（交通信息工程及控制专业论文）分布式发电系统并网逆变器控制方法研究.pdf

捅芰 随着电力需求的迅速增长，以及世界各国对环保和可再生能源问题的日益重 视，分布式发电已经逐渐成为电力系统的重要研究方向，而分布式发电技术需要 功率因素高，谐波污染少的大功率整流逆变系统作为其能量转换装置。并且，传 统的逆变装置由于其非线性而存在谐波污染大、输出电压电流波形畸变严重和功 率因数低等缺点，这更加促使人们对并网逆变器的研究。本文针对电压型并网逆 变器系统的上述缺点进行了相关的研究，其主要内容如下： 本文首先介绍了分布式发电系统和并网逆变的相关技术指标以及目前相关 的研究方向。然后分别建立了三相电压源型并网逆变器在三相静止a b c 坐标下、 两相静止筇坐标系下和两相旋转由坐标系下的数学模型，并分析指出了死区时 间及非线性负载是造成逆变器输出波形畸变的主要原因。 在分析三相电压源并网逆变器的主要控制方法的基础上，详细介绍了空间矢 量调制的计算方法；建立了整个并网系统电压电流双闭环控制的传递函数，设计 了系统中的关键参数；给出了p i 控制器的系统仿真，验证了并网运行的稳定性。 在分析输出波形畸变原因的基础上引进重复控制理论，提出基于p i + 重复 控制的新型谐波抑制控制方法，并给出具体的设计方法及具体参数。 建立了三相电压源逆变器并网运行系统的仿真模型，比较分析了在阻性负 载、非线性负载、死区时问条件下瞬时值p l 控制器与p i + 重复控制器的控制效 果。仿真实验结果表明，本文提出的p i + 重复控制器能很好的抑制谐波畸变， 且系统动态特性大大提高。 最后对本文工作做了总结，确定今后要研究的工作方向。 关键词：分布式发电并网逆变器重复控制谐波 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gc o n s u m p t i o no ft h ee l e c t r i c p o w e r , p a y i n gm o r ea t t e n t i o n st o e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dr e n e w a b l ee n e r g y , d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni st ob et h em o s t i m p o r t a n tr e s e a r c h e si nt h ef i e l do fp o w e rs y s t e m b u tt h eu s e f u lt e c h n o l o g yn e e d sh i g h p o w e rf a c t o r , l o wh a r m o n i c sp o l l u t i o nr e c t i f i e r sa n di n v e r t e r st ob ei t se n e r g yc o n v e r t e r s i n a d d i t i o n ，t r a d i t i o n a li n v e r t e rc o u l dc a u s eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n td i s t o r t i o na n ds i g n i f i c a n t h a r m o n i c sp o l l u t i o n ，a sw e l la sl o wp o w e rf a c t o rb e c a u s eo fi t sn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s o ，a f o c u s e dr e s e a r c he f f o r to nt h et o p i co fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r si si n t r i g u e d t h i st h e s i s f o c u s e so nt h r e e p h a s eg r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h en e we n e r g yi nd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e mi ss u m m a r i z e d t h es t a n d a r d so f g r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra r ea l s oi n t r o d u c e d t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e l si na b c ，邮a n d 由f r a m ef o rt h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ( v s 0a