资源是有限的和不可再 生的。根据联合国能源署报告，按可开采储量预计，煤炭资源可供人类使用2 0 0 年、天然气资源可供人类使用5 0 年、石油资源可用3 0 年，就是说如果不加控制， 人类即将在短短数百年中把地球在若干亿年中储藏起来的化石能源消耗殆尽，同 时对人类自身的生存环境造成破坏。 大量的使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。据联合国政府 间气候变化专业委员会( i p c c ) 的最近一项科学研究表明，人类所排放的c o z 和其它 温室气体到达本世纪术将使全球平均气温上升1 4 - 5 8 c ，科学家已经发现全球 气温正在变暖，极地冰川正在融化。这一趋势将影响到天气模式、水源、四季的 更替、生态破坏以及引发极端天气。为了使人类免受气候变暖的威胁，1 9 9 7 年1 2 月，在日本京都召开的联合国气候变化框架公约缔约方第三次会议通过了旨 在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书。图卜1 给出了 近若干年来全球c 0 2 排放的迅速增长情况比1 。 能源是人类经济社会生活的命脉，随着人类社会的共同进步，全球能源的需 求量必然继续增加。据国际能源委员会预瓣u 2 0 3 0 年世界总需求能源将增力n 6 0 ， 需要4 8 0 0 g w 新增发电量。解决能源需求的增加和环境的恶化是当前人类经济社会 发展中所面临的重大课题，人类必须找到能解决能源需求与环境保护之间的矛盾 北京交通大学硕士学位论文 p o 棚 耱 境 o u 八l r 一 7 ， 一 i 一 ， ，v 一 年份( 年) 图1 1 二氧化碳逐年释放量 f i g 1 - 1r e l e a s eo f c a r b o nd i o x i d ee a c hy e a r 的途径，并且现在就必须行动! 现代整个世界已经就此问题达成了共识，唯一的 出路就是广泛采用新能源技术并为此制定相应的政策。 科学家预计，2 1 世纪最主要的能源是核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、 氢能和可燃冰，其中太阳能作为可再生能源的重要组成部分，近年来倍受关注。 针对以上情况，并且从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续 发展战略的理想的绿色能源。太阳能将成为2 1 世纪最重要的能源之一。 太阳能是地球永恒的能源，它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭， 是人类最终可以依赖的能源。太阳能以辐射的形式每秒钟向太空发射3 8 1 0 2 0 m w 能量，其中有2 2 亿分之一投射到地球上。地球上一年中接受到的太阳辐射能高达 1 8 1 0 蝎k w h ，是全球能耗的数万倍。巨大的太阳能是地球上万物生长之源，具有 广泛性、分散性、随机性、间歇性、区域性、和清洁性等特点。在石油、天然气 终将枯竭的今天，太阳能具有可持续发展和绿色环保双重优势。在美国遭遇9 1 1 袭 击后，巨型电网的安全性受到了极大的挑战，因此利用太阳能的分布式能源系统 逐渐受到了各国政府的重视。 我国地处北半球亚欧大陆的东部，幅员辽阔，有丰富的太阳能资源，但随着 纬度和地形、气候条件的不同，太阳能在全国的分布有着很大的差别。中国各地 的太阳能年辐射总量大约在3 3 x 1 0 6 - 8 4 x 1 0 ek j m 2 年之间，其平均值是5 9 x 1 0 6l ( j m 2 年。我国太阳能资源的分布如图1 - 1 所示。 2 图l 也我国太阳能资源分布情况 f i 9 1 - 2 t a e d i s t r i b u t i o n o f a o i a r e n e r g yr 髂m l r o 婚i n c h i n a 其中的深色类地区是太阳能资源丰富和比较丰富的地区，面积约占全国总面 积2 3 以上，浅色类地区属于资源一般和较差的地区。 1 2 太阳能光伏发电 利用太阳能发电的方式很多，主要有通过热过程的“太阳能热发电”( 塔式发 电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热力子发电、热光伏发电、温差发电等) 和不通过热过程的“光伏发电”、“高感应发电”、“光化学发电”及“光生物 发电”等。而光伏发电技术是太阳能利用技术中最具发展前景的方式之。