5KW单相并网逆变器设计——毕业论文

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1、武汉理工大学毕业设计（论文）5KW单相并网逆变器设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气专业 学生姓名： 指导教师： 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 分布式发电系统11.1.1 风能发电系统11.1.2 燃料电池发电系统21.2 分布式发电系统的并网标准31.3 并网逆变器系统结构简介41.4 选题目的及主要研究内容5第2章 并网逆变器功率电路研究与设计62.1 并网逆变器拓扑62.1.1电路结构62.1.2 拓扑族62.2 主电路结构框图72.3 逆变器主电路结构82.4 逆变器调制方式及开环仿真82.4.1 采用单极性倍频的工作方式82.4.2 并网逆变器开

2、环仿真9第3章 并网逆变器控制及信号分析103.1 输出控制方式103.2 锁相环(PLL)技术103.3 孤岛检测113.3.1 孤岛效应及其危害113.3.2 基于并网逆变器的反孤岛策略123.3.3 其它的一些外部检测方法143.3.4 孤岛检测方法的小结153.4 谐波的测量和检测153.4.1受端治理措施153.4.2 主动谐波治理的措施163.4.3 被动治理谐波的措施173.5 直流注入问题173.5.1 产生直流分量原因及危害173.5.2 抑制直流分量方法18第4章 并网逆变器的建模及仿真194.1 并网逆变器闭环建模及仿真194.2 本章小结20总结21参考文献22致 谢2

3、3摘 要随着新能源在分布式发电系统（DG）中的不断应用，并网逆变器系统的研究逐渐成为一个重要的领域。本文针对并网逆变器系统进行了实验和相关的研究，主要内容如下：本文首先对新能源分布式发电系统和并网逆变的相关的技术进行总结，简要介绍了以燃料电池和风能两种可再生能源发电中电力电子技术的应用为例。其次主要总结了逆变器的各种拓扑结构，选择逆变器调制方式，并且对逆变器开环系统进行了仿真。然后主要讲了逆变器控制方式及锁相功能，介绍孤岛效应的概念和危险、几种防止孤岛效应的检测方法、直流注入问题，也介绍了谐波的检测和抑制。最后则是在Matlab中对并网逆变器闭环系统进行了仿真，达到了较好的并网电流跟踪电网电压

4、的效果。本文主要是通过对并网逆变器的相关的了解和研究，然后进行并网逆变器的仿真，实现并网电流准确跟踪电网电压，通过闭环控制。最后对本文工作进行了总结和展望。关键词：并网逆变器；锁相；孤岛检测；Matlab仿真AbstractWith the application of new energy in distributed generation(DG) system, grid inverter system gradually become an important field. This thesis has carried on the experiment and research In

5、 view of the grid inverter system, the main contents are as follows:The new energy distributed generation system and grid-connected inverter related technologies have been summarized. The second mainly summarized a variety of inverter topologies, choosed inverter modulation method and simulated the

6、inverter open-loop system, Then the mainly talked about the inverter control mode and phase locking function ,introduced the concept and danger of islanding , several kinds of preventing islanding detection methods, direct current injection problems and harmonic detection and suppression. The last s

7、imulated the grid inverter closed-loop system in the Matlab ,and it has achieved good results in the matter of grid current tracking grid voltage.Finally, the work in this paper is summarized and prospected .Key Words：grid inverter; phase lock; islanding detection; the Matlab simulation23武汉理工大学毕业设计（

8、论文）第1章 绪论现代的社会对能源的需求不断的增加，但是可以供利用的煤炭、石油等一次能源变得越来越少，而且发电过程中石油产生的废气、煤炭的燃烧和废物都对自然环境造成了严重的污染，对人类的健康和生活造成了很大的危害。能源的危机，以及人们对自然保护意识的增强，使得人们逐渐开始使用可再生能源。因此，分布式发电系统（DG）中使用可再生能源的将会迅速的发展起来，其中大多数在中型或者小型发电系统中用于补充电网系统、局部地区或者是偏远地区的发电等方面。可再生能源的使用同时兼具了环保性和持续利用性，但是也存在着一些难以解决的问题。光伏电池价格昂贵，除了这样的问题之外，可再生能源的使用会明显的受到很多因素的影响

9、，如时间和季节。对于不同的用户，有可能会出现完全不一样的特性，仅仅采用独立的可再生能源的分布式发电系统要想给不同使用需要的用户来供电是非常困难的。所以，最好的解决办法就是将可再生能源的发电系统并网使用1。1.1 分布式发电系统分布式发电系统(Distributed Generation System，简称DG系统)，一般指的是容量不大于10MW，而且为电网提供电能的发电系统或者是能量储备发电系统在需要的时候，它们会并网使用或者是与电网隔离而单独运行。分布式发电系统中使用新能源发电，比如太阳能电池或者燃料电池产生的电压变，还有速风力发电而产生的电压都不能够直接并入电网。所以，在分布式发电系统中电

