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微电网的孤岛检测研究-三相逆变器接口建模毕业设计说明书(论文)微电网的孤岛检测研究 三相逆变器接口建模 学生姓名： 班级学号： 院、系、部： 专 业： 指导教师： 2010年06月 南 京Undergraduate Design(Thesis)Study on island detectionin Micro GridsThree-phase inverter interface modelingBYNI JIN-JIESupervised byLecturer LI Jun School of Electric Power Engineering Nanjing Institute of Technology June 2010摘要由于科技进步和环境保护的要求，一些分布能源（DER）如内燃机（ IC ）、微型燃气轮机、光伏发电、燃料电池和风力发电，已经在配电网中应用。独立分布式发电的应用可以解决很多问题，但其本身也存在不少缺陷。为更好地实现分布式发电的潜力可以采用系统的方法，也就是使电源和相关的负载构成一个子系统或“微电网”（MG）。本文的主要目的是，总结和研究三相逆变器建模。前面介绍了微电网的研究现状，其中重点介绍微电网在欧洲和日本的发展。而后比较分析了逆变器在反孤岛技术中的应用和逆变器的控制方式比较。最后使用MATLAB中的Simulink工具建立了三相逆变器模型。并且在最后进行了仿真，给出了结果。关键词：微电网，反孤岛，三相逆变器AbstractDue to the technology development and environment protection, some distributed energy resources (DER), such as internal combustion (IC) engines, gas turbines, micro turbines, photovoltaic, fuel cells and wind-power, have emerged within the distribution system. However, application of individual distributed generators can cause as many problems as it may solve. A better way to realize the emerging potential of distributed generation and associated loads is a subsystem called “Micro Grid” (MG).The main purpose of this paper is summarized and the research, three-phase inverter modeling. In front of the network are introduced, including research status on micro grid in Europe and Japan. After comparing the inverter in the islands application and technical inverter control method. Finally the Simulink tool use MATLAB three-phase inverter model is established. And in the end, the simulation results.Keywords: micro grid, anti-isianding ,three-phase inverter目录第一章 绪论11.1课题背景11.1.1全球能源危机及面临的环境问题11.1.2微电网定义21.1.3国外研究现状21.2并网逆变器结构简介与研究方向31.3课题研究的主要内容与意义5第二章 并网逆变器的防孤岛技术52.1孤岛效应的概念52.2孤岛效应可能导致的危险和孤岛效应出现的原因62.3检测孤岛的方法92.3.1逆变器内部无源法92.3.2逆变器内部有源法92.3.3其它的一些外部检测方法102.3.4孤岛检测方法小结102.4本章小结10第三章 并网逆变器控制技术113.1逆变器的控制技术介绍113.1.1模拟控制技术介绍113.1.2数字控制技术介绍123.2逆变器的控制目标133.2.1电网对逆变器的要求133.3逆变器的控制策略比较133.3.1电流滞环比较143.3.2定时比较方式143.3.3三角波比较方式14第四章 MATLAB仿真模块介绍154.1 MATLAB简介154.1.1 MATLAB概述154.1.2Simulink环境下的仿真模块介绍15第五章 建模与仿真分析235.1在Simulink中搭建三相逆变器模型235.1.1建立仿真模型235.2分析仿真结果24总结与展望30参考文献31附录1：外文资料翻译3249第一章 绪论1.1课题背景1.1.1全球能源危机及面临的环境问题能源是人类赖以生存的物质基础，影响着人类社会发展的进程与未来。