它具 有无污染、无噪声、安全可靠、故障率低、维护简单、容量可小可大、建设周期 短等优点。它既是今后可替代化石燃料的战略性能源，有时目前边远地区能源供 应的一种有效的补充。随着化石燃料的逐渐消耗，太阳能光伏发电技术将越来越 显示出其重要性和发展潜力。 光伏发电的历史如下表： 表l - 1 光伏技术发展历史中的重要事件 t a bl - ip h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i n t h e h i s t o r y 北京交通大学硕士学位论文 时间( 年) 事件 1 8 3 9 1 8 7 3 1 8 7 6 1 8 8 3 1 9 3 0 1 9 3 1 1 9 3 2 1 9 4 1 1 9 5 4 法国物理学家贝克勒尔首次发现酸性水溶液中贵金属电极的 光电效应； s m i t h 在硒片上发现固态电导效应 a d a m s 和d a y 在硒片上发现固态光伏效应 f r i t t s 制成第一个“硒光伏电池”用作敏感器件 肖特基提出c u 。o 势垒的“光伏效应 理论 朗格首次提出用“光伏效应 制造“太阳能电池”实现由太阳 能变成电能；布鲁诺将铜化合物和硒银电机浸入电解液，在阳光下 带动了一个电动机 奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳能电池 澳尔在硅上发现光伏效应 皮尔松和恰宾在美国贝尔实验室首次制成使用的单晶硅太阳 能电池，效率为6 ；韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应，并在玻 璃上沉积硫化镉薄膜制成了第一块薄膜太阳能电池 吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计；第一个光 伏航标灯问世；美国r c a 研究砷化镓太阳能电池 硅太阳能电池效率达n 8 太阳能电池首次在空间应用，装备于美国先锋一号卫星 第一个多晶硅太阳能电池问世 硅太阳电池首次实现并网运行 砷化镓太阳能电池光电转换效率达到1 3 薄膜硫化镉太阳能电池效率达到8 罗非斯基研制出紫光电池，效率达1 6 ；美国宇航公司电场电 池问世 砷化镓太阳能电池效率达到1 5 c o m s a t 研究所提出无反射绒面电池，硅太阳能电池效率达到 1 8 非晶硅太阳能电池问世： 多晶硅太阳能电池效率达到1 0 美国建成l o o k w 地面太阳能光伏电站 单晶硅太阳能电池效率达到2 0 ，砷化镓电池效率达到2 2 5 ， 多晶硅电池效率达到1 4 5 ，硫化镉电池效率达到9 1 5 美国建成1 m w 光伏电站； 4 5 7 8 9 0 2 9 2 3 4 5 6 8 d 3 甾 卯鼹趵眈田 记 乃 m 巧馏 踮 站 鳄 鳄 鳄 鳄 卯 卯 卯 卯 卯 卯 鳃 魄 1 l 1 1 l 1 1 1 l 1 l l l i l 绪论 1 9 8 6 1 9 9 0 1 9 9 5 1 9 9 7 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 3 2 0 0 6 2 0 0 7 1 l 美国建成6 5 m w 光伏电站； 德国提出“2 0 0 0 光伏屋顶计划 ，每个家庭的屋顶安装3 5 k w 光伏电池；日本提出“新阳光计划 ，至t j 2 0 1 0 年日本将生产4 3 亿 w 光伏电池 高效聚光砷化镓太阳能电池效率达到3 2 美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划 ，并计划在2 0 2 0 年完成；多晶硅光伏电池总产量第一次超过单晶硅光伏电池 日本太阳能电池总产量第一次超过美国而居世界之首，其中8 5 用于太阳能光伏建筑集成 世界光伏电池总产量达到2 8 7 m 1 | f ；欧盟计划至u 2 0 1 0 年生产6 0 亿w 光伏电池；日本三洋公司研制的非晶硅单晶硅非晶硅双异质 结太阳能电池效率超过2 1 美国s u n p o w e r 公司推出光电转换率为2 0 的背电极接触电池 ( r e a r - c o n t a c ts o l a rc e l l ) ，实现n 型单晶硅a - 3 0 0 型太阳电池商 业化量产 - 日本s h a r p 公司晶硅太阳电池年产能达至u 5 0 0 m w ，名列世界第一 总部位于中国南京的专业太阳能电池生产商，中电光伏有限公 司成功实现平均转换效率为1 7 5 的s e 选择性发射极电( s e l e c t i v e e m i t t e rc e l l s ) 的大规模商业生产。