10、力电子技术的应用起着非常重要的作用，其必须使得分布式发电系统和电网系统的特性匹配，使之符合并网的要求，包括电压、频率、无功、有功以及谐波等等方面。下面就以燃料电池和风能两种可再生能源发电中电力电子技术的应用为例。1.1.1 风能发电系统按照电力电子技术在系统中的使用来划分的话，风涡轮发电技术可以划分为三个类别：无电力电子的技术系统，部分无功补偿会采用电力电子技术和全部采用电力电子技术的变换系统，分别如下图1.1（a，b，c）所示。风能发电主要是利用风力很大的地理位置，不断发展大容量，组成风场发电。所以很多独立风涡轮发电系统并网是先通过不同的方式变换，例如，有一种风涡轮系统是先由每个独立的风涡轮

11、系统经过AC/DC装置后，每个独立的风涡轮系统进行串并联，通过DC/AC装置并入电网，如图1.2中的系统结构所示。这样，每个风涡轮都有自己的变换器装置，因而可以按各自的优化速度运转。图1.1 风涡轮发电系统的结构图图1.2 风场发电的系统结构图1.1.2 燃料电池发电系统燃料电池是化学装置，其可以不需要任何中间的过程而直接产生电能，它最大的优点是高功率密度和对自然环境的低污染。它的自身效率基本可以达到40%-60%，若配合气轮机、加热使用或者热气利用它的燃烧热能，燃料电池的总利用效率甚至可以达到80%。燃料电池的单元电压在理论上最大可达l.2V，所以通过串并联后DC/DC和DC/AC装置转换得

12、到了用户负载所需要的电压。图1.3(a)，(b)为燃料电池的两种率变换系统结构框图。燃料电池= =电网DC/DC变换器DC/AC变换器（a）DC/DC和DC/AC链接结构=燃料电池电网DC/AC变换器AC/AC变换器（b）DC/AC和AC/AC链接结构图1.3 燃料电池功率变换系统的结构图1.2 分布式发电系统的并网标准随着分布式并网发电系统的逐步增加，它们在一定程度上改变并且影响了电网，影响了其调节能力。所以，国际相关部门针对分布式发电并网系统制定出了一些相关的技术尺度以及并网必须遵守的要求。2003年6月，由标准制定委员会(Standards Coordinating Committee

13、21，SCC21)发布的IEEE Std15472003是第一个分布式电源系统并网的标准，规范了光伏系统、燃料电池、能量存储设备、分布式发电装置等这类分布式电源系统。IEEE Std15472003考虑的是容量不大于10MVA，工作频率是60HZ的分布式发电系统。所以针对中国的50HZ市电研究，根据该标准按比例修改，然后作为参考。该标准所关注的是测试规范、技术规范和并网连接本身，它包括通用的技术指标、异常响应的情况、并网波形的质量、保护措施、孤岛、测试标准以及并网维护等等。下面是标准中关于并网的几个重要技术指标和要求2：首先是电压异常范围和响应时间。并网工作的时候，标准电压的88%110%为电

14、网电压的正常范围，当电网相电压超出了所允许的范围(如表1.1所示)，并网系统应立马检测出来，并且应该在所规定的响应时间内，迅速脱离电网。表1.1 并网系统电压的异常响应时间电压范围（标准电压的百分比）响应时间（S）V50%0.1650%V88%2.00110%V120%1.00V120%0.16其次是频率异常范围和响应时间。标准制定委员会2003年发布的以60HZ分布式发电系统为对象的标准，得到表1.2中的频率允许的偏移范围和需要做出动作的响应时间。60HZ下的系统正常范围是59.360.5HZ。根据功率的情况分为两类，容量大于30kW的装置其表格数据有可变范围。表1.2 并网系统频率异常响应

15、时间分布式系统容量频率范围（Hz）响应时间（S）30kW60.50.1659.30.1630 kW60.50.16（59.857.0）0.16到300可变57.00.16还对并网电流谐波有要求。并网系统不允许对电网质量造成污染，所以对并网电流要求如表1.3所示。表1.3 并网电流的谐波指标奇次谐波hh1111h1717h2323h3535h总谐波（THD）（%）4.02.01.50.60.35.0再就是对并网同步的要求。并网系统工作的时候，并网的频率、相位必须和电网电压同步，而且必须使电压幅值跟踪电网电压在系统和电网闭合之前，当这三个指标全部都达到表1.4所示的要求时，才允许闭合并网系统和电网