在19世纪以前的农业社会，主要依靠可再生能源(太阳能、生物质能、水能、风能)作为一次能源。自工业革命以来，煤的开发利用逐步取代了木柴，经历约半个世纪后成为全球的主要一次能源。到了20世纪，人类开始大规模开发利用石油和天然气，成为化石能源世纪。今天，煤、石油与天然气已占世界能源消耗总量的80%以上川。化石能源不可再生，并终将耗竭。全世界的人们已经认识到，人类必须逐步减少化石能源的份额，增大可再生与新型能源的比重，向建立可持续发展的能源体系过渡。另一方面，大量使用化石能源已经给人类的生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约一亿吨“温室效应”气体，造成了严重的大气污染。面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，人类文明的高度发展与生存环境的快速恶化已经形成了一对非常突出的矛盾。因此，在有限的资源和环保严格要求的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，走大规模开发和利用可再生洁净能源的道路。我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家，也是世界上最大的煤炭消费国，对环境造成的污染不容乐观。在2000年，中国有57%的城市环境污染颗粒物超过国家限制值，有48个城市的二氧化硫浓度超过国家标准;82%的城市出现过酸雨，面积己达国土面积的30%。我国经济正处在一个快速发展的时期，对能源需求量在未来几十年依然巨大。在今后巧年左右和更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。目前我国的能源工业面临着经济发展和环境保护的双重压力，开发利用可再生能源，改变能源结构已成为我国面临的一重大课题。1.1.2微电网定义目前国际上对微型电网的定义各不相同。美国电气可靠性技术解决方案联合会(CERTS)给出的定义为:微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统,可同时提供电能和热能;微电网内部电源主要由电力电子器件负责能量转换,并提供必需的控制;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对电能质量和供电安全的要求。欧盟微电网项目给出的定义是:利用一次能源;使用微型电源,分为不可控、部分可控和全控三种,并可冷、热、电三联供;配有储能装置;使用电力电子装置进行能量调节。美国威斯康辛麦迪逊分校给出的概念是:微电网是一个由负载和微电源组成的独立可控系统,向当地提供电能和热能。这种概念提供了一个新模型来描述微电网的运行;微电网可被看作电网中一个可控的单元,它可以在数秒钟内做出反应来满足外部输配电网络的需求;对用户来说,微电网可以满足他们特定的需求:增加本地可靠性,降低馈线损耗,保持本地电压,通过利用余热提供更高的效率或者提供不间断电源。1.1.3国外研究现状作为一个新的技术领域,微电网在各国的发展呈现不同特色。在欧美一些发达国家,微电网的研究已经取得了突破性的进展。美国CERTS于2002年提出了权威的微电网概念。微电网工程得到了能源部的高度重视,并在“GRID2030”发展战略中将微电网视为未来电力系统的三大基石技术之一。CERTS微电网主要由容量小于500KW的小型微电源与负荷构成,并引入了电力电子技术的控制方法,基于此形成了“即插即用”的控制思想和设计理念。目前,美国CERTS微电网的初步理论研究成果已经在威斯康辛大学的实验室平台上得到了成功检验。自第一个微电网示范工程MAD RIVER之后,俄亥俄州,佐治亚州及加州大学伯克利实验室也陆续展开微电网项目研究。学者们希望进一步加深对微电网的理解,检验微电网的建模和仿真方法,保护和控制策略以及经济效益等,并初步形成关于微电网的管理政策和法规,为将来的微电网工程构建框架。日本是当今世界微电网研究的领头羊,其发展目标主要定位于能源供给多样化,减少污染,满足用户的个性化电力需求,然而可再生能源的变动可能降低电能质量和供电可靠性。因此,日本学者提出了灵活可靠性和智能电能供给系统,其主要思想是在配电网中加入一些灵活交流输电系统(FACTS)装置,利用其快速,灵活的控制性能实现对配网能源结构的优化,满足用户多种电能质量要求。