其采用普通p 形硅片成本低于 三洋公司h i t 和美国s u n p o w e r 的高效电池。 1 3 我国的光伏发电 我国光伏发电技术及市场的发展经历了以下三个阶段： 第一阶段：起步阶段。从7 0 年代中期开始到8 0 年代中期，国家投入了大笔 资金用于支持太阳能电池的研究和系统开发。这一时期由于技术上不成熟，太阳 能电池的产量低，价格昂贵，市场的发展非常缓慢，应用范围也有限。主要作为 小功率电源用于航标灯、铁路信号系统、气象站仪器用电等。在国家的支持下以 及通过国际合作，在许多领域建立了一些示范工程，如部队通信系统、石油管道 的阴极保护系统、微波中继站、光电水泵、农村广播站电源系统等。这一时期的 主要特点是规模小、造价高，资金主要靠国家投入，市场尚未形成，在应用上还 处于示范为主的阶段。 第二阶段：市场形成阶段。从8 0 年代中、后期开始，我国先后从国外引进了 七条太阳能电池生产线，年产量由原来的不足i o o k w 达到了8 0 年代末的约 5 北京交通大学硕士学位论文 5 0 0 k w ，初步具有了规模化生产能力。太阳电池价格也随之下降，由8 0 年代的约 8 0 元人民币一峰瓦降9 0 年代的约4 0 元人民币一峰瓦。太阳电池的降价促使光电 市场的形成，除小功率电源以外，光伏发电开始广泛应用于通信、交通、边远地 区用电、功能也应用、民用产品等各个领域。这一时期，光伏市场开始形成，但 国家的攻关计划以及一些重点建设项目仍在促进光伏发电技术的发展以及市场的 开拓方面发挥着重要作用。 第三阶段：快速发展阶段。经过十多年的科研和示范，光伏发电技术逐步成 熟起来。光伏发电对于解决边远地区及分散居住人口的生活用电的重要作用也被 越来越多的人所认识。自9 0 年代以来，除国家继续在“八五 计划中安排了一些 科研项目以外，光伏发电技术已开始列入国家的电力建设计划，并在一些重大的 工程项目中得到采用，如电力部的无线电县建设计划、西藏阳光计划、林业部的 森林防火通信工程、邮电部的西一兰一乌光缆工程和北一呼一银一兰光缆工程、 西藏2 5 县卫星通信地面站等。更为突出的是，在诸如用光伏电源系统开始直接以 商品的形式进入千家万户，一个真正的光伏发电产品应用市场逐渐形成。从1 9 9 4 年开始，我国的太阳电池产量超过1 m w 。 据不完全统计，至2 0 0 6 年，中国安装的各类光伏系统的累计量已达2 0 0 m w 。 我国光伏并网发电开始于8 0 年代初，大都是较大型的光伏并网电站，规模从 l o o k w 到l m w 不等，都是政府投资的试验性电站。但由于太阳能电池成本过高，其 发电成本很难让电力公司接手。9 0 年代后，国外发达国家掀起“屋顶光伏并网系 统 的热潮，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重 视。2 0 0 4 年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达l 兆 瓦，年发电能力约为1 0 0 万千瓦时。2 0 0 8 年中国太阳能电池产量突破2 0 0 0 m w ，相比 2 0 0 7 年中国太阳能电池产业依然保持了较高的增长速度。2 0 0 8 年北京奥运会，国 家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿 色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体表现。 1 4 光伏并网发电系统的拓扑结构 光伏并网系统的核心是并网逆变器，并网逆变器的基本功能是相同的，即当 光伏阵列输出在较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将其输出的低压直 流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。它实质上是一个有源逆变系统，就 并网系统而言，可以分为电流型和电压型两大类。电流型的特征就是直流侧采用 电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。电压型的特征是直 流侧采用电容进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性。两种电路拓 6 绪论 扑结构如图1 3 的( a ) 和( b ) 所示。