r ee s t a b l i s h e d d e a d t i m ee f f e c ta n d n o n l i n e a rl o a dd i s t u r b i n ga r ep o i n t e da st h er e a s o n sw h i c hc a u s i n gt h ew a v e f o r md i s t o r t i o n i n c l u d i n g t h em a i nc o n t r o l l e r so ft h r e e p h a s ev s ia r ea n a l y z e da n dt h es v p w mm o d u l a t i o ni s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h et r a n s f e rf u n c t i o n sa n dc l o s e dl o o pd e s i g no fv o l t a g ec o n t r o l l e da n d c u r r e n tc o n t r o l l e di n v e r t e rp a r a l l e l e dw i t hg r i da r ed e s c r i b e di m m e d i a t e l y t h es y s t e m p a r a m e t e r sa n dp ip a r a m e t e r sa r ei n i t i a t i v e l yd e s i g n e d ；m e a n w h i l es o m e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e p r e s e n t e d t h e n ，u n d e ra n a l y z i n go nt h er e a s o n so fo u t p u tw a v e f o r md i s t o r t i o n ，r e p e t i t i v ec o n t r o l t e c h n o l o g yw a sa d o p t e d an e w c o n t r o la l g o r i t h m ，p i + r e p e t i t i v ec o n t r o l ，i sp r o p o s e da st h e m o s te f f e c t i v ef u n c t i o nt oe l i m i n a t et h ed i s t o r t i o no fw a v e f o r n 1 t h es i m u l a t i o nm o d e la n dt h e p r o p o s e dc o n t r o la l g o r i t h ma r eb u i l tb ym a n 。a b ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hl i n e a rl o a d ， n o n l i n e a rl o a da n dd e a d - t i m er e s p e c t i v e l y , h a v es h o w nt h a tt h ei n v e r t e ru n d e rp i + r e p e t i t i v e c o n t r o lc a ne f f e c t i v e l yr e d u c eh a r m o n i cp o l l u t i o n ，e n h a n c ep o w e rq u a l i t ya n di m p r o v e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t e m t h es u m m a r ya n df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sw o u l db eg i v e na tl a s t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ，g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ，r e p e t i t i v e c o n t r o l ， h a r m o n i c 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：吴园孝w 年6 月媚 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：轴鸡研年6 肜日 导师签名： 葡兰嚯 2 卯7 年月日 长安人学硕i j 学位论文 第一章绪论 1 1 分布式发电背景 现在全世界供电系统是以大机组、大电网j 高电压为主要特征的集中式单一 供电系统。