还将该思想与热电联供设计理念相结合,以期更好地实现环境友好和能源的高效利用。此外,日本还专门成立了新能源与工业技术发展组织(NEDO)来统一协调国内高校,企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究,建议在青森县,爱知县,京都府县等地开展微电网项目。欧洲依据其“智能电网”计划提出要充分利用分布式资源,智能技术,先进电力电子技术等,以实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合。微电网被视为未来分布式网络的基本特征以及未来欧州电力网络略研究议程的重要组成部分。目前, 欧洲已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通信理论。微电源大规模融入低压电网,微电网先进架构控制理念这两大研究项目正在多方力量的支持下如火如荼地开展着。其后续任务集中于研究更加先进的控制策略,制定相应的标准,在希腊,荷兰,德国建立示范工程,为分布式电源与可再生能源的大规模接入微电网以及传统电网向智能电网的初步过渡做积极准备1。1.2并网逆变器结构简介与研究方向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己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。而对于采用单相或是三相结构，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6。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四一开关管型和六一开关管型。多级型逆变器根据功率变换的过程可以分为:1) DC一DC一AC型2)DC一AC一DC一AC型3)DC一AC一AC型。图1.1 单级型逆变器和多级型逆变器变换结构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。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、低成本的单极变换器;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。除此以外，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组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(DSP)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PI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，以到达理想的控制效果也是目前研究的热点。在调制方式上，有PWM、SPWM、SVPWM等先进的调制方式8。1.3课题研究的主要内容与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。目前，可靠、高效和廉价的并网逆变器己成为生活中的迫切需要。因此针对家庭中所使用的小型发电系统和大的局部电网馈能系统中并网逆变器的都需要进行深入的研究。本课题针对并网逆变器的一些具体要求，在仿真和实验上取得了一定的研究成果。第二章 并网逆变器的防孤岛技术防孤岛效应是并网逆变器设计中的重点研究技术。在并网工作过程中，当出现孤岛状态时，可能威胁到设备和人身安全，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5。2.1孤岛效应的概念在逆变器并网工作过程中，当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时，逆变器仍持续向电网供电，使得当地负载的供电电源处于正常的电压和频率，这时的工作状态称为“孤岛”(ISlanding)状态，又叫孤岛效应。 图2.1逆变器并网工作示意图如图2.1所示的是逆变器并网工作时出现孤岛状态的示意图，当逆变器并网工作时，因为各种原因导致市电不能给局部电网负载供电，即示意为图中S2断开，此时如果没有任何孤岛判断技术，逆变器会持续给逆变器负载和局部电网负载供电，其原因在后面作分析。出现这种状态的外界原因很多，一般有下面这些可能性:1当电网保护装置检测到一个故障后，切断局部电网的输入开关;2由于设备意外跳闸，断开了正常的市电输入;3欲切断电网和并网逆变器供电系统;4人为有意或无意的操作。2.2孤岛效应可能导致的危险和孤岛效应出现的原因当发生孤岛效应时，如果没有及时判断并防止其出现，可能会导致下面的很多的危险发生。