电网电能质量分类和分析毕业论文.doc

哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 I 电网电能质量分类和分析毕业论文电网电能质量分类和分析毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 电网电能质量问题 1 1 1 1 电能质量的概念 1 1 1 2 对敏感设备的影响 2 1 2 并网逆变器的应用 3 1 2 1 课题研究的背景意义 3 1 2 2 逆变技术的发展和研究成果 6 1 2 3 并网逆变器应用发展方向 8 1 3 本文的主要研究内容 9 第 2 章 电网波动情况的分类和分析 11 2 1 当前电网波动情况分析 11 2 2 电网波动情况分类 12 2 3 电网波动对并网逆变器的影响 13 第 3 章 并网逆变器结构和原理 15 3 1 并网逆变器简介 15 3 2 并网逆变器的组成和拓扑 15 3 3 一般的电路结构 16 3 4 并网逆变控制方法 21 3 5 逆变器调节原理分析 27 第 4 章 电网波动下并网逆变器控制 31 4 1 控制方案的建立 31 4 2 电压前馈法 32 4 3 零误差电流跟踪法 33 4 4 结合方法的理论分析 34 4 5 仿真软件介绍 35 第 5 章 两种方法结合的仿真分析 37 5 1 仿真模型的建立 37 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 II 5 2 PI 调节的仿真结果 37 5 2 1 无电网电压扰动的仿真结果 37 5 2 2 电网波动对并网逆变的影响 39 5 3 电压前馈法 41 5 4 零误差电流跟踪法 42 5 5 结合方法抗扰动分析 44 结 论 46 致 谢 47 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 电网电能质量问题 1 1 1 电能质量的概念 电能是当今最重要而广泛的能源形式 其应用程度成为一个国家发展水平的 主要标志之一 很难想像失去电能支撑的文明世界将会如何运行 在所有的动力 能源中 电能使用最方便 适用范围非常广 并且是清洁的 近十年来 我国电 力事业取得了较大的发展 装机容量超过了 3 5 亿千瓦 成为世界第二大电力大 国 预计到 2050 年 仅大陆的发电量就会超过 20 亿千瓦时 然而随着各种电能 用户的增加 随着科学技术和国民经济的发展 对电能的需求量日益增加 同时 对电能质量的要求也越来越高 所以电能质量 PowerQuality 越来越多地引起人们 的注意 电网供电质量是电力工业产品的重要指标 从普遍意义上讲 电能质量是指 优质供电 但迄今为止 对电能质量的技术含义还存在着不同的认识 这一方面 是由于人们看问题的角度不同 如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压偏 差与频率偏差的合格率 并且用统计数字来说明电力系统电能是符合质量要求的 电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电而设备制造厂家则认 为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要 但实 际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远 另一方面 对电能质 量的认识也受电力系统发展水平的制约 特别是用电负荷的性能和结构 IEEE 标 准化协调委员会正式采用 PowerQuality 这一术语 并给出了其较为统一的定义 合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均适合于该设备正 常工作 而改善电能质量对于电网和电气设备的安全 经济运行 保障产品质量和科 学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义 电能质量直接关系到国民经 济的总体效益 因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事 只不过早期对 此认识比较简单 主要局限在保持电网频率和电压水平即静态或平均偏差不过大 上 自世纪年代以来 随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不 断提高 电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题 目前电能质量中 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 1 某些问题已成为电工领域的前沿性课题 吸引了许多高等院校 科研院所和一大 批电力科技工作者投入其中从事开拓性或开发性工作 1 1 2 对敏感设备的影响 电网是共用的 随着用户数量和用电量的变化 宏观上有高峰期电压和低谷 期电压的差异 由于用户从电网取电的时机和电量的偶然性以及冲击性 波动性负 荷的存在会给电网造成随机的瞬时冲击和定式落差 电力电子装置的大量应用 在 电力系统中增加了大量的非线性负载 其开关工作方式会引起电网电压 电流波 形畸变 造成电网的谐波污染 再加上自然因素如雷电 风暴和炎热等 电网中经 常会出现扰动甚至供电瞬时中断 这些问题一方面会给敏感的用电设备带来安全 性问题 例如一个计算中心断电 2 秒 就可能造成大量的数据破坏 结果造成上 百万的经济损失 大型生产车间里 0 1 秒的电压不正常就会造成异常生产状况乃至 产品报废 另一方面电网的电能质量恶化 也会对用户 尤其是照明用户造成极 大的能源浪费 因此 保证可靠和高质量的电能供应对保障国民经济各行各业的 