光伏阵列输出的大范围变动，主要原因是白天太 阳辐照度的变化，范围在2 0 0 w m 2 到1 0 0 0 w m 2 之问。 广 f 姻 1 与l l lj i 一- c d c 印 上l jtt ( a ) 电流型逆变器拓扑( b ) 电压型逆变器拓扑 图1 3 逆变器拓扑结构 f i g 1 - 3 t o p o l o g yo fi n v e r t e r 光伏并网系统从结构上还可以分为高频和工频两种【3 1 【4 】。工频并网逆变器由于 带有工频变压器而体积很大且笨重。它是先通过d c a c 变换，将太阳电池直流电 能转化为交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成电压匹配以及和电网 的隔离，实现并网发电。工频并网逆变系统结构如图1 - 4 所示【5 1 。 厂一 k ac t dc l 监 1 t 图l - 4 工频逆变器的结构图 f i g 1 - 4 b l o c kd i a g r a mo fi n v e r t e rw i t hl i n ef r e q u e n c y 高频并网逆变器首先通过变换器将太阳电池的直流电升压或者降压转化为满 足并网要求的直流电压，然后通过桥式逆变后直接和电网相连。高频并网逆变器 结构如图所示。 、 dc a c dc r 一 l d n - _ - t i 一 1 图1 5 高频逆变的结构图 f i g 1 5 b l o c kd i a g r a mo fi n v e r t e r 谢t hh i g hf r e q u e n c y 7 北京交通人学硕士学位论文 随着电力电子技术的发展，还出现了一些新的d c a c 拓扑，例如将三个单相 并网逆变器组合成一个三相的并网系统，三相电流单独控制，可以适用于三相电 网不平衡的情况之外，还出现了三电平拓扑甚至多电平拓扑【6 】【7 1 ，它们使用高反压 的功率开关管或将多个功率开关管串联使用，以增加功率器件的耐压能力并减小 系统谐波。对它们的控制相对复杂。 1 5 本文主要研究的内容 本文对光伏并网发电系统中的核心问题进行了较为深入的理论分析和研究。 通过对光伏并网逆变器的控制要求，并在研究了各种光伏并网发电系统的分类和 拓扑结构，介绍了光伏电池的输出特性和孤岛现象，在此基础上设计和实现了一 套单级式的光伏并网实验系统，侧重介绍了各种关于孤岛检测方法的控制算法的 验证和进行了并网运行情况的实验研究，积累了并网运行经验。本文提出了一种 可以在试验系统上得到实施和验证的孤岛算法。本文的工作重点可以总结如下： ( 1 ) 在深入分析了太阳能电池工作原理和特性的基础上，提出了应用于试验的 孤岛检测方法，并且对孤岛状态和常用的孤岛检测方法进行了全面的介绍和讨论， 并针对主动有功干扰法在孤岛中存在供电时的不足之处，提出了一种基于功率扰 动的主动式孤岛检测方法，并对该方法进行了仿真和实验验证。结果表明：该方 法对光伏系统具有很好的检测能力，并且实施简单，对采样精度要求不高，不需 要增加额外的硬件成本。 ( 2 ) 采用同步p i 电流控制为基础的控制策略，满足了光伏并网系统的要求。 系统实现了良好的动、静态特性。电能可以在逆变器交直流两侧进行双向流动， 通过对系统的无功电流给定，系统可以实现无功补偿的功能。 ( 3 ) 由于光伏并网发电系统直接与电网相连，所以需要各种完善的保护措施。 除了通常的电流、电压和频率保护检测外，还需要考虑一种特殊的故障状态，即 孤岛状态。孤岛效应会影响电网那个设备和人员的安全，因此必须对其进行可靠 性的检出。同时，光伏并网系统必须严格符合标准的反孤岛的国际通行的标准。 ( 4 ) 研究和分析了主动有功扰动法和无功补偿法的原理的基础上，采用这两种 方法，分别对其进行了仿真和实验。其结果表明：这两种方法都可以再国际通用 标准所规定的时间内检测出孤岛现象，同时结合过压过频等被动式检测方法，可 以减少系统检测盲区的影响。系统具备反孤岛的能力。 ( 5 ) 有功干扰法的实验具有良好的检测能力，并且对实验设备和采样系统的要 求不高，不需要添加额外的硬件成本。无功补偿法可以实现在孤岛现象产生时对 频率的检测，对电网的干扰比较小。同时还具有能够实时的补偿本地负载的无功 绪论 功率。具有重要的理论意义和实际意义。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 光伏发电系统介绍 将太阳电池阵列产生的直流电馈送给交流电网，其问能量的传递与变换可以 有多种方式。