1失去电网的平衡控制作用，逆变器一旦出现电压、频率不正常，损坏设备;2当用户认为电网已经断开，但电网仍然带电，给维修人员或使用带来危险;3市电突然恢复，由于相位错开而引起大的冲击电流，损坏发电装置和设备;4当人为或自动的需要市电重新切入时，由于电流冲击引起故障。所以，作为一个可靠、安全的并网逆变装置，必须有防孤岛技术来保证及时检测出孤岛效应而减少或避免可能引起的危险。图2.2孤岛检测的测试电路图图2.2所示为孤岛检测的测试电路图，逆变器的输出滤波器包括在逆变器的框图中，在逆变器和电网中间是防孤岛检测负载。它由RLC谐振电路模拟电网的负载作为测试，用于检测并网逆变装置的防孤岛可靠性，该电路由Hbaernli提出，并在EIEE标准929一2000中给出规定，上图为简化的结构。所有的并网逆变器装置都有输出电压过/欠压或频率过高/过低的判断，当检测出这种情况的任何一种发生时，逆变器内部保护发生作用，停止向外供电。但是在下面的情况下仍然会出现孤岛效应，利用图.42的测试电路分析孤岛效应出现的电路原因。假设逆变器并网工作时，电网突然断电，相当于开关S处断开。而逆变器在此状态之前和之后输出的有功与无功基本上保持不变，同时可以检测到并网公共点的频率和电压作为市电频率、电压。下面分析其工作状态:a)并网工作并网工作时可以根据功率平衡得到下面两式， (2-1) (2-2)b)电网断开工作因为某种原因，开关可以得到下列式子: (2-3) (2-4)所以由(2-1)(2-3)得 (2-5)由(2-2)( 2-4)得 (2-6)其中，是谐振电路上电容的无功。 由(2-5)( 2-6)得 (2-7)所以，式(2-5)和式(2-7)表示了市电断开前后，公共点的电压、频率和功率P、Q的关系。如果逆变器输出的有功功率P、无功功率Q和局部电网的负载不匹配，即P和Q不等于零，则在市电断开前后，电压和频率会有变化，如果检测出该变化则可以判断出孤岛而防止孤岛出现。如果P=0，Q=0，由式(2-5)得到。代入式(2-7)得到， (2-8)，即i=g 。所以，如果P和Q在市电正常和掉电之后都接近零，即原来电网局部负载的功率和并网时逆变器输出的功率接近，则公共点的电压、频率没有大的变化，这也是电路上出现孤岛状态的原因。图2.3逆变器孤岛判断的检测盲区图2.3所示的即为逆变器在判断孤岛时由于P和Q而引起的一个电压和频率检测范围的盲区。所以，仅仅通过简单的电压、频率突变和电压过/欠压或频率过高/过低是来判断孤岛状态是有很大的局限性的，需要增加一些孤岛检测的方法来优化系统。上述各式中使用符号分别对应如下:市电电压;:逆变器输出电压;:市电电压波形的角频率;:逆变输出电压波形的角频率;P:逆变器输出的有功功率;Q:逆变器输出的无功功率;P:输入到电网的有功功率;Q:输入到电网的无功功率。2.3检测孤岛的方法2.3.1逆变器内部无源法电压过高/过低和频率过高/过低判断法困Vo/V，UF/OF)电压、相位突变判断法(PJD)电压谐波和电流谐波检测法(DVH，DCH)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9。2.3.2逆变器内部有源法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。2.3.3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后立即退出并网状态。2.3.4孤岛检测方法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。2.4本章小结本章介绍了“孤岛”效应的概念及其带来的危险，并分析了孤岛状态出现的电路原因。基于防孤岛技术的方法研究，通过等效电路的研究分析了有源检测法，并介绍了无源检测法和其它的外部检测方法。基于电压型逆变器并网系统的研究，将有源电压扰动法应用于系统的孤岛判断中，并通过实验证明该方法的可行性。第三章 并网逆变器控制技术3.1逆变器的控制技术介绍并网逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态性能和动态性能。稳态性能就是指输出电压的稳态精度和带不平衡负载的能力;而动态性能主要指输出电压在负载突变时动态响应水平。按照实现控制的硬件手段，并网逆变器的控制可以分为模拟控制和数字控制11。3.1.1模拟控制技术介绍针对逆变器的模拟控制中主要包括电压型与电流型线性控制技术。电压型控制技术一般都采用单闭环反馈控制;在调制过程中采用大幅度的锯齿波，抗干扰能力较强;具有良好的交叉调节能力;但是动态响应速度慢;环路增益随输入电压变化，导致补偿更为复杂;采用电压型控制时，需要在系统的静态性能、快速性与稳定性之间找到一个折中点。1.电流型控制技术的性能优良，在这类控制技术中主要包括峰/谷值电流型控制技术和平均值电流型控制技术。