基于矢量控制的三相并网逆变器仿真研究

陕西科技大（论文）课题名称：基于矢量控制的三相并网逆变器仿真研究系别：电子信息与控制工程系专业班级：姓名：学号：指导教师：教研室主任：系常务副主任：二〇一四年五月十日摘要根据光伏三相并网逆变器、主电路结构等部件的实际要求,本系统可采用用基于LC型滤波器的组合式三相光伏逆变器。建立了逆变器是在并网下运行的空间坐标系建立数学模型。结合了三相光伏逆变器的并网方式进行了仿真分析，通过实验对其进行验证得出实验结果。最后，对三相光伏逆变器并网运行时出现孤岛效应可能性分析以及如何避免。本论文研究时还采用多种检测方法来检测孤岛现象。关键字：三相光伏并网逆变器，数学模型，并网模式，矢量控制孤岛检测，仿真分析

AbstractIntegratedinverter,thegridconnectedphotovoltaicthree-phasemaincircuitandotherpartsoftheconsideration,thesystemdecidestousethecombinedthree-phaseinverterbasedonLCtypefilterastheresearchobject.Theinverterisrunningonthegridnext,mustthereforeestablishmathematicalmodelinthespacecoordinatesystem.BywayofcomparisonofgridconnectedPVinverterandcurrentsourcegridconnectedmodeinthecontrolscheme,thegridvoltageorientationvectorcontrolstrategybasedon,finishthedesignofthecontroller,includinghardwareandsoftwaredesign;finallythesystemissimulatedandanalyzed,basedontheexperimentresults.Finally,theoperationofthree-phasegridconnectedphotovoltaicinverterislandingeffectoccurswhentheanalysisofpossibilityandhowtoavoid.Thispaperalsousesavarietyofdetectionmethodtodetectislandingphenomenon.Keywords:three-phasephotovoltaicgridconnectedinverter,mathematicalmodel,gridmodel,vectorcontrol,islandingdetection,simulationanalysis目录摘要IAbstract

II1引言1.1背景与意义(1)1.2基于矢量控制的三相并网逆变技术的实现(1)1.3发电系统与运行模式(3)1.4发电系统主要关键技术(5)1.5题依据与本文主要研究内容(6)2基于矢量控制的三相并网逆变器主电路拓扑与数学模型2.1前言(8)2.2三相光并网变器主电路拓扑的选择(8)2.3基于LC型滤波器的三相并网逆变器数学模型(11)2本章小节(15)3

并网模式下的控制策略

3.前言(18)3.三相光伏逆变器的并网方式(20)3.三相光伏逆变器并网运行的控制技术简介(20)3.4基于电网电压定向的矢量控制技术(21)3.5仿真分析与实验结果(22)3.6本章小结(23)4并网模式下的孤岛检测实现4.1前言(24)4.2孤岛效应及检测标准(25)4.3孤岛检测方法简介(26)4.4矢量控制下的孤岛检测实现(27)4.5仿真分析与实验结果(28)4.6本章小结(29)5论文总结(30)5.参考文献(32)5.致谢(33)引言1.1

背景与意义1.1图表明，近一个多世纪以来由于人类的过度开采，不可再生资源日益减少，人类的开采速度。石油、天然气、煤炭、铀等不可再生资源的开采年限都不超过100年。而地球的寿命为几十亿年，人类一百年后靠什么能源维持生存，开发什么新能源替代不可再生资源，这些都是人类需要思考的重大问题。化石能源给我们生活带来方便的同时也带来负面作用，比如造成气体、水资源、以及土壤的污染。另外从某种程度来说从地下取出的能源经过燃烧，必然导致大气层的平均温度升高，从而使海平面上升。太阳能作为清洁而且取之不尽的资源，与之相关的光伏发电因为灵活、可光伏建筑集成和可用于分布式发电等突出优点，受到了更为广泛的研究。用光伏发电不仅能够解决化石能源日益匮乏的矛盾而且可以保护环境。光伏发电必将越来越受到世界各国的重视。图1.1但从数据看，可再生资源特别是太阳能资源所占的比例仍然很小。要加大太阳能的开发力度就必须解决太阳能利用问题。1.2