正常生产和产品质量以及提高人民生活质量具有重要的意义 为了提高劳动生产率和自动化水平 大量基于计算机系统的控制设备和电子 装置投入使用 这些装置对电能质量非常敏感 一个计算中心失去电压就可能破坏 几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值 当今自动化设备的连续 精加工生产 不论是变速拖动还是机器人 工作母机还是自动化生产线 例如柔性 制造系统或计算机综合制造系统 它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感 甚 至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱 这些用户对不合格电力的容 许度可严格到个周波 同时 电力系统中谐电的危害电网谐波造成电网污染 正弦电压波形畸 变 使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障 情况日趋严重 电力 系统中谐波的危害是多方面的 概括起来有以下几个方面 1 影响继电保护的可靠性 如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小 此时 若谐波干扰叠加 到极低的整定值上 则可能会引起负序保护装置的误动作 影响电力系统安全 2 补偿电容器过载 电容器的阻抗是与频率成反比的 它对谐波电流呈现非常低的阻抗 若电容器 的容抗和供电变压器的漏抗在某一个谐波频率或接近这一频率时相等 将发生危险 的谐振而导致非常大的电流或电压 容易烧坏电容器 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 2 3 谐波对变压器和电动机的危害 谐波电流要增大变压器绕组 铁心和电机铁芯上的损耗 使得变压器温升增加 绝 缘加速老化 使得电机转子发生振动 严重影响机械加工的产品质量 同时 谐波会 使变压器和电动机的使用寿命缩短 4 其他危害 谐波不仅使仪表和电能计量出现较大误差 而且对其他系统及电力用户危害也 很大 针对谐波问题 我国已于 1993 年颁布了限制电力系统谐波的国家标准 电 能质量 公用电网谐波 规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入 谐波电流的允许值 电力系统方面也做了大量的防止高次谐波入侵电网的各项措 施 针对上述问题 本文将关注于并网逆变会对电网产生如何的影响 和在电网 波动下怎样控制并网逆变器 1 2 并网逆变器的应用 1 2 1 课题研究的背景意义 随着人类社会的不断发展 人们的经济及文化活动需要大量的能源 而现如 今不可再生能源日益紧缺和环境污染程度不断加重 可再生能源 如太阳能等 的利用倍受重视 同时人们不断追求更清洁 有效和节约的利用能源方法 其中 都牵涉到了并网逆变器的应用 1 可再生能源并网发电 近些年 随着世界人口的增加和人们生活水平的不断提高 对于能源的需求 和消费也在迅速的增长 因此 传统能源 如石油 天然气等常规能源面临着枯 竭的局面 另外 大量消耗传统能源也带来很多环境污染的问题 如排放大量的 二氧化碳 造成温室效应 已经成为世界各国共同面对的问题 因此 在这种条 件下 积极发展新能源技术已经是一个迫切而重要的问题 风能 太阳能属于绿 色无污染能源 尤其是在传统能源的枯竭与带来环境污染的情况之下 研究可再 生能源以代替传统能源是一个重要而迫切的问题 90 年代以来 发达国家重新掀 起了发展光伏并网系统的高潮 特别是发展 屋顶光伏并网系统 光伏并网系统 不断发展完善 同时 清洁的风能利用也受到了重要的关注 并在一些国家得到 了很好的应用 由此带来了关于分布式发电系统的研究问题 分布式发电系统是 以天然气 氢气或太阳能 风能 生物质能为能源的发电及能源综合利用方式 可独立运行 也可接入电网运行 而只有将这些电能有效回馈至电网 才能实现 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 3 可再生能源的大规模 高效率利用 因此 对于分布式发电系统中并网逆变部分 的研究在新能源开发与应用的过程中有着重要的意义 在我国 80 年代以后 国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给以支持 使 得我国十分弱小的太阳电池工业得到巩固和发展并在许多有用领域建立了示范 我国光伏发电的研究开发工作 经过几十年的努力 取得了不小的成就 在光伏 水泵系统 通信光伏电源系统 微波中继站 阴极保护光伏电源系统 家用光伏 电源系统 风光互补发电系统等的系统技术方面 也取得了不少的研究成果和工 程经验 在北京建成了 20kwp 50kwp 等容量等级的光伏屋顶并网系统 成功地 实现了并网发电 在大型光伏电站方面 中科院电工研究所于 2004 年在深圳世 博园成功地实施了 1Mwp 容量的大型光伏并网电站 我国的光伏产业虽然在近年取得了一定的发展 但相比于蓬勃发展的世界光 伏工业 中国光伏工业还处于起步阶段 光伏产量和安装容量仅为世界 l 左右 由于政策 资金等因素的制约 总体上我国的太阳能光伏技术仍处于初级阶段 规模小 技术落后 应用面窄 产品单一 一些关键的技术和材料仍不能实现国 产化 在光伏并网系统中 逆变器效率的高低 可靠性的好坏直接影响整个并网系 统的性能 逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小 通常以百分数表示 千瓦 级以下的逆变器满负荷效率应为 80 85 10 千瓦级的逆变器效率应为 85 90 目前国外光伏并网逆变器产品的效率可达 95 完全实现了商业化 随着我国光伏产业发展政策的出台和市场的发展 