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光伏并网逆变器的电能质量分析
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光伏发电系统中逆变器的研究与应用
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1 引言　　逆变技术作为光伏并网发电的关键技术，它将太阳能电池的直流电能变换成与电网同频率、同相位的交流电能馈入电网。并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置，在新能源的开发和利用中起着至关重要的作用，光伏产业也将在21世纪得到推广。现代逆变技术为光伏逆变提供了强有力的理论支持，半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制技术为并网逆变的研究提供了技术支持。目前光伏发电系统中的逆变器大多采用工作在spwm状态的全桥式逆变方案。如何提高逆变器的性能，提高开关频率，提高逆变器的功率密度，同时满足电能质量要求成为近年研究的热点，逆变器正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、智能化的方向发展。　　本文从介绍并网逆变器类型着手，对并网逆变器的工作原理、主电路拓扑结构进行了详细的阐述，并对光伏阵列输出的最大功率跟踪mppt及并网系统中孤岛效应做了简单的介绍。最后展望了光伏并网发电系统中的逆变器朝着高性能、高效率、智能化的方向发展的趋势。2 逆变器类型　　根据采用隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口，因此存在体积和重量大、音频噪音大的缺点；而非隔离型并网在一些国家禁止使用，因此现在普遍采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器。　　并网逆变器按输入控制方式可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一个大电感来提供比较稳定的直流电流输入，但串入大电感往往会导致系统的动态响应差，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入为主的方式。　　并网逆变器按输出控制模式可以分为电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为控制量，系统输出与电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为控制目标，系统输出与电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。在电压型控制模式中，逆变器输出的是标准正弦脉宽调制信号，因此并网电流的质量完全取决于电网电压的质量，只有当电网电压质量很高时，才能得到高质量的并网电流。如果电网电压受到干扰或出现不平衡时，由于并网逆变器对电网呈低阻抗特性，所以并网电流相应的也会受到干扰。而在电流型控制模式中，输出电流是受控量，它的质量受电网电压的影响较小，这是因为对电网来说并网逆变器呈高阻抗特性。所以采用电流型并网模式可以减小电网电压的扰动对并网电流的影响，从而改善并网电流的质量。　　若按逆变器主电路的结构来分，三相电压型逆变器主要分为组合式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。　　它由完全相同的三个单相逆变器星形联结构成，能同时实现单相和三相四线制供电。该电路结构不但具有极强的带不平衡负载的能力，而且还可以实现独立控制，提高了系统的安全性和可靠性。但是这种电路结构的不足之处是所需元器件数多、成本高。三相半桥式逆变器由三个单相半桥式逆变器组合而成，该逆变器的特点：　　（1）若串联的两个电解电容足够大，则可以保证中点的电位不偏移，具有很强的带不平衡负载的能力，但是也大大的增加了系统的体积和重量；　　（2）输入直流电压利用率较低。相同的输出电压，三相半桥逆变器所需的直流输入电压是三相全桥逆变电路的倍。　　三相全桥式逆变器具有电路拓扑简单、易于控制、功率开关器件电压应力低等优点，还可以采用谐振缓冲技术来实现功率开关器件的软开关，不足之处是带不平衡负载的能力较弱，大功率的并网逆变器为了避免直流侧电压产生较大的脉动基本上都使用三相逆变结构。3 光伏并网逆变器工作原理　　逆变器由igbt等功率开关器件构成，控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断，使输出电压极性正负交替，将直流输入转换为交流输出。