虽然全世界9 0 的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当 今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的 缺陷已经不能满足这种要求。( 1 ) 大型互联电力系统中，局部事故极易扩散。由 于大电网中任何点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时 可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有 发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的 安全，如科索沃战争和刚刚结束的海湾战争等；( 2 ) 集中式大电网不能灵活跟踪 电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非 常低。随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发输电设施的利 用率都有下降的趋势。( 3 ) 大电网的发展不能满足环保的需求。全球经济的飞速 发展，随之产生的是对世界环境的巨大破坏，现在人们已经意识到人类生存的环 境已经遭到巨大的创伤，保护我们的生态环境已经刻不容缓，所以现在世界各国 都在提倡“绿色环保 ，而传统的发电方式对环境的破坏极为严重，所以现在世 界各国都在开发新型的绿色能源，探索高效、节能、环保的发电方式。 正是由于上述特性，分布式能源受到世界各国的高度重视，根据西方国家的 经验：大电网系统和分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 系统相结合是节省投资， 降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法，是2 1 世纪电力工业的发展方 向【1 1 0 1 2 分布式发电系统 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 或分布式电源( d i s t r i b u t e dr e s o u r c e ， d r ) 一般指的是为满足某些终端用户的需求、接在用户侧附近的小型发电机组 ( d g ) 或发电及储能的联合系统( d r = d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) + e n e f g y s t o r a g e ( e s ) ) ，它们的规模一般不大，大约在几十千瓦至几十兆瓦。常见的d g 形式包括了一些采用天然气、氢气、太阳能、风能等具有环境友好特性的能源， 因此这种发电技术是一种可利用多能源的技术。此外，为了提高能源的利用效率 和降低成本，往往采用冷热电三联供( c o m b i n e d ，c o o l i n g ，h e a ta n dp o w e r , c c h p ) 第一章绪论 的形式，因此从能源利用、节能和环保的角度，这种发电技术被认为是一种极有 发展前途的发电技术【2 1 。 一般而占分布式发电是直接接入配电系统( 3 8 0 v 或1 0 k v 配电系统) 并网 运行或采取独立运行的方式。 分布式发电d g 的重要意义在于以下几个方面： ( 1 ) 经济性由于d g 可用发电的余热来制热制冷，因此能源得以合理的梯 级利用，从而可提高能源的利用效率( 达7 0 9 0 ) ，此外还可降低初投资费用 和网损。 ( 2 ) 环保性因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可 减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量的就近供电减少了大容量远距离 高压电输电线的建设，因此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输 电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树木的砍伐，有利于环保。 ( 3 ) 能源利用的多样性分布式发电可利用多种能源，如洁净能源( 天然气) 、 新能源( 氢) 和可再生能源( 风能和太阳能等) ，并同时为用户提供冷、热、电等多 种能源应用方式，因此是解决能源危机和能源安全问题的一种很好的途径。 ( 4 ) 调峰作用夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用天然气为燃 料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可以解决冬夏季的供热与供冷的需 要，同时也提供一部分电力，由此可降低电力峰荷，起到了电力调峰的作用。此 外，也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补 作用。 ( 5 ) 安全性和可靠性当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分 布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性。 ( 6 ) 电力市场问题分布式发电是一种适应电力市场发展的需要、由多家来 办电的良好方式。 ( 7 ) 投资风险分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免 类似大型发电站建设周期长带来的投资风险。 ( 8 ) 边远地区的供电问题我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以 从大电网向其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电 系统( s t a n d a l o n es y s t e m ) 不失为一种优选的方法。 目前国际上相关的部门专门为分布式并网发电系统指定了一系列的技术尺 2 长安人学硕l 学位论文 度和并网要求，用来对分布式并网发电系统进行相应的技术要求，限制其在并网 时对电网带来不良的影响。 针对分布式发电系统中燃料电池、光伏系统、分布式发电装置、能量存储设 备等几个方面，2 0 0 3 年6 月标准指定委员会2 1 ( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e 2 1 ，s c c 2 1 ) 发布了第一个分布式电源系统并网标准l e e es t d1 5 4 7 - - 2 0 0 3 。 在标准i e e es t d1 5 4 7 - - 2 0 0 3 中所给出的规范主要集中在技术规范、测试规 范以及并网连接等方面，其中包括通用的技术指标、异常响应情况、并网波形质 量、保护措施、并网维护、测试标准等等。由于该标准主要是针对容量在1 0 m v a 以下，工作频率为6 0 h z 的分布式发电系统【3 1 。在将该标准使用在我国的分布式 发电系统研究时，其中某些标准需要根据我国的市电频率为5 0 h z 的现状，做相 应的修改。下面介绍该标准及其相关标准中针对并网的一些技术指标和要求。 1 ) 当电压异常时系统的响应时间要求 当分布式发电系统在j 下常并网工作时，要求电网电压能维持在标准电压的 8 8 - - 1 1 0 ，一旦电网相电压超出正常范围( 如表所示) ，并网系统应该立即检 测到，并能在表1 1 中所要求的时间内脱离电网。 表1 1 电网电压异常时并网系统响应时间 电压范围( 标准电压的百分比) 响应时间( s ) v 5 0 o 1 6 5 0 v 8 8 2 0 0 1 1 0 v 1 2 0 1 o o v 1 2 0 o 1 6 2 ) 输出电压谐波的规定范围 在该标准中没有明确提出，当分布式发电系统独立逆变运行时功率因数的要 求，但在其他相关的应用标准中有一些要求。例如针对光伏分布式发电系统的要 求所提出的标准i e e es t d9 2 9 2 0 0 0 中规定当输出功率大于1 0 额定功率时，功 率因数应该大于o 8 5 。由此可以得到电压谐波要求如下表： 表1 2 并网系统输出电压的谐波技术指标 谐波hh 1 11 1 h 1 71 7 h 6 0 5 o 1 6 ( 5 9 8 5 7 o ) 0 1 6 到3 0 0 可变 5 7 0 0 1 6 4 ) 并网工作时输出电流的谐波范围 并网系统要求能对电网提供能量，甚至是能对电网进行无功补偿，谐波的有 源滤波，所以绝对不允许其对电网造成污染，所以对并网电流要求如下表： 表1 4 并网系统输出电流的谐波技术指标 奇次谐波hh 1 11 1 h 1 71 1 h 1 7 1 1 h 1 5 0 0 1 0 0 0 0 0 131 0 当以上三个指标符合表所示的要求时，才允许闭合连接装置，使系统和电网 并联工作。 4 长安人学硕一i ：学位论文 9 0 年代以来根据电力法和国家有关规定，国家技术监督局相继颁布了 涉及电能质量五个方面的国家标准，本课题在研究并网逆变器的时候也参考了以 下四个标准： 1 、电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 - - 9 0 ) ) ) 2 、电能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 9 0 ) ) ) 3 、电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - - 9 3 ) 4 、电能质量电力系统允许偏差( g b t 5 9 4 5 - - 9 5 ) 1 3 国内外的发展现状与应用前景n 4 帕 1 。3 1 国外分布式发电的发展 全世界的风能装机容量在2 0 0 3 年增长2 6 ，全球风电由1 9 9 7 年的7 6 3 6 m w 增长到2 0 0 3 年的3 9 2 9 4 m w 。过去1 0 年间，全球风电装机容量的年均增长率约 为3 0 。2 0 0 3 年，全球新增风电装机容量约为8 2 5 万千瓦，总风电装机容量已 达4 2 5 0 万千瓦。目前，至少由4 8 个国家已经利用风力发电，而欧洲就全球风电 总装机容量的7 0 ，且主要集中在德国、丹麦和西班牙。据德国环境部2 0 0 4 年 8 月公布的统计数据，2 0 0 4 年1 月6 月，德国电力供应中，可再生能源发电量占 了1 0 ，其中风力发电已占可再生能源发电量的5 4 。