我国的光伏产业必将得到 快速地发展 面对如此巨大的国内市场需求和广阔的发展前景 要实现光伏产业 的快速发展和光伏并网系统的产业化 必须发展具有自主知识产权的光伏并网技 术 增加技术积累和鼓励技术创新 并网逆变技术是可再生能源发电不可缺少的 的技术 2 电子负载 随着国民经济的发展 人们对能源的要求及试验自动化的要求也会越来越高 一方面需要越来越大的功率试验手段 另一方面由于能源的紧缺使得能耗的费用 也越来越高 基于节约能源减少开支和试验自动化的要求 很多场合 如通信电 源出厂试验 各种整流柜出厂试验 大功率充电电源试验 蓄电池放电试验 电 机出厂试脸 柴油机汽油机出厂试验 汽车动力性能试验 电解电镀电源出厂试 验 以及不停电电源出厂试验等 将越来越多的采用电子负载进行考核试验 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 4 在测量 AC DC 和 DC DC 电源 功率器件 电池 电池充电器等输出能量或 消耗能量时都需要负载来实现 传统的方法是利用静态电阻 固定电阻 变阻箱和 滑动变阻器等 来充当被测负载 但由于实际负载的形式较为复杂 通常都是动态 的 即负载随时间 频率在不断地变化 因此静态负载很难完全模拟实际负载 在电源生产过程中 出厂性能测试是非常重要的一个环节 为了便于测试 现在 一般采用的是模拟负载 而非实际负载 即我们所提及的电子负载 它利用功率 器件 MOSFET IGBT 等 模拟电阻器 具有很强的操作灵活性 一直以来 国 内外学者都在不断研究可以替代实际负载的电子模拟负载 即电子负载 在选择 合适的电子模拟负载时 首先要确定模拟负载与实际负载的匹配性 即两者变化 范围 变化规律及容量是否能够一致 其次是验证模拟负载的控制方式是否可行 能馈型电子负载是一种能够模拟实际电阻负载特性的新型电力电子装置 用 于直流电源功率试验 并将测试的直流电能逆变为交流并入电网 实现电能的再 生利用 该装置具有节能 体积小 重量轻节省安装空间 试验性能优良等优点 电能反馈型电子负载利用电力电子变换技术将被试电源的输出能量大部分无污染 地反馈回电网 节约了大部分的能源 另一方面 因为能源的节约不会产生大量的 热量 所以不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备 由于采用的是能量反馈方式 试验场所也不必配备较大的电源容量 这种电子负载与一般电子负载的区别在于 一方面 它从被试电源吸收的电能返回给电网 以供被试电源循环使用 其损耗 仅仅是 PWM 变流器的开关损耗和线路损耗 从而最大限度地节约了能量 另一方 面 由于所采用的 PWM 变流器工作在开关状态 与一般工作在放大状态的电子 负载相比 它可实现大功率应用的要求 从而具有更广阔的应用领域 它的主要 作用是替代传统电阻性功率负载进行相关的功率实验 也可应用于仪器设备的测 试实验 电子负载在其拓扑中采用逆变器将能量回馈电网 可使能量损耗降低至 少 80 电能反馈型电子负载可以替代传统电阻型及一般电子功率负载进行相关的功 率实验 也可被应用于仪器设备的测试实验 与电阻型及一般电子型负载相比它 具有以下的优点 1 节约能源 被试设备的输出能量回馈到电网 为被测试电源循环使用 其损耗仅仅是电能能馈型电子负载的开关等元件的发热损耗和线路损耗 节约了 能源 另一方面又不产生大量的热量 避免了试验场所环境温度升高的问题 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 5 2 体积小 重量轻 节约空间 由于该电子负载没有把试验的功率变成热 浪费掉 因此不必使用体积庞大的电阻箱及冷却设备 大大节约了安装空间和安 装费用 3 可连续调节所模拟负载 电阻型负载在功率较高时不得不采用有级调节 在使用时受到很大限制 而能馈型电子负载作为动态负载 可以跟据需要自由进 行调节 负载形式较复杂 4 由于采用的是能量回馈的方式 因此 试验场所不必配备较大的电源容 量 随着国民经济的发展 人们对能源的要求及试验自动化的要求也会越来越高 一方面需要越来越多的功率试验手段 另一方面由于能源的紧缺使得能耗的费用 也越来越高 基于节约能源 减少开支和试验自动化的要求 很多场合 例如通 讯电源出厂试验 各种整流柜出厂试验 大功率充电电源试验 蓄电池放电试验 电机出厂试验 柴油机汽油机出厂试验 汽车动力性能试验 电解电镀电源出厂 试验 以及不停电电源出厂试验等 将越来越多地采用电子负载进行考核试验 实际上负载的形式较为复杂 常为一些动态负载 如 负载消耗的功率是时间的 函数 或者负载工作在恒定电流 恒定电阻 恒定电压方式以及不同的峰值因数 功率因数或负载为瞬时短路负载等 传统负载模拟不了这些复杂的负载形式 基于能馈型电子负载具有以上的优点 尤其在节约能源和减少电源检测成本 等各方面能馈型电子负载都有积极的作用 所以对它的研究与实现具有重要的意 义 目前 软开关技术也应用到了电子负载实现中 ZVZCS 电子负载软开关技术 得到实现 后期随着技术的发展 交流电子负载的研究也逐渐兴起 能馈型电子负载不断受到研究者的青睐 而其也要依赖于并网逆变技术的发 展 1 2 2 逆变技术的发展和研究成果 逆变技术就是将直流电转变成交流电 当交流侧接在电网上 即接有电源是 称为有源逆变 当交流侧直接与负载相连是 称为无源逆变 逆变技术的发展是 依靠电力电子技术的发展 计算机控制的发展的 而最重要的基础就是电力电子 技术的发展 电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 电力电子 技术是 20 世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术 同时 电力电子技术依赖 于晶闸管 