16、，使系统和电网并联工作。表1.4 系统并网同步的参数指标容量（kVA）频率差（f，Hz）电压差（V，%）相位差（，）05000.3102050015000.25151500100000.1310还有对电压谐波的要求。分布式发电系统在独立逆变运行的时候对电压谐波的要求如表1.5。表1.5 电压谐波的技术指标谐波hh1111h1717h2323h3535h总谐波（THD）（%）4.02.01.50.60.35.0在该标准中，有关功率因数的要求并没有很明确的指出，可在其它相关的应用标准中查询一下。例如在IEEE Sdt9292000中规定光伏系统在输出功率大于10%额定功率的时候，功率因数应该大于0

17、.85。1.3 并网逆变器系统结构简介对于独立运行的并不用作并网功能的逆变器，其电路结构的拓扑研究在单相和三相方面都已经有很多，并且很多成熟的电路己经应用在产品中相当一段时间了。然而，系统结构考虑的更多的是采用单级或两级以上的逆变器，在可再生能源的分布式并网发电中的应用，来实现并网。而采用单相或者是三相的结构，和研究独立运行的逆变器有很多的相像之处，一般根据功率、效率、控制、成本以及实际上用户的需求来确定3。所以，本文主要介绍的事单相并网逆变器（可再生能源）的系统结构。单级型逆变器通过一级功率变换器来将低压直流直接转换成高压交流，如下图1.4。可再生能源DC/AC变换器输出滤波器图1.4 单级

18、逆变器的变换结构1.4 选题目的及主要研究内容随着新能源的开发利用，研究并网逆变器也随之逐渐增加。无论是小型发电系统又或者是大的局部电网馈能系统都需要高效的、可靠的、低成本的并网逆变器。本文选择并网逆变器进行研究，对并网逆变器进行建模和仿真，以对并网逆变器有更深入的而了解。本文主要研究内容为逆变器的各种拓扑结构，选择逆变器调制方式，并且对逆变器开环系统进行仿真。研究逆变器控制方式及锁相功能，孤岛效应的概念和危险、几种防止孤岛效应的检测方法、直流注入问题，以及谐波的检测和抑制。在Matlab中对并网逆变器闭环系统进行仿真，要求较好的并网电流跟踪电网电压的效果。第2章 并网逆变器功率电路研究与设计

19、现在的新能源并网技术中，基本上大部分的研究都是针对并网逆变器的控制技术。但是作为并网系统而言，它的主功率电路的设计对于并网控制技术的研究有着相当重要的作用，具体要选择何种拓扑来用于系统设计，需要根据实际的需求和研究的目的来选定。2.1 并网逆变器拓扑针对于并网逆变技术的目前的状况和未来的发展趋势，对逆变器结构拓扑进行具体比较，根据隔离变压器的类型可分为高频环节并网逆变、低频环节并网逆变以及非隔离型并网逆变5。2.1.1电路结构可再生能源低频环节并网逆变器电路结构如图2.1所示，该电路结构由输入、输出滤波器和工频或高频逆变器，以及工频变压器构成。图2.1 可再生能源低频环节并网逆变器电路结构2.

20、1.2 拓扑族 低频环节并网逆变器可以由方波、脉宽调制等逆变器来实现。其电路结构包括半桥式、全桥式、推挽式、推挽正激式等等，如图2.2所示。 图2.2 可再生能源低频环节并网逆变器拓扑族（a）推挽式（b）推挽正激式（c）半桥式（d）全桥式2.2 主电路结构框图如图2.3所示为逆变器并网主电路框图，逆变桥为单相全桥，一个直流电压作为逆变桥的输入，该直流源一般是新能源转化后的DC侧电压源或储能的电池。输出接变压器低压边输入，变压器的高压边输出串联叠加后供负载使用。直流源逆变桥变压器滤波器电网负载采样输入反馈控制和脉冲输出图2.3 逆变器并网电路框图2.3 逆变器主电路结构本文主要研究的是逆变器并网

21、，从可再生能源到电能的转换这一部分不作介绍，而是采用直流母线电压为380V的全桥式逆变器拓扑作为研究装置。并网逆变器的主电路结构如图2.4所示。图2.4 并网逆变器主电路结构2.4 逆变器调制方式及开环仿真2.4.1 采用单极性倍频的工作方式为了让输出电感工作在高频从而减小体积，并且减小输出的谐波，本设计逆变器打算采用单极性倍频的调制方式。调制方式的原理图如图2.5所示，正弦波的载波为两个极性相反的三角波，以此来产生四路驱动信号。本文选择开关频率fs=10kHz，则输出电压的实际的载波频率fc=2fs=20kHz。图2.5 单极性倍频工作的原理图2.4.2 并网逆变器开环仿真 逆变器独立开环工