2.峰/谷值电流型控制技术要求功率开关的峰/谷值电流能跟随电压环反馈的输出信号而变化，因此其通过检测电感电流或功率开关电流将其作为电流内环的反馈信号，然后经比较器与电压外环的输出比较，控制功率开关的占空比。主要有5种控制手段，分别为恒定截止时间峰值电流控制、恒定导通时间谷值电流控制、恒定开通时刻峰值电流控制、恒定关断时刻谷值电流控制和恒定迟滞环宽峰/谷值控制。采用峰/谷值电流型控制整个系统具有高度的稳定性;相对与电压型控制技术具有快速的动态响应，静态的精度高;过载及短路能力强。但是存在着功率电路的谐振会给控制环路带来噪声;抗干扰性能差;适应拓扑能力不强等缺点。3.平均值电流控制技术是将高增益的积分电流误差放大器引入电流环，经过电流环的补偿网络来优化设计电流环的增益一带宽特性。这种控制方法可以精确的跟踪电流，不需要斜坡补偿，噪声免疫能力强。但是其动态响应速度较慢。3.1.2数字控制技术介绍目前采用新的控制技术来提高逆变器的静、动态特性已成为研究的热点，由于DSP的出现，使得在逆变器的控制中，引进了先进的控制策略成为可能。数字控制和模拟控制相结合也越来越多的被引进到逆变器的控制中。1.目前使用较多的控制技术有PID控制。PID控制发展相对成熟，其设计简单、参数易于整定，因此在实际的工程实践中得到广泛的应用。在数字控制中采用PID控制可以避免出现在模拟控制中使用PID时出现的模拟控制电流系统庞大、可靠性低、调试复杂等缺点。目前在数字PID控制中采用了结合其他补偿措施，如增加电压、电流的控制引入，使得逆变器的数字PID控制效果得到良好的改善。2.在数字控制的方式中，有一种根据逆变器系统的状态方程和输出反馈信号来计算下一个采样周期的脉冲宽度的控制方法，称之为无差拍控制。无差拍控制需要借助微处理器来实现PWM的输出。无差拍控制的暂态响应快;输出波形在开关频率不高的情况下同样能保持良好的波形;输出电压的相位不受负载的影响;但系统的鲁棒性不强，当系统参数有波动时，容易导致输出性能恶化，系统不稳定;并且该控制方法的瞬态超调量较大。3.目前将模糊控制技术应用在逆变器的控制上的研究也越来越多，因为模糊控制器不需要受控对象有精确的数学模型，控制的时候有较强的鲁棒性和自适应性，因此采用模糊控制能有效的对复杂的电力电子系统做出判断和处理;同时在使用模糊控制时，可以快速的查找模糊控制表的数据，因此在实际的控制中，可以通过选取高的采样率来提高控制的精度。但是通常需要将模糊控制与其他控制方式相结合，用于补偿逆变器带非线性负载时，导致输出电压跌落的现象。4.在逆变器的控制中要求系统在闭环工作时，不易受到参数变化和外界干扰的影响，根据这个要求在逆变器的控制中引入滑模控制。实际的工作中发现，采用模糊控制逆变器的输出波形有较好的暂态响应，但稳定性较差，需要在滑模控制系统中加前馈控制。3.2逆变器的控制目标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,功率因数近似为1。目前,逆变器交流输出的控制方法可分为:电压控制方法和电流控制方法。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。电流控制方式又可分为间接电流控制和直接电流控制。3.2.1电网对逆变器的要求(1)必须保证逆变器输出的电量和电网电量保持同步,在相位、频率上严格一致,输出逆变器所能提供的最大输出功率,功率因数逼近于1;(2)满足电网电能质量的要求,逆变器应输出失真度小的正弦波;(3)具有对孤岛检测的功能,防止孤岛效应的发生,避免对用电设备和人身造成危害;(4)为了保证电网和逆变器安全可靠运行,二者之间的有效隔离及接地技术也非常重要,电气隔离一般采用变压器。此外,整个逆变环节要有较好的动态响应特性,保持输出电压、频率的精度,及时跟踪电网变化,同时具有最大功率跟踪功能和各种保护功能。3.3逆变器的控制策略比较并网逆变器输出电流波形与电网电流同频、同幅、同相位后，方可并网。当给并网逆变器的控制部分提供了参考电流后，就需要一种合适的PWM控制方式使并网逆变器的电流能够快速跟踪该参考电流。目前有多种PWM控制方式，例如电流滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。不同的PWM控制策略对参考电流的跟踪能力是不一样的，下面对这几种方式所作简单的比较9。3.3.1电流滞环比较电流滞环比较方式它是一个双闭环结构，其外环是直流电压反馈控制环，内环是交流电流控制环。将电压调节器输出电流幅值指令乘以表示网压的单位正弦信号后，得到交流的电流指令，将它与实际检测到的电流信号进行比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中。