电力晶体管等电力电子器件的发展 1904 年出现了电子管 它能在真 空中对电子流进行控制 并应用于通信和无线电 从而开了电子技术之先河 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 6 1947 年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管 引发了电子技术的一场革命 70 年代后期 以门极可关断晶闸管 GTO 电力双极型晶体管 BJT 和电力场效 应晶体管 Power MOSFET 为代表的全控型器件迅速发展 在 80 年代后期 以 IGBT 为代表的复合型器件异军突起 随着全控型电力电子器件的不断进步 电 力电子电路工作频率也不断提高 随着电力电子技术和控制水平的不断提高 将 直流变交流的逆变技术的不断发展 目前 应用于不同的场合的逆变器拓扑结构有多种情况 各种拓扑可以相互 结合成各种不同的形式 以满足各种要求 据逆变器拓扑结构的级数 可以分为单 级逆变器和多级逆变器 单级式逆变器是只用一级拓补结构就可以完成升压和交 直流电能转换 DC AC 的逆变器 多级式逆变器需要多级拓补结构进行能量交 换 其中前几级大多用于升压或电气隔离 由最后一级完成电能的转换 在功率较小的场合 大多采用高效 低成本的单级逆变器 而在大功率 宽 电压范围输入的场合 多采用多级逆变器 相比之下 多级逆变器的效率低于单 级逆变器 除此之外 逆变器的还包括单相逆变器和三相逆变器 根据逆变器的输入端 和输出端是否隔离 逆变器分为隔离型和非隔离型 隔离型逆变器多采用变压器进 行隔离 变压器可选择工频电压器或高频电压器 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 同时也可以从电网吸收能量 当电网电能富足时 从公用电网吸收 电能 并将其存储起来 因为分布式发电并网逆变器的输入直流电压的波动范围很大 所以根据逆变 器输入直流电压和输出交流电压的比较 可以将逆变器分为 Buck 逆变器 Boost 逆变器和 Buck Boost 逆变器 并网逆变器控制策略可以采用模拟方式和数字方式来实现 早期的并网逆变 器一般采用模拟控制方式 采用波形发生电路分别产生正弦信号波和三角载波 两者比较生成的 SPWM 波通过驱动电路控制主电路中功率器件的开通和关断 模拟控制方式控制电路设计复杂 难以设计 而且只能采用 PID 控制 随着数字 技术的不断发展完善 选择基于数字式 DSP 的控制策略应用越来越广泛 采用数 字化控制方式 系统效率高 电能质量好 可靠性好 采用 DSP 进行控制 设计 简单 而且可以实现多种控制方式 如智能控制 目前还有数模混合的控制方式 这种方式控制简单 DSP 资源占用少 工作稳定可靠 可以完成多个控制模块进 行并联工作 可以满足大功率场合的需求 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 7 目前应用于并网逆变器的控制方式有多种 如滞环控制 PI 控制 比例谐振 控制 重复控制 无差拍控制 单周期控制 模糊控制 神经网络控制等多种 我国的并网逆变器技术尚处于研发阶段 与国际水平相比有一定的差距 主 要表现在产业规模 产品的可靠性和功能上 所以发展具有自我知识产权的并网 逆变器相关技术 进而实现其产业化 已是刻不容缓的事 1 2 3 并网逆变器应用发展方向 从上两节看出 随着现代电力电子技术不断发展下 各种需求的增长 并网 逆变不断受到重视 并网逆变器是并网发电 馈能的核心技术 其中主要应用于 以下可再生能源发电 电子负载领域 在电机测试上也能有所应用 我国 电动 机的用电量已经占到社会总用电量的 60 以上 提高电动机的运行效率 可以帮 助用户节约电能 除了采用高效率的电动机和控制技术 对电动机的再生能量综 合利用 同样可以很好地节能 使用能量回馈系统 将电机运行中的消耗的部分能 量回馈电网 可以节省大量的能量 上述三种方式都需要接入电网 将直流电转 变成交流 即并网逆变环节 随着技术的发展和各种要求的增长 并网逆变器和 分布式发电的发展方向如下 1 并网逆变器的发展方向 效率高和成本低是并网逆变器研究不断追求的目标 围绕这两大目标 并网逆 变器有以下几个发展趋势 a 简化拓扑结构 简化拓扑结构 主要是减少功率开关管的个数 减少储能元 件的个数 简化谐波滤波装置等 近年来 并网逆变器朝向无变压器的非隔离型拓 扑结构发展 无变压器的逆变器与有变压器的逆变器相比 具有效率高 成本低 重量轻 体积小等优点 b 增大允许的直流电压输入范围 分布式发电的特点之一就是产生的直流电 压波动大 电压低 这就要求逆变器在这种情况下 能够输出高质量的适于并网的 交流电 在直流侧波动大的时候 Buck boost 逆变器配合适应技术和智能技术相结 合的控制方式 可以最大程度地把电能输入到电网 而且不影响输出交流电的品质 c 应用软开关逆变器 硬开关 PWM 逆变器的开关损耗很大 功率开关器件在 开关瞬间承受大的电流应力和电压应力 不利于整机效率和可靠性的提高 软开关 技术 ZVS 和 ZCS 的应用可以大大减小开关损耗 而且可以消除电压尖峰和浪涌电 流 极大地降低器件的开关应力 将软开关技术应用于并网逆变器 必将大大提高 并网系统的效率和可靠性 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 8 d 应用多电平逆变器 多电平逆变器可以应用于 2 3 6 9KV 高压系统的并网 逆变器 目前多电平逆变器主要有三种拓扑结构 二极管箝位型 电容箝位型和独 立直流电源串联型 它们都有自己适用的场合 多电平并网逆变器的控制比较复杂 必 须做好多个开关之间的同步与平衡控制 可以考虑用 FPGA 实现 e 发展三相并网逆变器 