22、作时的仿真电路如图2.6。图2.6逆变器并网开环仿真电路图逆变器并网开环仿真电路如图2.6所示。图中所示的并网方式为电流型并网模式，其仿真波形如图2.7。两个正弦波分别为电压波形(电网电压)和滞后的波形为流入电网的电流波形，电流波形与电压波形有一定的相移。在开环系统中，虽然电流波形没有很好的跟踪电压波形，但是系统并未做出任何调整。在开环系统中，若是电网受到影响产生波动，则并网电流将与电网电压一直有相位差，这样的系统功率因素很低。图2.7 电网电压和并网电流仿真波形第3章 并网逆变器控制及信号分析并网研究中很关键的一部分就是逆变器的并网控制技术，其内容很多，包括逆变器电压、电流模式的控制和设计；

23、独立运行和并网模式的切换、锁相技术；防孤岛技术、谐波的检测和抑制等等，本章主要叙述这几部分。3.1 输出控制方式现在在世界范围内，并网逆变器的直流侧一般都是用电压源，并网逆变器与市电电网并联运行时，输出控制可以划分为电流控制和电压控制。市电系统可以视为容量无限高的交流电压源，如果并网输出为电压控制，那么时间就是电压源与电压源并联运行的一个系统，这种情况下如果想要使得系统稳定运行，一定要用锁相跟踪控制技术来使逆变器输出与市电同步，在稳定运行的基础上，调整并网逆变器输出电压的大小及相位来调节功率。如果逆变器的输出为电流控制，那么仅仅需要控制逆变器的输出电流去跟踪市电电压，与此同时设置输出电流的值，

24、就可以达到并联运行的目的。因为其控制方法相对来讲比较简单，效果也好，因此使用广泛4。3.2 锁相环(PLL)技术由于并网逆变器要直接接入电网，这就需要逆变器的输出的频率、相位、幅值等必须与电网同步，其中，锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)技术是必不可少的。锁相环的作用就是调节并网逆变器输出电流的相位以及频率，使其输出电流与电网电压之间保持同步锁定的状态。同步锁相控制的准确度和可靠度将直接影响并网逆变器的性能和逆变器输出的电能的质量。PLL其实质是一个能够自动跟踪输入信号频率和相位的闭环反馈控制系统，基本PLL通常包含三个部分:鉴相器(Phase Detector，PD)、

25、环路滤波器(Loop Filter，LF)以及压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator， VCO)，其控制原理框图如图3.1所示。uin(t)ue(t)LFVCOPDuc(t)uout(t)图3.1 基本PLL控制原理框图鉴相器(PD)的作用是将压控振荡器(VCO)的输出信号uout (t)与输入信号uin (t)的相位进行比较，得到两信号相位差的误差信号ue(t)，PD是整个系统的控制器。环路滤波器(LF)作为低通滤波器，主要用来消除ue(t)的高频谐波分量和噪声，此外，它还可以调整环路参数，确保环路控制系统的稳定性，因此，可以把LF看作一个校正网络。 压控振荡

26、器(VCO)是被控对象，实际上是一个电压/频率转换装置，即VCO输出信号频率与误差电压uc（t）成正比，在电压信号uc（t）的控制下对VCO输出电压的频率和相位进行调节。综上所述，PLL的工作原理可描述为：PD通过检测和比较输入输出信号的相位偏差，输出一个与反映相位差大小的误差电压信号ue(t)加到LF上，经过LF的滤波和参数调整后，生成一个控制信号uc（t），在uc（t）的控制作用下，VCO通过不断调整输出信号uout (t)的频率和相位，从而实现对输入信号uin (t)频率和相位的动态跟踪。3.3 孤岛检测 防孤岛即使是并网逆变器的研究中的重点研究方向。在并网过程中,如果出现孤岛状态时,将

27、会威胁到设备和人身的安全,因此控制器必须快速、准确地判断到孤岛状态,使逆变器退出这种运行状态。其具体的实现需要从软件和硬件上共同配合来判断孤岛现象。目前,有很多的文献讨论研究各种防孤岛的方法,有无源、有源、通信等众多方法,需要根据实际需要、并网标准、可靠性等各种因素选择合适的方法15。3.3.1 孤岛效应及其危害所谓孤岛效应是指当大电网因故障事故或停电而断开时，用户端的并网光伏发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络，而形成由光伏并网发电系统和周围的负载组成的一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。图3.2为研究孤岛效应的电路拓扑，图中S1、S2、S3为投间开关，对于整个电网供电系统来说