自从实用性的硅太阳能 电池问世以来，世界上很快就开始了太阳能光伏发电的应用。随之太阳能电池技 术的提高，价格已大大下降，光伏发电逐渐在地面上得到应用，规模也日益扩大。 据报道，1 9 9 8 年，全世界太阳能电池组件生产量已达到1 5 7 8 m w ，是1 9 9 2 年 5 8 2 m w 的近3 倍，2 0 0 3 年的生产量又比1 9 9 8 年翻了一倍。2 0 0 3 年全世界光伏 电池产量7 5 万k w ，累计装机3 1 5 万k w ，其中7 5 应用于德国、日本和美国。 太阳能热发电技术基本成熟，总装机容量已达5 0 万k w ，大部分在美国。据统 计，1 9 9 0 2 0 0 2 年，世界发达国家风力年发电量增长2 4 5 ，太阳能电池生产的 电量年增1 7 ，地热发电年增4 。 就全世界来看，能源利用效率越高、环境保护越好的国家，对于发展分布式 能源技术的推广应用就越热衷，鼓励支持政策就越明确。 丹麦是世界上能源利用率最高的国家，在过去的近2 0 年中，g d p 翻了一番， 能源消耗却没有增加，污染排放反而大幅度下降。自1 9 9 0 年以来，丹麦大型燃 气发电厂容量没有增加，新增电力主要依靠安装在用户侧的、特别是工业用户和 小型区域化的分布式能源电站( 热电站) 和可再生能源项目，热电发电量占总发 5 第一章绪论 电量的6 1 6 。丹麦新的目标是在2 0 0 8 到2 0 1 2 年期i 、日j ，将二氧化碳的排放量比 1 9 9 0 年降低2 1 。丹麦对于分布式能源采取了一系列明确的鼓励政策，先后制 定了供热法、电力供应法和全国天然气供应法以及对相关各项进行了 法律修正案，在法律上明确了保护和支持立场。电力供应法规定，电网公司 必须有限购买热电联产生产的电能，而消费者有义务优先使用热电联产生产的电 能；1 9 9 0 年丹麦议会决议，1 m w 以上燃煤燃油供热锅炉强制改造为以天然气或 垃圾为燃料的分布式能源项目( 热电站) ，对此类工程的建设给与财政补贴并辅 以银行信贷优惠。 美国把分布式发电技术看作是一组能使电力系统彻底变革的具有长期潜力 的技术。在今后几年中，要利用已有的和新建的分布式发电装置，在电力短缺时 作为电网的备用电源。在美国分布式发电站被定义为从几千瓦到3 0 兆瓦之间的 发电装置，通常，大于2 0 兆瓦的分布式发电站是当地安装，利用燃气轮机的热 电联产装置，既供电，又供热。2 0 兆瓦或更大的电站经常与电网连接，并与现 行的电力系统和本地电网同步运行。小于2 0 兆瓦的分布式发电站包括小型燃气 轮机可以交替使用天然气和柴油发电机组。正在开始利用的微型燃气轮机、燃料 电池及分布式再生能源发电装置，近几年间还不可能形成有效的市场份额或产 量，不可能成为有重要意义的备用发电容量，但是应当允许它们同电网连接则是 十分重要的。目前在用户处已经安装的分布式发电站，估计在美国总共有5 0 吉 瓦到1 0 0 吉瓦，每个电站的规模为5 0 兆瓦及以下。近几年，每年都大约增加分 布式发电站5 吉瓦。美国的电力行业引入竞争机制后，各州在寻求各种方法，来 保证并延续传统管理模式下由电力公司管理或资助的公益计划，很多州在其重组 计划内确立了支持可再生能源项目的方法。一些州确立的分布式发电政策( 包括 补助方案、竞争性招标程序和面向消费者的融资方案) 也已经开始为可再生能源、 特别是为光伏电项目创建市场。 在目前的技术水平下，可再生能源分布式发电还不具备与常规能源发电进行 竞争的能力。从发展眼光看，毫无疑问可以做到通过提高技术与制造水平、降低 发电成本，使可再生能源发电更具竞争力，但当前世界各国的可再生能源技术开 发方面，国家的作用是相当大的，不仅在基础研究阶段，就是在应用与研究开发 阶段，国家也承担了主体责任。从上述一些国家的成功经验中得到，国家层面的 法律保证和政府层面的执法决心和政策的可落实性以及执行层的力度是发展分 6 长安人学硕_ j j 学位论文 布式能源技术、实现可持续发展的关键保障。 1 3 2 国内分布式发电的发展 就在西方发达国家大力推广分布式能源的同时，我国分布式能源却步履维 艰。热点联产作为分布式能源的最重要组成部分，尽管在我国已经存在5 0 余年， 装机容量已经达到全国火电机组容量的1 4 5 8 ，2 0 0 2 年供热总量达到1 3 9 亿 g j ，已经为中国的节能和环保做出巨大贡献。但是，在中国全国人大颁布的4 0 0 多部法律中，却只在节能法中提及一次“热点联产 。在我国居高不下的能 源消耗水平背后，分布式能源迟迟得不到推广，是重要原因之一。 究其原因，在于政策阻碍，与发达国家相比，我国鼓励分布式能源等先进技 术的法律政策水平，还停留在一个相当初级的阶段，大约有1 5 2 0 年的差距。 分布式能源发电发展比较缓慢，主要存在以下两方面因素：在我国，分布式能 源项目连合法并网的问题都悬而未决。我国能源发展观念有待更新。 近年来，我国对分布式能源发电也开始逐渐重视起来，国家法改委能源局计 划将研究促进分布式能源的政策和措施，对于工业生产用热，将支持采用小型背 压式热电联产机组，对于规模较小的县城地区，将结合秸秆等生物质能源利用， 支持生物质为燃料的热电联产机组的发展，力争到2 0 2 0 年，全国简称2 0 0 0 万千 瓦生物质发电机组。同时，将研究支持天然气热电联产、沼气发电、太阳能光伏 发电等小型分布式能源系统发展的政策和措施。