如今并网逆变器的研究更多的是集中在单相并网逆 变器 单相并网逆变器主要应用于 3KW 以下的系统 3 5KW 之间的系统也有应用 要发展大容量的逆变器 就要发展三相并网逆变器 2 分布式发电的发展方向 随着电力电子技术 现代控制技术和网络技术的发展 分布式发电系统拥有了 更大的发展空间 分布式发电并网是一个大趋势 为了实现分布式发电并网系统即 时监控功能 可以将通信网络技术应用于电网 形成电网和通信网整合的技术 电 网和通信网的整合可以实现电网的远程控制 可以记录用户发电用电情况 可以实 现整个电网的管理 当分布式发电逐渐进入千家万户 当电网和通信网整合完成 也许电力可以实现自由交易 我们可以像上传下载文件一样上传下载电力资源 1 3 本文的主要研究内容 在风力发电和太阳能发电 电子负载 分布式发电系统等领域 并网逆变是 共同的核心技术 因此 研究并网逆变器及其控制具有特别重要的社会意义与经 济意义 并网逆变系统是将直流电源发出的直流电转化为正弦交流电 从而向电 网供电的一个装置 它实际上是一个有源逆变系统 并网逆变器的控制目标为控 制逆变电路输出的交流电流为稳定的 高品质的正弦波 但是 电网存在的波动 将直接或间接影响到并网电流 使之产生畸变 从而影响到并网的功率因数 本 课题对如何降低电网电压波动对并网电流的影响进行分析与设计 本研究采用理论分析和仿真研究的方法 首先了解可再生能源利用和电能循 环利用中的 并网 和 电能回馈 的需求背景 分析研究并网逆变理论知识 利用 自动控制理论知识 分析控制方法的有效性及优点 并研究将电压前馈法和零误 差电流跟踪法两种方案结合在一起的优势和特点 最后用仿真软件验证理论结果 预期达到将两种方法结合后 能发挥出更好的结果 能够应用到实验当中来 本 课题为并网逆变抗电网电压扰动电流控制研究 根据自动控制的原理 分析研究 不同控制方法对抗电网电压扰动的影响 具体研究方案如下 设计一种 电压源输入 电流源输出 方式的单相并网系统 在 MATLAB Simulink 环境下 建立该单相并网系统的仿真模型 并利用该模型分析 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 9 系统工作原理 考虑电网电压波动对的并网电流控制的扰动作用 设计具有抑制 扰动功能的并网系统 建立具有抑制电网电压扰动功能的并网系统仿真模型并分 析和验证扰动控制器的功能和作用 技术要求 i 直流侧电压范围 100 120VDC ii 直流侧电流 20ADC 动态精度 2 iii 网侧电压 220VAC 50Hz iv 扰动影响降低 95 v 并网电流 cos 0 98 THD 1 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 10 第第 2 2 章章 电网波动情况的分类和分析电网波动情况的分类和分析 2 1 当前电网波动情况分析 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化 诸如半导体整流器 晶闸管 调压及变频调整装置 炼钢电弧炉 电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展 由 于其非线性 冲击性以及不平衡的用电特性 使电网的电压波形发生畸变或引起 电压波动和闪变以及三相不平衡 甚至引起系统频率波动等 对供电电能质量造 成严重的干扰或 污染 电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司包 括独立电能生产者在发电侧实行竞争 输配电系统即电力公司与发电分离独立经 营管理 为发电公司和用户提供转送电能服务 用户侧也可以作为独立实体参加 价格控制 这样一个开放和鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出越来越高的 要求 并促使电能质量标准化的发展和不断完善 电能质量中的一个重要问题就是谐波的问题 谐波问题受到各界的广泛关注 随着电力电子技术的广泛应用和发展 供电系统中出现了大量的非线性负载 是 静止变流器 静止变流器是用开关方式工作的 这就给电网带来了大量的谐波 综合分析 对电网产生谐波的原因主要有三个 1 发电源质量不高产生谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称 铁心也很难做到绝对均匀 一致和其他一些原因 发电源多少也会产生一些谐波 但一般来说很少 2 输配电系统产生谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波 由于变压器铁心的饱和 磁化曲 线的非线性 加上设计变压器时考虑经济性 其工作磁密选择在磁化曲线的近饱 和段上 这样就使得磁化电流呈尖顶波形 因而含有奇次谐波 它的大小与磁路 的结构形式 铁心的饱和程度有关 铁心的饱和程度越高 变压器工作点偏离线 性越远 谐波电流也就越大 其中 3 次谐波电流可达额定电流的 0 5 3 用电设备产生的谐波 电视机 计算机 复印机 电子式照明设备 变频调速装置 开关电源 电 弧炉等用电负载大都是非线性负载 都是谐波源 如将这些谐波电流注入公用电 网 必然污染公用电网 使公用电网电源的波形畸变 增加谐波成份 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 11 而其中的主要谐波源是一些电力电子装置 造成电网谐波污染的主要谐波源 包括 1 带感性负载的整流电路 不但产生谐波 而且也造成功率因数的滞后 2 直流侧含滤波电容的直流电路也是污染严重的谐波源 其输入电流的基 波分量虽与电网电压大致相位相同 位移因数近似为 1 但其输入电流中的谐波 分量很大 而总功率因数很低 