28、，孤岛现象的发生通常会出现以下三种情况：大电网由于某种原因断开，即S1、S2闭合，S3断开。如果光伏并网发电系统的输出容量足够大，能够继续向本地负载和配电网负载供电，可能会维持较长一段时间，此时，光伏并网发电系统、本地负载、配电网负载以及配电网就构成了孤岛；配电网处S2断开，S1依然闭合。和第一种情况类似，形成孤岛后很有可能进入稳定运行状态；并网发电系统的并网开关S1断开。通常本地负载的容量小于并网发电系统的输出容量，并网发电系统能够持续向本地负载供电，极有可能形成孤岛并持续运行。输电网配电网配电网负载本地负载DC/AC图3.2 研究孤岛效应的电路拓扑其中，上述三种情况中，前两种情况发生孤岛的

29、机率较小，因此，目前针对光伏并网发电系统的孤岛检测研究主要是第三种情况。上述孤岛现象一旦发生，会对电力维修人员、用电设备甚至电网都会造成很大的危害，这些危害通常包括：孤岛现象发生后，电力维修人员误以为供电系统已断电而接触孤岛运行线路，从而导致触电危险，危及人身安全；失去了电网的钳制作用，孤岛效应可能会导致光伏发电系统的输出电压及其频率发生较大的波动，从而损坏与孤岛运行线路相连的用电设备；由于孤岛后并网系统输出电压和电网电压存在相位差，当电网恢复供电时会产生很大的浪涌电流，从而损坏发电装置以及所带负载，甚至会引起电网再次跳闹；若与光伏发电系统所连接的负载为三相负载，孤岛后可能导致缺相运行； 影响

30、配电系统上保护开关的动作顺序等。因此，无论是从供电还是用电安全角度来讲，对孤岛效应及其保护措施进行研究，最大限度地减小孤岛现象带来的危害，具有十分重要的现实意义。3.3.2 基于并网逆变器的反孤岛策略针对光伏并网发电系统的孤岛检测，国内外学者先后提出了多种孤岛检测方案，根据检测设备的安装位置以及基本工作原理，可将其分为基于逆变器内部和外部检测法两大类。其中，根据是否向逆变器输出添加扰动，逆变器内部检测法又分为内部无源检测法和内部有源检测法。逆变器内部无源法包括电压过高/过低和频率过高/过低判断法(UV/OV，UF/OF)和电压、相位突变判断法(PJD)以及电压谐波和电流谐波检测法(DVH，DC

31、H)。逆变器内部无源法是指逆变器并网系统完全利用电路正常工作的电压、电流等各种电气状态和指标用于判断孤岛的方法。上述三种方法都是利用逆变器从并网到市电掉电时，由于负载有大的变化而引起逆变输出电压的幅度或频率突然变化，或是由于局部电网负载引起的电压电流谐波大幅度增加，从而通过上面的方法可以防止孤岛出现。但是在前面的电路原因分析中提到，这类方法的检测很有限。所以一般在无源法的基础上增加内部有源法进行判断。逆变器内部有源法是通过在逆变器并网系统的控制中人为的加入一些电压、频率的扰动或偏移，用于增加孤岛的判断可靠性，尽可能的减小孤岛判断的盲区范围，但是加入的这些有源方法会在一定程度上使输出的电压或电流

32、波形出现很小的扰动。学术研究上讨论的防孤岛方法也大多数以有源法为主，下面几种方法是讨论研究最多的几种7-9。第一种介绍有源频率偏移法和电压偏移法。为了便于分析，下面先分析逆变器并网工作和孤岛状态下的简化等效电路。如图3.3(a)为逆变器并网系统并网工作时的等效电路，图3.3 (b)为逆变器处于并网孤岛状态的等效电路。图3.3 逆变器并网工作等效电路图3.3中，ei(t)和es(t)分别为逆变器输出电压和并网公共点处的电压, eg(t)为电网电压。Zi是并网逆变系统的内部阻抗, Zi和Zg分别为负载阻抗和电网侧的阻抗。es(t)和ei(t)的表达式如下:ei(t)= Ei(t)sin(t+i)

33、(3.1)es(t)= Es(t)sin(t+s) (3.2)Ei(t)和Es(t)为幅值,把它们以一个稳态量加扰动量表示如下: Ei(t)= Ei0+Ei(t) (3.3)Es(t)= Es0+Es(t) (3.4)根据上面的式子,让Ei=0,工作频率=2f,在每周期和市电的上升沿过零锁相同时,实时调整频率,f由市电频率f0加上一个小的偏置得到。在正常并网工作时,公共连接点的电压波形由电网电压决定,所以逆变输出的频率基本上保持f0加上一个偏置值不变,如果孤岛状态出现,逆变器检测到的市电频率不再是稳定的f0,而是逆变器上个周期发出的逆变输出波形的频率,以此为参考再加上一个偏置,这样几个周期之后