促进我国分布式能源系统的发 展，充分有效利用能源资源，提高能源利用效率，促进我国经济和社会的可持续 发展。 1 3 3 中国发展分布式发电的意义 分布式能源的发展十分迅猛，在能源系统中的比例不断提高，正在给能源工 业带来革命性的变换。中国缺油少气，发展分布式发电必须以可再生能源的综合 利用为核心。我国可再生能源储量丰富，开发利用的前景开阔。从而在中国发展 分布式发电具有以下几方面意义： ( 1 ) 解决日益严峻的环境压力的需要。中国是目前世界三大酸雨区之一， 电力行业产生的二氧化硫气体占总排放量的4 0 ，产生了严峻的环境污染问题。 ( 2 ) 我国天然气发展战略的需要。目前中国的能源战略以天然气为主的发 展框架，而建立分布式能源电站是最有力的天然气买方市场的开拓者和培育者， 7 第一章绪论 是中国能源结构调整的重要措施。 ( 3 ) 电力发展和调峰的需要。电源电网建设相对滞后，经济持续高速发展 使得全国范围内严重缺电，电力峰谷差较大，发展分布式发电将更是削峰填谷的 最有力措施。 ( 4 ) 保障电力安全的需要。美、加、英、意大停电再次为全世界的电网安 全敲响了警钟，中国应从此吸取教训，当自下而上托起电网安全，发展分布式能 源，比通过改造电网加强安全更加简便快捷。 ( 5 ) 提高能源利用效率的需要。我国能效平均仅3 2 ，低于发达国家1 0 2 0 ，而人均能源占有量仅为世界平均水平的1 2 ，能效提高成为中国能源可 持续发展的重中之重。分布式能源作为已商业化的能源利用方式中效率最高的一 种，对提高能源利用效率具有非常重要的意义。 1 4 分布式发电用并网逆变器结构简介 对于不用作并网功能而独立运行的逆变器，其电路拓扑研究在单相和三相方 面都已经很多，并且众多成熟的电路已经长时间的应用在产品中。然而，应用在 可再生能源的分布式并网发电中，系统结构考虑更多的是采用单级或两级以上的 逆变器来实现并网。而对于采用单相或三相结构，和独立运行的逆变器研究有很 多相似之处，一般根据功率、成本、效率、控制以及实际用户需求来确定1 7 l 。所 以本文主要介绍可再生能源三相并网逆变器的系统结构。 根据输入、输出的电气隔离性可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。电 气隔离通常采用变压器隔离，一般使用工频变压器或者高频变压器，但大多数作 用都是用于升压隔离。 根据功率变换器的变换级数可以分为单级型逆变器和多级型逆变器，如图 1 1 所示。单级型逆变器通过一级功率变换器将低压直流直接转换成高压交流。 根据该功率变换器使用的主开关个数可以分为四开关管型和六开关管型。 多级型逆变器根据功率变换的过程可以分为： 1 ) d c d c a c 型：2 ) d c a c d c a c 型；3 ) d c a c a c 型。 8 k 安人学硕l 学位论文 ”态谛i 分布式 1广 迹 发电能 j l i 本章 r 、叩 源t l t j i ( a ) 单级逆变器变换结构 t 6 t 自订 _ _ 一 分布式 d c ，d cd c a c r 、m 发电能 a c a c 源 d c ，a c 变换器变换器 网 ( b ) 多级逆变器变换结构 图1 1 分布式发电并网逆变器变换结构图 1 5 并网逆变器控制系统的研究方向阳一1 并网逆变器作为分布式发电系统中最为重要的一个部分，在针对分布式发电 技术的研究增多的同时，基于并网逆变器技术的研究也越来越多，其大致可以分 为以下几个研究方向。 ( 1 ) 并网逆变器的拓扑及控制方法的研究 目前针对不同的要求有着各种不同的拓扑结构，对于功率较小的并网逆变器 可以采用高效、低成本的单级变换器；而多级逆变器变换结构可以使用在大功率、 宽电压范围的输入的应用场合。除此之外，逆变器的拓扑结构中还包括单相、三 相；隔离、非隔离；功率单向流动、双向流动等各种形式。如：并网逆变器采用 双向功率流动的拓扑，在并网工作时，既可以向电网提供电能，同时也可以当电 网电能富足时，从公用电网吸收电能，并将其存储起来。因此各种拓扑可以分别 使用在不同的场合，并且这些拓扑结构可以相互结合成各种不同的形式，以满足 各种要求。 在控制方法上，随着各种高速的数字信号处理器( d s p ) 的出现，将先进的 数字控制应用到并网逆变器的控制中的研究越来越多，如p i 控制、滑模控制、 模糊控制等等；在采用模拟控制时有电压控制、峰谷值电流型控制、平均值电 流控制、单周控制等等。针对各种控制的缺点，将模拟控制和数字控制相结合， 以达到理想的控制效果也是目前研究的热点。在调制方法上，有p w m 、s p w m 、 s v p w m 等先进的调制方式。 9 第一章绪论 ( 2 ) 逆变器并网控制技术的研究 并网逆变器不仅要求其独立的为局域网内供电，同时也要求其能与电网相 接，将电能送到电网上去。因此针对逆变器的并网工作可以展开以下几个方面的 研究： 1 、并网逆变器输出电流能与电网电压达到同步锁相技术、包括采用硬件电 路实现同步锁相和采用软件锁相环来达到控制目的。 2 、闭环控制并网逆变器使其输出电压、电流达到并网标准的要求。 3 、逆变器对局域网供电和连接电网供电两种模式的无缝切换技术。 4 、并网工作时对公共电网谐波和无功调节的控制技术。 ( 3 ) 大规模使用分布式发电系统的控制技术的研究 对于以后分布式发电系统大规模的使用必然会出现许多问题，因此应有相应 的控制技术来防止这些问题的出现。 