给电网造成了严重的污染 3 逆变和斩波装置的直流电源来自于整流电路 尤其是直流电压供电的逆 变和斩波装置 其直流电压源大多是由二极管整流再经电容滤波而得 因此谐波 和无功问题也很严重 4 彩电和个人电脑等家用电器和办公设备 都内含开关电源 它们日益普 及带来的谐波污染也日趋严重 5 感应电机在轻载运行时功率因数很低 无功功率问题很突出 基于对电能质量的广泛研究 国内外均出台了相应的电能质量标准 其中包括 国际标准 IEEE 519 标准 IEEE 制定的关于谐波的标准 IEC61000 3 标准 国际电工委员会制定的电压波动和闪变的标准 国内标准 GB12325 90 电能质量供电电压允许偏差 GB T 14549 93 电能质量公用电网谐波 GB12326 1990 电能质量电压允许波动和闪变 GB T15443 1995 电能质量三相电压允许不平衡度 GB T15945 1995 电能质量电力系统频率允许偏差 而电网中的波动谐波主要以奇次谐波为主 其中 3 次谐波的危害最大 国际电 工委员会 IEC 已于 1988 年开始对谐波限定提出了明确的要求 美国 IEEE 电子电 气工程师协会 于 1992 年制定了谐波限定标准 IEEE 1000 在 IEEEstd 519 1992 标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数 THD 应在 5 以下 而 对于医院 飞机场等关键场所则要求 THD 应低于 3 因此根据上述分析 在并网逆变器的设计中 由于也会产生谐波 所以也需 要考虑输出的谐波畸变率 本课题要求的 THD 1 完全满足要求 同时 也要 着重考虑电网波动情况对并网逆变器的影响 这也是辨证地考虑问题 2 2 电网波动情况分类 电网是一个庞大复杂的系统 其中有多种多样的非正常波动及谐波 对各种 电网波动情况的分类是研究课题的基础 根据 IEEE 标准统筹委员会和其它国际 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 12 委员会的文件 推荐用以下术语来描述主要的电能质量问题 1 电压下陷 电压有效值降到额定值的 10 90 持续时间为 0 5 个周波至 1 分钟 主要是由大型设备 大型电动机启动 或者大型电力变压器的接入造成 的 2 电压上升 电压有效值升到额定值的 110 以上 典型值为额定值的 110 180 持续时间为 0 5 个周波至 l 分钟 3 过电压 电压为额定值的 110 120 持续时间过 1 分钟 4 欠电压 电压为额定值的 80 90 持续时间大于 l 分钟 5 电压中断 指电网供电中断 低于额定值的 10 持续 0 5 个周波到 3 秒为 瞬时中断 持续 3 秒到 6 秒为暂时中断 持续时间大于 60 秒为持续中断 主要 是电网的断路器跳闸 市电供电中断 电网故障等 6 电压波动 也即闪变 电压的幅值在一定范围内有规律或者随机地变化 其电压幅值变化通常为额定值的 90 110 7 电压瞬变 指在一定的时间间隔内两个稳态量之间的变化 可以是任意极 性的单方向脉冲或者第一个峰值为任意极性的衰减振荡波 8 谐波 频率为基波电压整数倍的电压或电流 电力电子装置和负载的非线 性特性引起的波形畸变可分解为基波和谐波之和 9 间谐波 电压或者电流频率不是基波的整数倍 间谐波主要由静止变频器 周波变频器 感应电机和电弧设备产生 目前 解决电能质量问题造成困扰的基本思路有三条 1 提高用户终端设备的抗干扰能力 如采用在线式 UPS 使得用电设备与 电网隔离 2 对电力电子装置进行本身改造 使其不产生谐波 且功率因数可控制为 1 如单位功率因数变流器 UPFC 3 提高发电 输电和配电系统的电能质量和可靠性 如采用柔性交流输电 技术 FACTS 和用户电力技术 CustomPwoer 等 对输电网和配电网电能质量进行 全面综合补偿和控制 而在改善电能质量的同时 对于用电设备 在与电网电网 并联时也应考虑电网情况对终端设备的影响 针对电网的各种扰动情况 其中对影响最大的还是谐波影响和电压幅值波动 因此 本文主要将研究此两种情况下并网逆变器的控制策略 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 13 2 3 电网波动对并网逆变器的影响 并网逆变器对电网的波动情况也会有明显的反应 这是在设计并网逆变器时 需要考虑的重要因素 系统对并网电流的控制不仅仅要注意其稳态性能指标 而 且要关注其动态指标 从电流结构框图中可以看出 电网电压相当于外部电压扰 动 由于电网可以视作功率为无穷大的电压源 且电网交流电压幅值变化较大 在控制环节中的影响不容忽视 电网电压对并网电流的影响和干扰可以通过电流闭环控制框图 2 1 看出 电 网电压在滤波环节之前 靠近输出电流 从传递函数看出电网电压对电流有影响 从上式中可以发现 干扰量会对并网电流产生影响 3 N Us G S 图 2 1 并网逆变电流内环控制框图 传递函数 2 1 1231233 1 ccN i sG S G S G Si s G S G S G SUs G S 电网电压波动对并网电流的影响可以通过仿真看出来 当存在谐波和电压暂 降时都能明显看出并网电流的畸变 具体波形见第五章 电网波动对并网逆变器 的影响如何抑制 就是研究并网逆变控制的目的所在 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 14 第第 3 3 章章 并网逆变器结构和原理并网逆变器结构和原理 3 1 并网逆变器简介 并网逆变器就是利用有源逆变的原理将直流通过逆变器转换成交流并连入电 网的转换器 逆变器利用电力电子开关的不断导通及关断 产生交变电流 其中 电子开关的导通由控制电路的调制信号控制 为保证并网的有效性和安全性 