34、的逆变器输出波形的频率不断偏移,直至超出正常频率范围而被检测出处于孤岛状态,这种方法称为“频率偏移法”。类似的方法,如果工作频率跟随市电频率不变,让等于一个常数,在一定的输出功率下,逆变输出电压的幅值Es(t)每次都在市电电压的基础上叠加一个Ei。正常并网工作时,市电电压稳定,则Ei(t)保持不变。当孤岛状态出现,逆变器输出电压则每个周期不断的朝一个方向变化直至若干个周期后超出电压的正常范围。这种检测方法称为“电压偏移法”。第二种方法介绍输出电压或频率规律扰动法。输出电压扰动法是指逆变器在并网过程中，使输出电压按一定的规律高低变化，当并网正常时通过并网公共点检测回来的电压为市电电压是基本稳定的

35、，一旦出现孤岛状态，检测到市电电压也按规律变动，即可判断出孤岛状态，及时退出并网工作。类似的，可以同样有逆变输出频率扰动法，通过使输出电压的频率在允许范围内采用规律扰动来帮助检测孤岛状态。 3.3.3 其它的一些外部检测方法除了上述的无源法和有源法，也有一些并网逆变器外部的检测方法。比如采用电网侧加入电阻插入装置，当电网掉电时自动在电网负载侧插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然变化很多，此时通过检测到网侧阻抗的变化来判断市电中断，这种方法称为“网侧阻抗插值法”。另外的方法有利用网络通讯的手段，通过电网侧自身的监控系统检测到电网故障或市电输入中断后，向逆变器系统发出信号，逆变器控制系统接收到信号

36、后立即退出并网状态。3.3.4 孤岛检测方法的小结无源检测法通过检测并网连接和孤岛前后的电压、频率等参数的指标变化来判断孤岛状态;有源检测法通过逆变输出引入一定的扰动或变化，如果所引入的扰动能够使孤岛状态下的负载电压、频率等参数不稳定，则可以检测孤岛状态；外部检测方法通过网侧插入阻抗或者通信等方法来检测孤岛。对于有源检测法来说，一些方法不适合多台并网逆变器同时并网，而且这些不同的有源方法也可能会给逆变并网系统带来负面影响，同时对电网造成一定的干扰。所以，这些方法有自身不同的特点，但并不能证明哪个方法更好，一般会根据不同的应用场合、并网标准、实现成本等方面考虑选择一种或几种方法。3.4 谐波的测

37、量和检测随着人类文明的快速发展，人类活动对电力的依赖越来越严重。这种依赖又使电力系统上的负载日趋繁杂。大量非线性生产、生活电器的使用，使电网内的谐波越来越多。电力谐波不但给我们的生活带来了许多不便，更危害工业生产。谐波不但使电网效率降低，还会形成谐振环流，严重时候甚至会烧坏电机。所以有效的抑制谐波对人类的生产、生活都具有重要的意义。现有的最有效的抑制谐波方式是使用有源电力滤波器。而有效、及时的检测出谐波是有源滤波的前提，因此谐波检测是消除电力污染的重要环节。电力系统谐波一直措施主要有三种：受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力。主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源

38、不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。3.4.1受端治理措施首先是改善供电环境，选择合理的供电方式：一般当电网短路容量大于谐波源供应变压器容量的20倍时，其产生的高次谐波对凶就不会有危险的影响，产生的谐波电压、谐波电流也在规定值以下。高一级电网的供电点或高一级电压的电网的供电，可以减少谐波对系统或其他设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。保持负荷的三相平衡，能有效减少三次谐波。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其他负荷的影响，有助于集中抑制和消除谐波。其次是避免电容器对谐波放大。抑制电容器对谐波电流

39、放大方法有：改变电容器的安装位置，安装点与电源间的感抗就不同，所引发谐振的频率也不同，选择合式的安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振；改变与电容器的串联电抗器，也就相当于改变了系统阻抗，可以避免谐波电流放大；限定电容器组的投入容量，可以有效减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；将电容器组的某些支路改为滤波器。也可以减少发电机谐波电动势畸变率。对于作为电力系统电源的同步发电机，提供符合标准的正弦波形电能质量是对它的基本要求。然而由于气隙磁场实际上不完全按正弦分布，产生的感应电动势中必然存在各次谐波。然而，在发电机制造上，可以采取一系列措施来消除或减少谐波电动势：星形连接