光伏发电现状与发展1.2.1

光伏发电现状与发展在国家发改委政策的大力引导下，，国内的光伏需求大大增加，从而促进光伏产业迅猛发展，2009年底光伏装机总量为7500MW,规模以上的光伏企业超过60家中国的光伏产业主要应用于边远地区农村电气化、通信和工业应用以及太阳能光伏商品，包括太阳能路灯、太阳能热水器等。由于成本很高，并网光伏发电目前还处于示范阶段，只有局部地方使用光伏发电。光伏产业往往连带着多晶体硅原材料制造、硅锭/硅片生产、太阳电池制造、组件封装和光伏系统应用等领域，还有一些与整个产业链相关联的产业，如各环节的专用材料制造、专用设备制造，专用检测设备制造以及光伏系统平衡部件制造等。

2002年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏发电和小型风力发电解决西部七省区（西藏、新疆、青海、甘肃、内蒙古、陕西和四川）700多个无电乡的用电问题，光伏用量达到15.5MWp。该项目大大刺激了光伏工业，国内建起了几条太阳电池的封装线，使太阳电池的年生产量迅速达到100MWp（2002年当年产量20MWp）。

为了促进我国太阳能光伏发电产业的发展，实现可再生能源中长期规划提出的发展目标，2007年国家发改委启动了“大型并网光伏示范电站建设计划”，加快解决日照资源丰富的西部八省（内蒙古、云南、西藏、新疆、甘肃、青海、宁夏、陕西）无电乡用电问题，明确要求并网光伏示范电站建设规模应不小于5兆瓦，同时明确了大型并网光伏电站的上网电价通过招标确定。自2002至2008年，中国大陆的太阳能电池组件的产能以每年3位数(即年增长率超过100%)的速度不断增长。值得注意的是，中国2007年太阳能电池/组件生产能力达到2900MWp，太阳能电池年产量达到1088MWp，超过日本和德国，已跃居世界第一大光伏电池生产国。2008年中国太阳能电池生产能力已达到5GWp，太阳能电池年产量达到2000MWp。但是生产的太阳电池98%以上用于出口。1.2.2国外光伏发电现状与发展

自1839年发现“光生伏打效应”和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，但是它的发展仍然比计算机和光纤通讯要慢得多。1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。

2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%~~60%以上的速度增长，2002年全球光伏电池产量为560MW/a，到2003年已高达750MW/a,增长了34%。2004年开始，德国对可再生能源法进行了修订，新的补贴法案促成了德国光伏市场随后的爆发，随之而来的是发达国家间新一轮的政策热潮和全球光伏市场的更高速膨胀。2004年世界光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达1818MW，增长率仍有45%（图1-2），2006年，美国加州州长施瓦辛格提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，这象征着美国光伏政策的新纪元的到来。正是由于欧洲、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出今天欣欣向荣的景象，太阳能光伏发电的前景无限光明。1.3

光伏发电系统与运行模式

1.3.1光伏发电系统光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。为边远地区供电的系统、太阳能户用电源系统、通讯信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电站是独立光伏系统。图1为一独立光伏发电系统的结构示意图，光伏发电系统由太阳能电池、阻塞二极管、调节控制器和蓄电池组成.系统由于其环保节能的特点，已被越来越多光能充足的地区所广泛使用，比如西北地区、高海拔地区，具有广阔的市场空间。图1太阳能光伏发电系统结构示意图1.3.2太阳能光伏并网系统并网光伏发电系统是与电网相连，并向电网馈送电能的光伏发电系统。利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池来进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池中；