需要保证逆变器输出电压与电网电压同频 同相 电压等级相当 这里一般需要利用反馈的控制策略 同时 为保证安全性 在并网前要加入即时保护装置也是至关重要的 为保证馈送电能的有效性及质量 要求接口电压与电网电压相匹配 同时保 证同频同相 而并网逆变重要在于控制方法上 同时 电网电压存在周期性的波 动 电压波动是由一系列电压 均方根值 变动引起的 有短时间及长时间隔的 波动的谐波将直接或间接影响到并网电流 使之产生畸变 从而影响到输给电网 的功率因素 如何降低电网电压波动对并网电流的影响 就是将要研究的课题 课题的意义将使在电网电压波动情况下并网电流控制更稳定 而逆变的抗干扰能 力程度由在电网波动情况下并网电流的畸变率 THD 判定 3 2 并网逆变器的组成和拓扑 目前 应用于不同的场合的逆变器拓扑结构有多种情况 各种拓扑可以相互 结合成各种不同的形式 以满足各种要求 据逆变器拓扑结构的级数 可以分为单 级逆变器和多级逆变器 单级式逆变器是只用一级拓补结构就可以完成升压和交 直流电能转换 DC AC 的逆变器 多级式逆变器需要多级拓补结构进行能量交 换 其中前几级大多用于升压或电气隔离 由最后一级完成电能的转换 多级转换 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 15 逆变器应用最多的结构为 DC DC AC 逆变器 DC AC AC 逆变器和 DC AC DC AC 逆变器 其结构如下图所示 AC grid u 逆变器 滤波器 DC V 电子负 载 分 布式发 电能 源 电 机 图 3 1 单级并网逆变器结构 图 3 2 多级并网逆变器结构 在功率较小的场合 大多采用高效 低成本的单级逆变器 而在大功率 宽 电压范围输入的场合 多采用多级逆变器 相比之下 多级逆变器的效率低于单 级逆变器 除此之外 逆变器的还包括单相逆变器和三相逆变器 根据逆变器的输入端 和输出端是否隔离 逆变器分为隔离型和非隔离型 隔离型逆变器多采用变压器进 行隔离 变压器可选择工频电压器或高频电压器 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 同时也可以从电网吸收能量 当电网电能富足时 从公用电网吸收 电能 并将其存储起来 因为分布式发电并网逆变器的输入直流电压的波动范围很大 所以根据逆变 器输入直流电压和输出交流电压的比较 可以将逆变器分为 Buck 逆变器 Boost 逆变器和 Buck Boost 逆变器 3 3 一般的电路结构 并网逆变器拓扑结构的发展拓扑结构是逆变器的关键部分 它关系着逆变器的 效率和成本 分布式发电系统所使用的并网逆变器拓扑结构要求成本低 效率高 而且能承受直流电压波动大 整体直流电压很低的实际情况 另外 逆变器的输出 也要满足较高的质量 比如 THD 很小 功率因数为 1 与电网电压同频同相等 根据逆变器的输入端和输出端是否隔离 可以将逆变器分为隔离型和非隔离型 隔 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 16 离型逆变器一般都是用一个变压器来进行隔离的 隔离的方式可以选择低频隔离 型 如图 3 3 和高频隔离型 如图 3 4 因为分布式发电并网逆变器的输入直流电 压的波动范围很大 所以根据逆变器输入直流电压和输出交流电压的比较 可以将 逆变器分为 Buck 逆变器 Boost 逆变器和 Buck Boost 逆变器 值得注意的是 尽 管图 3 3 和图 3 4 它们本身是 Buck 逆变器 但是通过 PWM 的控制和变压器的升降 压 最后也可以达到 Boost 和 Buck boost 逆变器的效果 图 3 3 传统低频隔离型 Buck 逆变器 传统的逆变器在用于现有很多大功率系统时 往往需要装设一个笨重的工频变 压器 对逆变过程中产生的谐波 直流分量具有很好的隔离效果 能够有效地满足 技术标准和规范对并网设备的要求 但是成本高 体积大 重量重 特别是有变压 器后逆变效率难以进一步提高 所以传统的逆变器并不符合电力电子 多硅少铁 的研究趋势 所以现在对并网逆变器的研究主要集中在减小体积 降低成本 全面 提高转换效率 增强承受输入直流电压波动的能力等方面 图 3 4 多级式高频隔离型 Buck 逆变器 根据逆变器拓扑结构的级数 可以将逆变器分为单级逆变器和多级逆变器 单 级式逆变器是只用一级能量交换就可以完成升降压和 DC AC 转换的逆变器 根据 它们所需要的开关管的个数 可以将单级式逆变器分为四开关型逆变器和六开关型 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 17 逆变器 多级转换逆变器需要多于一级的能量交换 其中前几级往往完成升降压或 电气隔离的功能 最后一级来完成 DC AC 转换 多级转换逆变器大致可分为 DC DC AC 逆变器 DC AC DC AC 逆变器以及 DC AC AC 逆变器 下面主要介绍 用于并网的单级 Buck boost 逆变器 1 单级 Buck boost 逆变器拓扑结构 首先我们来看两个四开关型的例子 图 3 5 是一个四开关非隔离型 Buck boost 逆变器 输入端把直流电源分成两部分 分别给两组 Buck boost 电路供电 两 个 Buck boost 电路交替工作 使用属于自己的电源部分 每次工作半个周期 它允 许输入的最低直流电压为 42V 81V 转换效率约为 80 这个拓扑结构结合 MPPT 控制 适用于住宅光伏发电系统 图 3 6 是一个四开关隔离型双向 Buck boost 逆变 器 两个双向反激变换器并联组成了主电路拓扑 电网连接着两个变换器的输出端 两个交流滤波电容器 2 22 F 代替了与电源并联的大电解电容来存储电能 当 PV 产生的电能大于往电网输送的电能时 