40、不会出现三次或三的倍数次的各奇次谐波，因此，现代同步电机多采用星形连接；凸极同步发电机采用适当极靴宽度和不均匀气隙长度，可使气隙磁场波形尽可能接近正弦分布，减少谐波电动势产生；采用短距绕组，增加每极每相槽数，可减少谐波电动势产生；水轮发电机等多极电机，转子励磁绕组常采用分数槽绕组，实现了极对与极对之间的分布，减少了磁势中的谐波分量。也可以变压器采取措施，抑制谐波产生。变压器绕组如有一侧接成三角形，可以有效消除三次及其倍数次谐波，及时停运空载变压器，选用有载调压变压器，可以及时调整变压器母线电压，使变压器不至于过激磁，从而减少谐波产生。也可以提高设备抗谐波干扰能力，使其在谐波一定限度环境中能够正

41、常工作，研制新型抗谐波设备。最后是改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不至于损坏，但不能保障设备的正常工作。3.4.2 主动谐波治理的措施第一是增加整流装置的脉动数。整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动次数P有关，h=kp士1(k=1，2，3)。当脉动数增加时，整流器产生的谐波次数也增高，而谐波电流近似与谐波次数成反比，因此一系列次数较低，幅值较大的谐波得到消除，谐波源产生的电流将减少。第二是改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。第三是采用多重化技术。将多个变流器联合

42、起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。第四是谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上，可以用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率损耗常常高达直流功率的10%。第五是采用PWM技术。采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小。波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。第六是设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器

43、产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。3.4.3 被动治理谐波的措施可以采用无源滤波器PPF(Passive Power Filter，PPF，PF)或称为LC滤波器（LC滤波器由电容元件）。电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构连接而成的滤波装置。LC滤波器是出现最早，虽然存在一些较难克服的缺点口，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法。还有一种是采用有源电力滤波器APF(Active Power Fi1ter)。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服L

44、C滤波器等传统谐波抑制方法缺点。随着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上己经进入实用阶段。3.5 直流注入问题3.5.1 产生直流分量原因及危害引起逆变器输出中含有直流分量的原因有以下几点：逆变桥中开关器件动作不一致引起直流注入。动作不一致可归因于：开关器件元件参数的差异使其阻抗等特性不完全相同，造成充放电时间有一定差异，脉宽调制中脉冲宽度不平衡，门极驱动信号可能不匹配等【6】，这些因素会造成器件的开通时间和关断时间不相等，从而导致输出电流中有直流分量；电流环测量元件偏移误差导致直流分量的产生，包括模数转换元件和电流感器等测量元件，尤其是霍尔传感器的零点漂移现象会增大偏移

45、误差。偏移误差导致正弦电流正负半周不对称，引发直流注入问题。由于注入电网的直流电流所带来的不利影响，电网公司不允许并网逆变器输出中含有较大直流电流。这些不利影响可归纳如下【10-14】。第一点是扰乱配电变压器正常运行。直流量使变压器工作点改变，可能导致变压器饱和【11】，引起波形失真，损耗过大，设备过热以及缩短设备寿命等问题。对变压器的危害是直流注入产生的主要不利影响。第二点是致使电网中变压器初级电流峰值过高，威胁电流保护设备的安全。过高的电流使输入保险烧毁，引起电网中某些区域断电，带来一定损失。 其次是直流电流会加剧金属的腐蚀程度，导致接地导线电蚀。 也会给电网中其他负载带来不利影响。例如可

46、能使与电网相连的交流发电机产生脉动转矩或者发热等。 除上述影响外，直流注入还会引起测量误差，甚至可能增加谐波含量等。3.5.2 抑制直流分量方法采用能够抑制直流注入的逆变器，半桥逆变器具有该功能。不论半桥逆变器中的开关器件处于何种状态，并网电流始终会经过直流侧电容，使直流分量被电容隔离，从而达到消除直流分量的目的。但是，同全桥拓扑相比，半桥逆变器要与全桥逆变器的输出电压相等，其直流侧输入为全桥逆变器的两倍。这样，半桥逆变器中开关器件的电压应力大，导致器件开关动作相对较慢，开关损耗大。根据电容通交隔直的特点，可以在电路中串联电容，将直流电流阻断，使之不进入电网。以串入电容是否真实存在为依据，将该

47、类方法分为直接串联隔直电容法和虚拟电容法。直接串联隔直电容法是利用电容隔直作用最直接的方法是在逆变输出与电网之间串入隔直电容。这种方法虽然能够有效抑制直流分量，但是该电容在 50Hz 频率处必须呈现低阻抗，因此串联电容容值大，系统成本和体积随之增加。第4章 并网逆变器的建模及仿真4.1 并网逆变器闭环建模及仿真 为了对可再生能源并网逆变器在并网工作时重要观测点的电压和电流有直观的认识，本文采用Matlab中的Simulink功能，建立了单相并网逆变器，功率输出级在闭环状态下的仿真模型，如图4.1所示，并实现了信号的动态观测。设计分为并网及控制两部分，其中并网包括逆变、滤波等，控制部分为闭环控制