在这种方式中，滞环的宽度对电流的跟踪性能有较大的影响，当滞环的宽度较大时，开关频率较低，则对开关器件的开关频率要求不高，但跟踪误差较大，输出电流中的高次谐波含量较大;当滞环的宽度小时，跟踪误差小，器件开关频率提高，所以对器件的开关频率要求高。所以电流滞环控制的缺点在于开关频率不固定，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，给驱动保护电路以及主电路的设计带来困难，对系统性能也有所影响。而且开关频率不固定，滤波困难，对外界的电磁干扰也比较大。3.3.2定时比较方式利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半叫。该方法缺点是电流跟随误差是不固定的。3.3.3三角波比较方式这种方式将电流误差经过比例积分放大器处理后与三角波比较，目的是将电流误差控制为最小。该方式硬件较为复杂，输出含有载波频率段的谐波，电流响应比瞬时比较方式要慢。三角波比较方式主要使用在数字控制方式出现之前的模拟控制中，目前基本被淘汰。本文所设计系统的PWM方式采用SPWM是一种采用较多的逆变控制技术。第四章 MATLAB仿真模块介绍4.1 MATLAB简介4.1.1 MATLAB概述Matlab 自1984 年正式推出以后,经过不断地完善、扩充,其功能与应用领域在不断地扩展。如今已经发展到Matlab 710 版本。自从Matlab 512 版本开始,增加了电气系统模块( Power System Blackset , PSB) ,提供了基本电路、电机、电力电子器件等多方面的模型,使得利用Matlab进行电力电子仿真就方便了许多。在2000 年推出的Matlab 610 版本中PSB 已经升级到210 版本,并对模型库进行了进一步的扩充,增加了各种电力电子器件的离散模型、通用三相桥、有功无功检测、PWM 波形产生器等,该工具箱为电力电子电路的设计提供了有力的工具。Mat2lab 的PSB 提供了丰富的电气系统仿真所需的模型库,根据所要仿真的电路,从模型库中以图形的方式调入相应的元件,并按照模型库的要求设定好参数。设置好后将各元件在图形方式下将元件连接起来,然后就可以进行仿真。实际上PSB 对电路的仿真还是用Matlab 中的Simulink 的方法进行的。当PSB 模型建立完后,Matlab 自动进行预处理,把模型中的电路转化为相应的方程,变为Simu2link 能够处理的结构。当预处理结后,Matlab 就调用Simulink 开始仿真。这些处理过程都是由Matlab 自动完成的。仿真的结果则通过PSB 中的电压检测模块,电流检测模块或万用表模块输出显示。在PSB 提供的库和模块中电源模块包括交流电流源、交流电压源、支流源、可控电流源、可控电压源等;元件模块包括断路器、变压器、互感、长线、饱和变压器、串联RLC 电路、并联RLC 电路等; 电机模块包括同步电机、异步电机、永磁同步电机、水力涡轮调速电机,另外还有可单提取这些电机运转参数的各测量分路器;电力电子模块包括二极管、GTO、MOSFET 理想开关等; 测量模块包括电流测量、电压测量等;连接模块包括零线、L 连接器、T 连接器、总线、地线等。4.1.2Simulink环境下的仿真模块介绍直流电压源库SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source中他的功能就是提供一个理想的直流电压。下图4.1，4.2图4.1直流电压图4.2 参数设置其参数比较简单，仅有一个直流电压需要设置对话框有一个measurements的下拉菜单可选择NONE VOLTAGE 选voltage表示进行测量none就好似不测量。串联RLC在SimPowerSystems/Elements/Three-Phase Series RLC Load中她的功能就是提供RLC负载。下图4.3图4.3RLC和参数设置其参数设置如下1. configuration 是选择连接方式是 星型还是三角型2. Nominal frequency 频率设置3. Active power 有功功率4. Inductive reactive power感性无功设置5. Capacitive reactive power 容性无功设置6. Measurements 可选择测量电压电流设置通用桥式电路在SimPowerSystems/Power Electronics/Universal Bridge中可直接用做逆变器或整流器使用见下图4.4图4.4桥式电路和参数设置其参数设置如下1. number of bridge arms：桥臂数目可设123分别代表一 二 三个桥臂各自含有2个开关器件，4个开关器件，6个开关器件。前2个实现单相变流后者实现三相变流。