光伏并网发电系统由于功能和性能要求的不同，其相应的配置和逆 变器的拓扑结构也将不同。 并网逆变器主要功能是将光伏电池输出的直流电逆变成交流电并传输到电网 中，根据并网逆变器的拓扑结构和变换级数可以分为单级式、两级式和多级式并 网发电系统，在各种级数的逆变器中又包括了单相半桥或全桥和三相半桥或全桥 拓扑结构【2 2 】。 ( 1 ) 单级式p v 并网发电系统 如图2 1 所示为单级式p v 并网发电系统示意图，逆变器需完成升压、最大功 率点跟踪、a c d c 变换和孤岛检测等功能。经过逆变后的交流电压通过工频变压 器连接到电网上。其中并网逆变器根据系统容量和网侧电压等级和相数又有单相 和三相全桥或半桥拓扑结构。 串并联 电网 图2 1 单级式光伏并网发电示意图 f i g 2 - 1s i n g l e - s t a g eg r i d - c o n n e c t e dp vd i a g r a m 另一类单级式变换电路引入了高频变压器，实现斩波、升压和逆变。如图2 2 所示称为“双向回扫逆变器”( b i d i r e c t i o n a lf l y - b a c ki n v e r t e r ，b d f b ) 。由于主回 路具有双向电流导通能力，该逆变器可以保持输出电流的连续状态。此类电路通 常用在中小功率场合。 单级式p v 并网发电系统控制复杂，系统设计灵活性较差，特别是工频并网变 压器的引入使其造价偏高，在光照强度较弱时由于直流侧无升压电路，造成整体 发电效率降低，但大容量p v 电站建设中拓扑结构固定，直流侧采用大量光伏电池 l o 光伏发电系统介绍 隔 电 图2 - 2 “双向回扫逆变器”电路图 f i g 2 - 2 b d f bg r i d - c o n n e c t e dp vd i a g r a m 串并联，多采用单级式三相并网逆变器结构。 还有一类单机并网逆变器拓扑，采用全桥逆变后通过工频变压器直接接电网。 由于使用了工频变压器，而且太阳能电池母线和电网之间没有能量解耦环节，一 般认为这种拓扑的效率较低。可能的解决方案是串联多个太阳能电池组件已达到 足够的直流输出电压，通过全桥逆变和滤波后直接连接到电网，如图2 3 所示。 串联的光 伏组件阵 列 电网 图2 - 3 工频变压器的单级式光伏并网系统拓扑结构 f i g 2 - 3 s i n g l e - s t a g eg r i d c o n n e c t e dp vd i a g r a m ( 2 ) 两级式p v 并网发电系统 两级式p v 并网发电系统一般在第一级采用d c d c 变换器将太阳能电池输出 的直流电斩波成适合有源逆变的稳定直流电压，第二级为全桥或半桥逆变电路。 通常所用的d c d c 升压电路包括了b o o s t 、丘克等拓扑结构变换器，以及含有 隔离变压器的推挽、半桥和全桥结构的直直变换器，如图2 4 所示为b o o s t 升压的 两级p v 并网发电系统电路。 两级式p v 并网发电系统在其效率和设计灵活性上都比单级式系统要高，同时 因为升压和逆变由两部分完成，其控制算法相对简单，但受d c d c 级容量的和器 件成本的限制，一般在直流电压较低，无大量电池板串并联的独立中小型p v 系统 北京交通大学硕+ 学位论文 一x ：_ 一1 ：i 二一二二- 二一一一一i i - 一一1 厂一 孵“。矿j | ：名 - l 一一一一il 一一一一一一一一一一i l 光伏阵列 滤波 图2 _ 4 b o o s t 升压d c a c 变换器 两级式光伏并网发电示意图 f i g 2 - 4t w o s t a g eg r i d - c o n n e c t e dp vd i a g r a m 中应用广泛【9 1 。 ( 3 ) 多级式p v 并网发电系统 电网 多级式p v 并网发电系统是指含有三级或三级以上的电能变换的p v 系统，其 结构一般是按d c a c 、a c d c 、d c a c 的顺序设计，第一级d c a c 变换将光伏 阵列输出直流电逆变成交流电压，经过变压器升压后到第二级a c d c 整流成适合 有源逆变的稳定直流电压，最后通过d c a c 变换并网。