48、，从并网部分采样经过锁相及PID作为逆变器脉冲的输入。图4.1 并网逆变器闭环模型图4.2为并网电流和电网电压的波形图，可以看出并网电流很好的跟随了电网电压，基本无相位差。当断路器断开后，模拟孤岛状态，如图4.3，电压的频率发生了很大的变化，可以采用频率检测来判断是否发生孤岛，一旦判断发生孤岛效应，应立即采取措施。图4.2 闭环模型中电流电压波形图4.3 发生孤岛后电压电流波形由图4.3及图4.4中看出，发生孤岛后，并网电流频率依然没有发生变化，这是由于锁相模块的存在。图4.4为PLL模块，输出的频率一直没有发生变化。图4.4 PLL模块输出频率4.2 本章小结本次并网逆变器的建模仿真，完成了

49、并网及锁相功能，模拟了电网掉落时突发孤岛状态的情况，观测到电压频率发生了巨大的变化，可以采用频率检测法，设定一个允许偏移的范围的值，当超过允许范围就判定孤岛状态的发生，立即采取措施。 但是频率偏移法存在较大的检测盲区，当发生孤岛时频率变化范围小于所设定的阀值时，频率偏移法无法检测到孤岛效应。要想更好的准确的检测到孤岛状态，应该多种方法并用。总结本文对并网逆变器系统的电路拓扑、并网控制的方法和防孤岛技术进行了初步的研究和总结。具体包括以下几个方面：（1）简要介绍了本文的研究目的及意义，对新能源分布式发电系统和并网逆变相关技术进行总结。（2）介绍了逆变器控制方式及锁相功能，孤岛效应的概念和危险，几

50、种防止孤岛效应的检测方法，直流注入问题，以及谐波的检测和抑制，都进行了初步的了解。（3）利用Matlab中的Simulink功能，建模仿真了并网逆变器，实现了并网电流对电网电压的跟踪。由于本文研究的时间和个人能力有限，在这方面的研究只是初步的开始，从本文研究和实验过程分析总结，可以从以下几个方面深入研究: （1）检测孤岛的频率检测法有很大的检测盲区，当发生孤岛时频率变化范围小于所设定的阀值时，频率偏移法无法检测到孤岛效应。要想更好的准确的检测到孤岛状态，应该多种方法并用。（2） 对于谐波的检测和抑制，直流注入的检测功能并没能用Matlab仿真出来。在实际的设计和生产中，这是必须具备的功能。在后

51、面的研究中，可以对这些功能进行更深入的了解和完善。（3） 在并网逆变器开环仿真中，参数设置的不够好，导致并网电流相位和电网电压相位差距较大，应该在今后有时间的时候深入了解并进行改进。 总的来说，实现了并网逆变器的基本功能，但是仍有许多需要该进的地方。参考文献1 Blaabjerg F, Chen Z, Kjaer S B. Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systemsJ. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2004, 19(5): 11

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53、4 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究D. 2003. 5 汪飞. 可再生能源并网逆变器的研究D. 浙江大学硕士论文, 2005.6 刘鸿鹏，王卫，吴辉光伏逆变器的调制方式分析与直流分量抑制J中国电机工程学报，2010，30(9)：27-307 G.A.Smith,Predicting islanding operation of grid connected PV inverters,IEE Proc一Electr,Power APPl,Vol.147,No.l,January20008 Ropp M E, Begovic M, Rohatgi A. Analysis and perfor

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57、tovoltaic (PV) Systems,IEEE Sdt929一2000致 谢天下没有不散的宴席，虽然大四的生活多半时间还是呆在学校里，但是论文致谢语写就的那一刻也真正标志着我与这所学校就此别离了，没有伤感，更多的是遗憾，但是总归不如意事十有八九，过去的不能挽回，人应该大胆向前看，所以这段文字应该像它的标题一样充满感恩和致谢，感谢四年来在我的成长道路上扶持过我，指点过我的人。首先感谢我的指导老师。本论文是在黄老师的指导下和帮助下完成的。在此，我要向他的细心帮助和指导表示由衷的感谢。在这段时间里，我从他身上不仅学到了许多的专业知识，更感受到他工作中的兢兢业业，生活中的平易近人。此外，他严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。同时感谢我亲爱的同学们，在学习中我们互相帮助、互相激励。是你们让我在学习和生活中收获到了很多东西。最后感谢我的家人，这么多年来，正是你们的支持和鼓励，才使我顺利地完成学业；正是你们的关心和默默的奉献，给我创造了优越的条件，使我在学习的道路上乐观向上、勇往直前。