光伏发电系统中逆变器一般采用各种优化的pwm（脉冲宽度调制）策略来实现，对给定的电流波形进行跟踪，将矩形波的交流电转换为正弦波交流电，功率的控制则是通过对太阳能电池最大功率点的跟踪实现。本文所研究的光伏并网发电装置选择三相全桥式逆变电路，如图4所示，由于太阳能电池一般是电压源，因此逆变器的主电路采用电压型，在与外电网相联时，为电压型电流控制方式。三相全桥逆变器将光伏阵列的直流电压变为高频三项斩波电压，滤波环节采用lcl滤波器，lcl滤波器相比传统的单l滤波器有以下优点：lcl在高频段的衰减性能更好，以-60db/dec的速度衰减；其次lcl是三阶滤波器，所以对于同样的谐波标准和较低的开关频率，可以使用较小的电感，在大功率场合可以相对的减小系统的体积和成本；最后对于同样的性能指标要求，可以通过加大支路电容的方法进一步减小电感值。通过滤波器滤波变成正弦波电流后，再经过工频隔离变压器隔离升压后产生6kv（10kv）/50hz的工频交流电，送入电网。逆变环节的核心是通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能，它需要控制回路来完成，通常采取电压外环，电流内环的双环控制模式，控制信号经过单片机或数字信号处理芯片来完成对主电路的控制。逆变器并网运行的主要控制目标是逆变器输出正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步，并且能实时跟踪电网参数的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响，使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因数接近于1。由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求，所以其控制通常采取电流控制方式。4 最大功率跟踪mppt　　最大功率点跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。从对光伏电池的分析可以看出，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受环境温度、光照强度的影响。在一定的外部条件下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但只有在某一电压值下，输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。为了充分发挥光伏电池的效能，提高系统的整体效率，对光伏电池的输出进行最大功率点跟踪就十分必要。mppt　　的实质是通过实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法，以跟踪光伏阵列最大功率工作点，实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式，动态性能较好，较传统的cvt　　控制策略可获得更大的功率，但稳定端电压能力较差。可以在mppt控制的外环增加一个稳压控制环节，来改善这一缺陷，从而提高系统的稳定性。目前mppt　　控制有很多的实现方式，如扰动观测法、导纳增量法、最优梯度法、模糊逻辑控制方法、神经元网络控制法等，它们实现mppt控制的基本原理都是类似的，但算法各有差异。5 孤岛效应　　孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网逆变器仍然向电网输送电能，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛，称之为“孤岛效应”。光伏并网发电系统中孤岛的发生会产生严重的后果，对用户的用电设备和检修人员的安全造成重大危害。孤岛发生时，若孤岛中的电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；电网的掉电可能使光伏发电系统过载运行，易被烧毁；与光伏发电系统相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险。所以当电网停电后，必须立刻中止系统对电网的供电，防止孤岛效应的发生。反孤岛效应的关键是电网断电的检测，且检测时间越短效果越好。一般采取被动检测法和主动检测法。被动检测法是实时检测电网电压的频率和相位，通过频率和相位的异常来判断电网是否失电。采用被动的孤岛检测方法不足以在负载匹配的情况下有效检测出孤岛现象，为此，必须采用主动式的检测方法。