其中包括采用更可靠、稳定的控制方法防止孤岛效应的产生。 当多台并网系统的功率可以和局部电网相比拟时，其相互之问会不会产生不 良的影响。 1 6 本课题的选题意义及主要研究内容 1 6 1 选题意义 随着人类对新能源的需求不断的增加，而利用新能源的关键技术就是如何将 新能源转化成的电能与电网并网发电。因此并网逆变器的研究也成为合理利用新 能源的课题中的重中之重。本课题根据并网逆变器的一些具体要求，主要针对并 网时电能质量中的谐波问题，对三相并网逆变器控制系统的设计进行了深入研 究，并在仿真试验上取得了一些研究成果，将会为今后的硬件系统的实现提供一 定的理论基础。 1 6 。2 主要的研究内容 本文主要针对分布式发电系统中逆变电源并联组网运行的核心技术进行了 较为深入的分析和研究。本文主要对三相电压源逆变器并网系统的工作原理、系 统模型、控制策略、电路参数的选择等方面进行了详细的分析和研究。本文的主 要工作总结如下： 第一章介绍了分布式发电系统和并网逆变的相关技术指标以及目日 相关的 1 0 长安人学硕f j 学位论文 研究方向。 第二章分别建立了三相电压源型并网逆变器在三相静止a b c 坐标模型、两 相静止口卢坐标系模型、两相旋转由坐标系下的数学模型，并分析指出了死区时 间及非线性负载是造成逆变器输出波形畸变的主要原因。 第三章在分析三相电压源并网逆变器的主要控制方法的基础上，详细介绍了 空间矢量调制的计算方法；建立了整个并网系统的传递函数，并给出了系统中关 键参数的选择：最后给出p i 控制器的系统仿真，验证了并网运行的稳定性。 第四章在分析输出波形畸变原因的基础上引进重复控制理论，提出基于p i + 重复控制的新型控制方法，并给出具体的设计方法及具体参数；验证了提出的 控制器策略简单有效，不仅有较快的动态响应，而且具有较好的抗干扰性和鲁棒 性。 第五章建立了三相电压源逆变器并网运行系统的仿真模型，比较分析了在阻 性负载、非线性负载、死区时间条件下瞬时值p i 控制器与p l + 重复控制器的控 制效果。仿真实验结果表明，本文提出的p l + 重复控制器能很好的抑制谐波畸 变，且系统动态特性大大提高。 第六章本文工作做了总结，确定今后要研究的工作方向。 第二章三相并嘲v s i 系统模型及t 作原理分析 第二章三相并网v si 系统模型及工作原理分析 系统模型是分析和设计三相并网v s i 的基础，从不同的角度出发可以建立 不同形式的系统模型，对应的控制方法也往往不同。本章主要研究三相并网v s i 的系统模型和工作原理。并在此基础上，分析影响三相并网v s i 稳定工作的主 要因素。 2 1 三相并网v si 的系统模型 随着i g b t 、i g c t 等全控型功率开关器件出现和大量使用，以全控型器件 为基础的p w m 斩波变流技术逐步取代了以半控型器件为基础的相控变流技术。 p w m 变流技术可以取得以下优良性能： ( 1 ) 网侧电流波形可以控制，谐波畸变很小； ( 2 ) 网侧功率因数可以控制( 如单位功率因数控制) ； ( 3 ) 电能能够双向传递； ( 4 ) 动态响应较快。 图2 1 三相p w m 并网逆变器电路拓扑图 图中，各符号和参数的意义如下： 孙e b 、e 。：三相电网电压瞬时值； 哈啥k ：逆变桥输入电压瞬时值： ：网侧滤波电感； ，：滤波电感寄生电阻； c ：网侧滤波电容； 屯、0 之：三相逆变电流瞬时值； 1 2 长安人学硕士学位论文 a 。、爰a 。：逆变器功率开关管； d l 仇：续流二极管； 吃：直流侧输入电压。 气：直流侧滤波电容的大小： 图2 1 为三相p w m 并网逆变器电路拓扑图，整个逆变器电路由直流侧滤波 电容、三相全控桥、三相滤波器组成。它们对系统的作用和影响分别为： 1 、网侧滤波器：v s i 正常工作时，能量在交流侧和逆变桥之间流动，通过 逆变桥转换到交流侧，存储在l c 上，实现p w m 逆变。网侧滤波器是保证并网 三相v s i 正常运行的必要条件。滤波电感值的大小对系统影响很大，增大电感 值，可以减小输出电流谐波，但是如果过大将导致系统的动态响应速度很慢，同 时还会影响系统的过载能力。 2 、直流滤波电容：电压型p w m 逆变器的标志。其作用是滤除直流电压脉 动成分，保证逆变器正常工作。三相v s i 直流母线电压中的，1 次谐波经过p w m 调制后在网侧输出电流中产生i t + 1 次谐波，所以它也有减小输出电流谐波的作 用。直流滤波电容越大，直流电压谐波含量越小，抗负载扰动能力强，但是 同时响应速度也很慢。 3 、续流二极管：在功率管不导通时，电流可以在二极管中续流。 当不计功率开关管的桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得： k p z = 乞屹+ 乞+ i o v o ( 2 1 ) 式中，、收交流侧相电压和相电流( k ；a , b ，c ) 匕、吆直流侧电压和电流 从式( 2 1 ) 不难理解，通过对变流器直流侧的控制，就可以控制交流侧， 反之，亦然。 2 2 - - $ e 1 并网v si 的数学模型1 0 ”m 1 3 1 2 2 1a b c 坐标系下的数学模型 在建立三相p w m 并网逆变器的模型时，做如下的假设： ( 1 ) 网侧三相滤波电抗为线性原件，且不考虑饱和； ( 2 ) 主电路的开关视为理想元件，通断可以用丌关函数描述。 ( 3 ) 三相电网电动势为平稳的正弦波，瞬时值表达式为g 1 3 第二章二相并i 尚9v s i 系统模型及t 作原理分析 眺e b = e , , , 罴c o s ( c o t - 1 2 叫0 。) 】 r l 功率管d ，导通，功率管d 。关断； 1 0功率管d ，关断，功率管d 。导通； f 1功率管d ，导通，功率管d 。关断； v 6 10功率管d ，关断，功率管d 。导通； f 1功率管d ；导通，功率管d ，关断； 、 10功率管d ；关断，功率管d ，导通； 丢睦 2 兰 量】一三 兰 一三睦】 c 2 4 ， 1 4 长安人学硕 ：学位论文 2 2 所示，利用矢量合成相等的原则，可得到三相a b c 坐标系和两相静止筇坐 标系之间的转换关系为： 卧 1o 1历 2 2 1压 22 1一三一三 22 o 鱼鱼 22 彳 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 2 三相静止a b c 坐标系和两相静止筇坐标系 根据变换矩阵( 2 5 ) ，式( 2 4 ) 可转化成筇坐标系变量表达的形式： 丢慝】5z 1 【r s s o 声l j 一三 乏 一三 乏】 ( 2 7 ， 由式( 2 7 ) 可以看出，口轴上的变量屯与轴上的变量没有任何耦合关 系，是相互独立的，并且，系统在口( ) 轴上的状态方程与单相p w m 并网逆变 器的状态方程一致，因此可知道：平衡的三相并网p w m 逆变器模型经过三相静 止a b c 坐标系到两相静止筇坐标系转换之后，可以有效地转化为两个独立的单 相并网p w m 逆变器。所以，在a 卢坐标系下，比较成熟的单相并网p w m 逆变 电源的控制方案可直接移植到三相并网p w m 逆变电源中来。 2 2 3 由坐标下的数学模型 三相静止坐标系下的并网逆变器的数学模型具有物理意义清晰、直观的特 1 5 2 3 = 1-illlli_ij 形斯形 。_-_-_-_-l 第二章三相并嘲v s l 系统模型及t 作原理分析 点。但是这种模型中，交流侧均为时变的交流量，哈e b 、e 。以及t 、0t 存在 耦合，不利于控制系统的设计。通过坐标变换可以将三相静止a b c 坐标系转换成 与电网基波频率同步旋转的两相由坐标系，其中d 轴与三相电压合成矢量重合 且以角速度逆时针同步，q 轴超f i i j - d 轴9 0 。坐标系之间的关系如下图所示： 刚x 三搿c o st o t - s i 爱n ( a ，t - 2 ：r 3 3 悯) x d 眩8 ， 阶c o s w t ，嚣端c o s ( t o t + 2 3 r 3 ) x , x b 卜) 丢 乏】= 三 乏】一 三吾】 芝】一丢 乏 一三 乏 c2 1 。， 1 6 长安人学硕 ：学位论文 原则，同样可以推导出两相静止两相旋转坐标系之间的变换关系： 讣x a p c o n s 口0 - s i n o x a 他 刚“c o s 0s i n 0 x 】 泣 2 3 输出波形畸变的原因分析 2 3 1 死区存在对输出波形的影响 三相逆变主电路，在理想情况下，每个桥臂的上下功率开关管理论上严格轮 流导通和关断。 事实上，每个开关管的通、断都需要一定的时间，关断时间比导通时间更长。 在关断过程中，如果截止的开关管立即导通，导通的开关管还没来得及截止，这 时必然引起桥臂短路，为避免这种情况发生，让即将导通的开关管延迟一个乙时 间再导通，此段时间内，桥臂上下开关管都没有触发信号，桥臂工作状态取决于 该相的电流方向和i g b t 内部续流二极管。 以a 相为例，设在某段时间内 0 ，则d 2 导通，出现负的高度为幺、宽 度为乃的窄脉冲，使a 相输出的每个脉冲变窄；若 0 的各 次谐波频域，谐波的分布不变，为此，仅分析基波频域与输出电压的变化，式 ( 2 1 5 ) 舍去第二项后与( 2 1 4 ) 相加。为分析方便，将q f 替换为q f 一衫2 + c p ， 可得 u a = n e z d 删( 叫+ 咖+ ! m 乃易角专盟2 k + x a g 4 - c o s ( 2 吖 ( 2 1 6 ) z 易得b 相输出电压 ；一等以c o s ( 吖+ 妒一了2 x ) + ! y t 吼乃毛薹器c o s ( 放+ 1 ) ( 呼一等) ( 2 1 7 ) zj六哜z彤+l j u 月与u 丑的3 倍数次谐波同相位，可得输出线电压为： u 朋一u a u 口 。彳易s i n ( w l t 一要+ ) ( 2 1 8 ) + 竽坛乃毛薹 志咖眦咧妒争击s i n 孵州妒纠 式中， 彳；( 粤口) ：一届c o s q ，坐坝乃+ 掣坛乃) z 、z冗兀 阳甲t 4 3a 咖孚驴一竽坛乃】 式( 2 1 8 ) 的第二项是无穷递减级数的谐波项，各项系统相对于基波分量较 小，忽略谐波项，只考虑基波分量 ：彳易s i n ( t o d 妥+ 卢) ( 2 1 9 ) 由a 可以看出，在理想情况下( 乃：0 ) ，输出电压的幅值为压a e d 2 ，实 际情况下，输出线电压幅值为a e d ，随着功率因数驴的增大而增大( o 驴 州2 ) ， 在基波频域存存5 7 1 1 1 3 的低