两个电容器吸收电能 当 PV 产生的电能不 能满足负载需求时 两个电容器释放电能 这种拓扑结构的优点是装设的两个高频 变压器起到了电气隔离的作用 而且可以承受直流电压有比较大的波动 但是两个 高频变压器也增加了成本 这样的逆变器适用于 PV 发电系统 图 3 5 四开关非隔离型 Buck boost 逆变器 图 3 6 四开关隔离型双向 Buck boost 逆变器 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 18 下面是两个六开关型的例子 图 3 7 是一个六开关隔离型 Buck boost 逆变器 拓扑结构 由两组 Buck boost 斩波电路组成一个四开关桥 两个附加的开关 Q5 和 Q6 保证每半个周期的同步交换 输入输出之间用一个高频变压器进行隔离 这 种拓扑结构可以保证在输入直流电压变化范围很大时 得到令人满意的交流输出波 形 图 3 8 是一个六开关非隔离型 Buck boost 逆变器拓扑结构 储能电感 L 上的电 压每半个周期变化一次 因而产生了交流输出 这个拓扑结构的优点在于通过对两 个附加的开关管 E 和 F 的控制就可以实现电气隔离 省去了笨重的变压器 它能 承受的最低输入直流电压为 42V 81V 效率为 87 适用于小型 PV 系统 图 3 7 六开关隔离型 Buck boost 逆变器 图 3 8 六开关非隔离型 Buck boost 逆变器 单级 Buck boost 逆变器省去了低频变压器 与传统的工频逆变器相比 性价比 高 体积小 流过这种逆变器主开关的电流往往是不连续的三角脉冲 所以流过开 关的电流不能直接控制输出电流 即使工作在 CCM Continuous Conduction Mode 状态 要增大逆变器的容量 就要增加电流的峰值 增加开关承受的电流应力 另 外 单级式逆变器的拓扑结构简单 成本低 但单级式非隔离型升压的程度有限 其升 压是通 205 分布式发电及其并网逆变器拓扑结构的发展现状过电感的储能实现的 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 19 因此传输功率有限 仅适用于小功率场合 在大功率 高性能 直流电压波动范围 大的场合 多级式逆变器更加适用 2 多级式逆变器拓扑结构 图 3 9 是一个两级式非隔离电压源型 Boost 逆变器 它由一个 Boost DC DC 变 换器和一个电压型全桥逆变器组成 实现方式为 DC DC AC 前级对直流电压进行 升压 保证直流电压的纹波在系统允许的范围内 后级利用 PWM 技术完成逆变 得 到适于并网的交流电压波形 前后两级可以分开控制 控制环节比较容易设计和实 现 图 3 9 还有另外一种控制策略 在前级将直流电压整流为正弦波形 后级将这个 正弦波转换成电网频率的交流电压 这样的控制策略可以减小开关的损耗 节省中 间的电容器 提高效率 图 3 9 两级式非隔离电压源型 Boost 逆变器 升压比例比较大的多级式逆变器往往需要一个高频 DC AC DC 变换器 把变 化的直流电压转变成可控的直流电压 最后通过一级高频或低频逆变器 得到预期 的交流电压 实现方式为 DC AC DC AC 图 3 4 是一个传统型的拓扑结构 它通 过前级逆变器的高频升压变压器 整流器和直流滤波器 在前级和后级逆变器之间 得到了一个可控的直流电压 这种拓扑结构的每一级的开关频率都很高 因而损耗 和成本很高 图 3 10 是一个多级式 Boost 逆变器 它的前级由 PWM 控制 在前级 和后级间得到一串直流脉冲序列 称为伪直流环节 根据冲量原理 这个直流脉冲 串对应的是正弦或者半正弦波形 与图 3 4 相比 图 3 10 的伪直流环节省略了直流 滤波器 后级逆变器只用很低的开关频率就可以得到高质量的输出 最后需要一个 低通滤波器来减小 THD 图 3 4 和图 3 10 多用于风力发电系统 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 20 图 3 10 多级式 Boost 逆变器 以上提到的两种 DC AC DC AC 逆变器的后级是电压源型逆变器 而图 3 11 后级是一个电流源型逆变器 图 3 11 的前级开关管高频斩波在电感上得到半正弦 后 级使用很低的开关频率将电感电流调整为正弦输出 输出端省去了交流滤波器 中 间省去了电解电容 这个拓扑是针对于 10KW 光伏发电系统提出的 图 3 11 多级式电流源型 Boost 逆变器 多级式逆变器往往需要在前级装设一个高频变压器 增加升压的比例 提供必 要的隔离 后级是一个低开关频率的逆变器 减少整体的开关损耗 但是 多级式 逆变器为了增强承受直流电压波动的能力 扩大容量 一般包含两级或者更多级 附加了一些器件和损耗 本文根据实际需求 选择单级单相拓扑结构 3 4 并网逆变控制方法 在对电网能源利用的不断重视下 将直流逆变成交流输送到电网的一个重要 环节就是并网逆变器 逆变器及控制的好坏将直接影响到输送到电网中的电能质 量 光伏并网系统逆变器按控制方式分类 可分为电压源电压控制 电压源电流 控制 电流源电压控制和电流源电流控制四种方法 以电流源为输入的逆变器 其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入 但由于此大电感往往会 导致系统动态响应差 因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 21 入为主的方式 逆变器与电网并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制 电网系统可视为容量无穷大的定值交流电压源 如果并网逆变器的输出采用电压 控制 则实