主动检测法是通过实时对电网参数发出干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电。常见的方法有主动频率偏移法、滑模频率偏移法和输出功率扰动检测法等。6 结束语　　面对世界性的能源短缺的现实状况及能源的可持续发展对当今社会的突出影响，可以看出光伏并网发电技术是解决此类问题的有效途径。并网逆变器作为光伏并网发电系统中的关键部件越来越受到人们的重视，它的发展将对整个光伏系统起着巨大的作用。目前，中国在小功率逆变器发展上还具有一定水平，但在大功率逆变器上还与国外有很大的差距，因此逆变器朝着智能化、数字化发展是必然趋势，从而对一些核心控制技术的改善和提高就变得越来越重要了。
作者：未知 点击：514次
本文标签：光伏发电系统中逆变器的研究与应用
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基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究
【摘要】：世界能源危机和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的严重问题。以太阳能、风能等为代表的分布式发电和并网逆变技术在发展可再生能源、实现我国节能减排中具有重要的战略意义和应用价值。在分布式发电系统中,并网逆变器作为能量传输的通道,如何实现尽可能高的变换效率和电能质量是一个重要的研究课题。论文围绕这两个关键问题,在总结、归纳当前研究现状和技术发展的基础上,主要从以下几个方面进行深入研究：无变压器型并网逆变器电路拓扑及其调制方式、并网逆变器死区补偿和消除方法、两级式并网逆变器建模和控制策略、并网逆变器电流控制技术等。
首先,论文在分析无变压器型并网逆变器对地共模漏电流产生原理的基础上,推导了无变压器型并网逆变器共模谐振电路的数学模型,给出了无变压器型并网逆变器的无共模漏电流条件。根据无共模漏电流条件,论文提出一种对称H6结构的无变压器型并网逆变器拓扑结构,并基于该拓扑,实现了单极性SPWM和倍频SPWM调制策略。单极性调制有利于提高拓扑的变换效率和降低系统的散热难度；倍频调制则提高了拓扑的等效工作频率,使并网电流谐波含量和THD下降,有效改善了并网电能质量。论文还详细研究了该对称H6结构无变压器型并网逆变器在非理想条件下存在的并网电流与输出电压的相移问题、开关器件的死区时间问题和开关器件寄生结电容的平衡条件。
其次,论文在分析电压源型逆变器死区效应产生原理的基础上,推导了理想条件下死区效应的数学模型,详细分析了功率器件开通和关断时间、导通压降等固有非线性特征及零电流箝位现象对逆变器死区效应的影响,并获得了死区电压导致的并网电流基波损失、基波相移和低次谐波注入的数学表达式。在上述基础上,论文提出一种基于无效器件原理的在线自适应死区消除方法。该方法通过在线跟踪负载变化,自适应地计算合理的电感电流过零区域宽度,能够较准确地实现电流过零区域和非过零区域中死区效应的分别消除,有效降低输出电压和电流的低次谐波含量和THD,改善并网电能质量,该方法对电流过零区域内电压、电流畸变的抑制效果尤为明显。利用DSP实现的在线自适应算法降低了对电流检测器件特性和精度的依赖,增强了该方法的工程实用性和可靠性。
然后,论文从两级式并网发电系统出发,推导了高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器稳态特性更为准确的数学模型。模型证明该变流器的电压增益表达式与占空比、耦合电感匝比、耦合电感等效漏感、变流器开关频率以及负载大小有关,具有较高的精度,有利于提高两级式系统的控制精度和最大功率点跟踪效果。针对作为功率后级的并网逆变器,论文提出一种带双补偿环节的直接电流控制方法。该方法建立在PI控制器基础之上,通过增加两个前馈补偿环节,在不影响双环控制系统稳定性的前提下,能有效消除直流母线电压和电网电压各次谐波及随机扰动对并网电流THD的影响。为实现并网电流对正弦参考的无静差跟踪,论文还提出一种预测电流控制的改进模型,证明了传统预测电流控制的基本模型仅是该改进模型的一个特例。应用该改进模型的预测电流控制方法除能提高并网电流的跟踪精度,减小并网电流的谐波含量和THD外,还能有效抑制模型参数特别是滤波电感参数发生匹配失真时对系统稳定性造成的影响,降低并网电流发生振荡的概率,使控制系统鲁棒性加强。
最后,利用上述研究成果,论文完成了并网逆变器在电梯能量回馈单元、光伏并网发电系统和绿色节能电子负载三种工程实例中的应用工作。产品测试和应用实践证明,研发产品的主要技术参数已达到或超过目前工业界主流产品的性能水平。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TM464【目录】：