典型的主电路拓扑如图3 - 4 所示【i o 】： 光伏阵列d c a c a c d c d c a c 电网 图2 5 三级式p v 并网发电系统 f i g 2 - 5t h r e e s t a g eg r i d - c o n n e c t e dp vd i a g r a m 多级式p v 并网发电系统因其变换级数的增加导致设计成本也升高，但其设计 灵活性很大，每个环节都有许多不同的拓扑结构，控制也相对独立而简单，同样 受容量的限制，以及级数多而造成功率器件损耗增加，多级式p v 发电系统一般也 用于中小功率且直流侧电压较低的发电系统【l o l 。 本章将从不同的角度对光伏并网发电系统进行分类，通过分类可以更加深入 地对光伏并网发电系统的工作原理及结果进行研究和分析。 随着电力电子学的发展，越来越多的光伏并网电站已经投入使用，按照前文 所介绍的原理，本文结合对目前光伏并网那个发电系统的研究，开发了一台功率 为1 0 0 k w 的实验样机，作为一个对光伏并网发电系统进行研究的测试平台。主电 1 2 光伏发电系统介绍 路图如图2 6 所示，具体要求如下： 方框中的为逆变器的主体结构。直流侧电源由直流4 0 0 v - - - - - 6 0 0 v 直流电经过三 相桥逆变成为工频3 8 0 v 交流电，经过三相电感l 通过主接触器k m 2 连接到变压器上， 变压器通过接触器k m 3 直接并网进入三相电网。在直流侧，k m l 作为对电路起保护 作用的旁路开关。二极管d 可以防止交流测反冲电流进入光伏极板。空气开关作为 电路主开关。电容采用株洲南车时代公司生产的d k m j 0 8 - 6 0 0 0 薄膜电容，耐压8 0 0 v ， 容量是6 0 0 0 p f 。功率开关管采用e u p e c 的f f l 2 0 0 r 1 7 k e 3 ，为三相桥臂六个i g b t 封装 的模块。 逆变器和电网通过一台变压器t 进行隔离，变压器为y ，d 1 1 接线方式，容量为 1 5 0 k v a 。 图2 - 6 三相单级式半桥光伏并网发电结构图 f i g 2 - 6 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h r e e - p h a s es i n g l es t a g eg r i d - c o n n e c t e dp v s y s t e m s 2 1 参数的设计 并网系统主电路参数的选择是系统设计的重要组成部分，选择合适的参数不 仅能确保系统正常工作，而且对于系统响应的快速性和稳定性都至关重要，同时 滤波器的设计对于保证系统稳定运行和并网电流品质也十分重要。以下分别对系 统主要的电路参数和滤波器进行研究。 2 1 1 并网变压器设计 并网变压器使得光伏发电系统与电网隔离，防止二者中的任何一方因故障导 致整个整个系统受损；同时由于光伏阵列的电压随着一天光照强度的改变而时刻 变化，为使太阳能电池最大发挥作用，应尽量减小对直流侧电压的幅值要求，所 以变压器还可以设计成升压变压器。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 本系统并网变压器采用星形三角形接线即y ，d l l 型绕组结构，其向量图如图 2 - 6 所示，高压绕组为星形联结，低压绕组按a y ，b - z ，c x 顺序依次联结成三角形。 电压变比为 巧：虼= 3 8 0 v ：2 2 0 v 其中星形侧接3 8 0 v 电网，三角形侧接并网逆变器电感输出端，变压器额定容 量为1 0 3 k v a 。 又光伏发电系统额定输出功率p d = 1o o k 、从 可得流过变压器两侧电流额定值 i d 老，i r = 毒 亿， 厶j = 2 l ，l ，= d 2 i r ( 2 2 ) c b 图2 7y ，d 1 1 型变压器电压向量图 f i g 2 - 7v o l t a g ev e c t o rc h a r to fy dl1t r a n s f o r m e r 其中历、钿分别为三角形侧相电流有效值和相电流峰值，矗、厶y 分别为星形 侧相电流有效值和峰值，代入数据则有 id = 2 6 2 a ，i m d = 3 7 2 a ，i y = 1 5 2 a ，i m y = 2 1 5 a 变压器铁芯磁路达到饱和时，为使主磁通成为正弦波，激磁电流将变成尖顶 波，该波形除了含有基波分量外还含有一定的三次谐波： i m 3 a = i m s i n c o t l 3 口= l 3s i n 3 ( c o t 一1 2 0 。) = l 3s i n c o t ( 2 3 ) i m i c = ! m ，s i n 3 ( c o t 一2 4 0 。) = i 怕s i n c o t