2. snubber resistance Rs：缓冲电路的电阻3. snubber capacitance Cs：缓冲电路的电感4. power electronic device：电力电子器件类型。选择桥臂中所使用的电力电子器件，可以选择二极管，晶闸管，CTO/Diodes，IGBT，理想开关，分别如下图4.5图4.5二极管，晶闸管，CTO/Diodes，IGBT，理想开关5. RON：器件内阻6. LON：器件内部电感7. Forward voltage：器件导通压降8. Tf(s)Tt(s):器件关断时间9. Measurements：是否进行电气测量。PWM调制方式在逆变器和整流中都有广泛应用。本文用的是SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator如下图4.6 图4.6PWM和设置1. cenerator mode:发生器模式本文选择三个桥臂6个脉冲IGBT电路驱动信号。2. carrier frequency：三角载波频率3. internal generation of modulating signal：是否选用内部调制信号。4. modulation index：调制度5. frequency of output voltage：调制基波频率6. phase of outputvoltage：调制波基波相位本文还用到powergui模块和scope测量Multimeter模块与设置分别如下图4.7，4.8，4.9图4.7powergui模块和设置图4.8scope测量和参数设置图4.9Multimeter模块和设置以上是本文用到的电力仿真模块。第五章 建模与仿真分析5.1在Simulink中搭建三相逆变器模型图5.1 PWM逆变主电路三相SPWM原理：载波信号为对称三角波，幅值为，频率为，调制信号为三相正弦波，幅值为，频率为。对a相桥臂，当时，导通关断，当时，导通关断，b相和c相类似。由于各相上下桥臂功率器件及互补方式轮流导通，故各相对n点的电压为双极性SPWM波形，该波形与各相上桥臂器件的驱动信号同步变化。输出的线电压可由相应的两相对n点的电压相减而得，线电压在Ua和0之间变动，总体呈现单级线性形状。星型连接负载的相电压波形较为复杂，可能的电平为0， Ua3和2Ua35.1.1建立仿真模型第一步建立主电路的仿真模型。在simpowersystems的Electrical Sources库中选择直流电压源模块，然后再在Power Electronics库中选择Universal Bridge模块，在对话框中选择桥臂数3，构成三相半桥电路，开关器件选带反并联二极管的IGBT：在Elements库中选择三相串联RLC负载模块，在对话框中选为星型连接，按照下图相连完成了三相逆变器仿真模型的主电路部分。第二步控制部分SPWM控制信号由Simpowersystems提供的Discrete PWM Generator产生，在对话框中选择三桥六脉冲模式。调节三相负载的有功为1KW，感性无功为500Var。第三步完成波形观测及分析部分。在相应模块的测量选项和Multimeter模块，即可观察逆变器的输出相电压，相电流和线电压，通过串联的电流表可观察直流电流的波形。此外还可以利用Simpowersystems提供的powergui，可对波形进行FFT分析。最终得到的仿真模型如下图5.1所示图5.2仿真模型5.2分析仿真结果 将仿真时间设为0.06秒，调制深度m设为0.5，输出基波频率设为50HZ，载波频率设为基频的20倍运行后得到的仿真结果如下图5.2所示图5.3仿真曲线分别为交流相电压，相电流，线电压和直流电流波形。FFT分析见下图5.3图5.4FFT分析输出线路线电压的幅值为0.443Ua。把调制深度设为0.85得到下图5.4仿真曲线和FFT分析图5.5仿真曲线和FFT分析线路电压的幅值为0.748Ua。把调试深度设为1得下图5.5图5.6调制深度1频率1000HZ时仿真曲线对输出的交流电压进行FFT分析，可得频谱图如下图5.6所示。基波幅值为417.4V与理论值接近。最高分析频率为9.95KHZ时的THD达到72.67%由于感性负载的滤波作用，负载上的相电流THD为10.57%图5.7调制深度1频率1000HZ时FFT分析把载波频率调到3000得到波形见下图5.7图5.8频率调到3000HZ的仿真曲线对输出的交流电压进行FFT分析，可得频谱图如下图5.8所示。基波幅值为425.7V与理论值接近。THD达到70.73%由于感性负载的滤波作用，负载上的相电流THD为5.63%图5.9 3000HZ FFT分析调节载波频率到6000得仿真曲线如下图5.9图5.10 6000HZ 仿真曲线分析图如下5.10所示THD达到64.65% 。 相电流的THD也降低到4.76% 。图5.11 FFT分析如前所述，PWM逆变器的谐波特性与载波频率和调制深度有有着密切的关系。