Abstract8-11
第1章 绪论14-40
1.1 引言14-17
1.1.1 能源危机与环境污染14-16
1.1.2 可再生能源与节能减排16-17
1.2 并网逆变器的研究热点17-21
1.2.1 并网逆变器的变换效率17-19
1.2.2 并网逆变器的电能质量19-21
1.3 并网逆变器的研究现状21-36
1.3.1 无变压器型并网逆变器的研究现状21-28
1.3.2 死区补偿和消除方法的研究现状28-32
1.3.3 并网电流控制技术的研究现状32-36
1.4 本文的主要研究内容和成果36-40
第2章 无变压器型并网逆变器的研究40-73
2.1 无变压器型并网逆变器的共模漏电流模型40-48
2.1.1 带工频变压器并网逆变器的共模电路建模40-42
2.1.2 无变压器型并网逆变器的共模电路建模42-47
2.1.3 无变压器型并网逆变器共模谐振电路的频域分析47-48
2.2 无变压器型并网逆变器的无共模漏电流条件48-50
2.2.1 不对称滤波电感配置(L_A=0或L_B=0)49
2.2.2 对称滤波电感配置(L_A=L_B)49-50
2.3 一种对称H6结构的无变压器型并网逆变器50-55
2.3.1 单极性SPWM调制策略50-53
2.3.2 倍频SPWM调制策略53-55
2.4 非理想条件下的工作情况分析55-65
2.4.1 并网电流与输出电压的相移问题55-58
2.4.2 功率器件的开关死区问题58-62
2.4.3 开关器件结电容的平衡条件62-65
2.5 仿真与实验结果65-72
2.6 本章小结72-73
第3章 并网逆变器死区效应消除方法的研究73-97
3.1 死区效应的建模与分析73-79
3.1.1 考虑电流过零区域的理想死区效应模型73-77
3.1.2 非理想条件对死区效应的影响77-79
3.2 死区效应对并网电流的影响79-83
3.2.1 死区效应对并网电流谐波的影响80-81
3.2.2 死区效应对并网电流基波的影响81-83
3.3 一种在线自适应的死区消除方法83-90
3.3.1 死区消除原则83-84
3.3.2 过零误差宽度84-86
3.3.3 并网逆变器与离网逆变器交流侧的等效统一电路86-87
3.3.4 在线自适应方法87-90
3.4 仿真与实验结果90-95
3.4.1 仿真验证90-93
3.4.2 实验结果93-95
3.5 本章小结95-97
第4章 两级式并网逆变器的建模与控制策略研究97-126
4.1 一种具有电压高增益的两级式并网逆变系统97-101
4.1.1 光伏电池阵列的配置分析97-100
4.1.2 一种两级式光伏并网逆变系统的拓扑结构和控制方式100-101
4.2 高增益有源箝位软开关交错并联Boost变流器建模101-106
4.2.1 稳态模型分析102-105
4.2.2 仿真结果验证105-106
4.3 带补偿环节的并网逆变器双环控制策略106-110
4.3.1 实现功率双向流动的电压外环控制106-108
4.3.2 带双补偿环节的电流内环控制108-110
4.4 两级式并网逆变器基于功率平衡的MPPT方法110-112
4.5 实验结果验证112-117
4.6 一种改进型的预测电流控制方法117-124
4.6.1 预测电流控制的基本模型118-119
4.6.2 预测电流控制的改进模型119-122
4.6.3 实验结果验证122-124
4.7 本章小结124-126
第5章 并网逆变器的工程实例和应用研究126-145
5.1 基于DSP数字控制通用平台的系统构架126-127
5.2 无源滤波元件的设计和选型127-132
5.2.1 并网滤波电感的设计和选型128-130
5.2.2 直流母线电容的设计和选型130-132
5.3 电梯能量回馈单元132-138
5.3.1 电梯能量回馈单元的电路结构133-135
5.3.2 电梯能量回馈单元的节电效果135-136
5.3.3 电梯能量回馈单元的型号和技术参数136-138
5.4 光伏并网发电系统138-142
5.4.1 单相两级式无变压器型光伏并网逆变器138-140
5.4.2 三相单级式工频隔离光伏并网逆变器140-142
5.5 绿色节能电子负载142-144
5.6 本章小结144-145
第6章 总结与展望145-148
6.1 论文工作总结145-147
6.2 今后工作展望147-148
附录A 工程实例照片148-150
参考文献150-162
攻读博士学位期间的主要研究成果162-164
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