通过FFT分析可知，若进一步提高载波频率，则相电流更加接近于正弦波形。总结与展望现代社会对能源的需求日益增加，而煤炭、石油等不可再生能源越来越少，为了避免能源短缺、环境污染、生态恶化，为了走可持续发展的道路，人们开始研究使用可再生能源。分布式发电是近些年倍受关注的一种发电形式，它利用太阳能、风能、潮汐能等可再生的清洁能源发电，即保护了环境，又节约了能源，实现了能源利用的多样化。所以，分布式发电系统迅速发展起来。当分布式发电的输出电能大于本地用户消耗的电能时，将多余的电能输入电网，补充电网系统，可以提高分布式发电电能的利用率。所以，分布式发电系统并网运行是现在分布式发电发展的大趋势。本文从分析并网逆变器的防孤岛技术，对逆变器控制策略等进行研究。并且构建了三相逆变器的MATLAB模型。主要内容如下第二章介绍孤岛效应的概念及危险，并通过等效电路分析逆变器在并网过程中发生孤岛效应的原因。为防止孤岛效应，重点叙述了多种防孤岛技术的方法。第三章介绍并网逆变器的控制技术，列出了几种并网控制技术，对与并网逆变器的控制策略进行了比较选定了本文的控制方法。第四章介绍了MATLAB，并且对无本文用到的MATLAB中的SimPowerSystems各种元件做了重点介绍。第五章是搭建了三相逆变器的仿真模型，通过MATAB的仿真并且通过改变各种参数对输出的交流相电压，相电流，线电压和直流电流波形进行了分析。由于本课题的研究时间和个人能力的有限，在该方向上的研究只是初步的开始，从本课题的研究分析总结，可以从以下几个方面做进一步的研究:1.基于重复控制的即时性不强，可以采用其他的控制方法与重复控制相合，并将其引入并网逆变器的系统控制中。2.针对并网逆变器在独立工作和并网工作两种模式相互切换，展开研能做到无缝切换技术。3.对以后电网中大规模的使用并网逆变器，提出有效的控制方案。参考文献1 韩继明,陈衍妍. 浅谈微电网J.科技资讯，2009，NO15：412 汪飞.可再生能源并网逆变器的研究D.电力电子及电子传动，20053 胡宇航.光伏并网系统逆变器接口装置的控制方法研究D. 武汉大学 ，2004（4）.4 李超，钱虹.叶建华分布式电源及其并网技术D.上海电力学院 ，2008（9）.5 鹿婷，段善旭，康勇.逆变器并网的孤岛检测方法D. 湖北武汉；华中科技大学电气， 2006，5，25.6 刘立强.三相光伏并网逆变器研究D. 广东工业大学，20087 林飞，杜新.电力电子应用技术的MATLAB仿真M.中国电力出版社，2008:59-938 马幼捷,程德树,陈岚,郭润睿,周雪松. 光伏并网逆变器的分析和研究J. 天津理工大学自动化学院, 2009,第4期 :25-299 蒋大鹏.分布式发电系统中并网逆变器的研究D.浙江大学 ，2006.10 Z. Ye, R. Walling, L. Garces, R. Zhou, L. Li, and T. Wang. Study and Development of Anti-Islanding Control for Grid-Connected InvertersM NREL/SR-560-36243， May 200411 董密,罗安.光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法D.电力系统自动化,2006附录1：外文资料翻译原文： A review on distributed energy resourcesand Micro Grid1. IntroductionDue to the technology development and environment protection, some distributed energy resources (DER), such as internal combustion (IC) engines, gas turbines, micro turbines, photovoltaic, fuel cells and wind-power 1, have emerged within the distribution system. However, application of individual distributed generators can cause as many problems as it may solve. A better way to realize the emerging potential of distributed generation and associated loads is a subsystem called “Micro Grid” (MG).In 2, the MG concept assumes a cluster of loads and Micr