将太阳能电池控制系统和电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。图２是一个太阳能光伏并网发电系统结构框图，该系统由太阳能、光伏阵列、双向直流变换器、蓄电池或超级电容和并网逆变器组成。光伏阵列是一个把光转换成电的机构，通过逆变器将光伏阵列产生的直流电变成交流电，产生的电能除保证负载的正常用电之外，多余通过双向直流变换器储存到蓄电池或超级电容中；当日光不足时，光伏阵列不足以提供负载所需的电能，双向直流变换器反向工作向负载提供电能。太阳能光伏列阵逆变器电网太阳能光伏列阵逆变器电网蓄电池双向直流交换器负载蓄电池双向直流交换器负载图2太阳能光伏并网发电系统1.4光伏发电系统主要关键技术1.4.1

最大功率跟踪方案设计

光伏组件的伏安特性呈非线性，最大功率点随辐射强度和温度的变化而变化。在特定的环境条件下光伏发电系统最大功率输出对应的工作点只有一个。为提高光伏电池效率，实现效益的最大化，最大功率点跟踪是研究的重点。在不可调度式光伏并网系统中，可通过调整并网逆变器指令电流的大小以实现MPPT控制。常用的MPPT实现方法有定电压跟踪法、功率回授法、扰动观察法及增量电导法等本文采用变步长的扰动观察法，系统首先计算出当前时刻太阳电池阵列的输出功率，然后和上一时刻的输出功率作比较。如果当前时刻的功率大于上一时刻的功率，则表示此时变化的方向正确，应继续向这个方向变化。如果当前时刻的功率小于上一时刻的功率，则表示此时变化方向己经偏离最大功率点，应该按照和原来给变化方向相反的方向改变。而在变化过程中又应根据所处的状态调整步长的大小。步长即指令电流的变化，可用功率对电压的变化率表征当前的状态，步长的大小应根据当前的状态在光伏电池功率－电压关系曲线上所处位置而定。采用功率对电压变化率的比例放大作为判断应采用步长的依据。用S函数实现MPPT，其程序流程图如图6所示。开始。开始采入当前电压和电流值采入当前电压和电流值Uf，算出Pf=Uf*If,增大指令电幅值=判断应采用的步长值，变化方向与之相反判断应采用的步长值，变化方向与之相同Pf<Pnnnnnnn采入当前电流电压值Un,ln,算出Pn判断应采用的步长值，变化方向与之相反判断应采用的步长值，变化方向与之相同Pf<Pnnnnnnn采入当前电流电压值Un,ln,算出PnPf=Pn，Uf=Un延迟Pf=Pn，Uf=Un延迟1.4.2反孤岛检测技术光伏发电系统的孤岛效应是指：光伏发电系统在并网模式下运行时，电网断电后，光伏发电系统未能及时脱离电网从而和负载形成一个电力公司无法掌控的自给供电孤岛，从而可能会对设备和人员等造成危害。因此，光伏并网发电系统首先要具有防止孤岛效应的功能。

孤岛检测检测技术必需要可靠性高，另外检测时间还须符合相关国际和国内标准。此外，虽然孤岛效应不能完全避免，但是只要采用正确的方法，是可以使孤岛检测方法对并网电流的影响降到最小的。1.5选题依据与本文主要研究内容本文主要研究的核心装置是三相光伏逆变器，须要合适的控制策略，以满足要求。当光伏发电系统并网运行时的还须具备孤岛保护功能，以保障人员和设备的安全。本文研究的主要内容有：选择合适三相光伏逆变器的主电路结构，建立数学模型。设计电流电压控制方案，算出控制参数。对系统并网运行时的逆变器控制策略进行分析比较，矢量控制技术的原理及实现，给出相应控制器设计方法，在MATALAB中进行仿真分析，并通过实验对控制策略进行验证进行孤岛效应的分析以及有效性的验证。2三相光伏并网逆变器控制策略研究2.1三相并网光伏逆变电路拓扑结构在三相光伏并网发电系统里，并网逆变器是系统控制的核心之一。选择合适的拓扑结构，建立科学的的数学模型，对深入研究三相光伏发电技术有重要意义。由三个单相逆变器组成一个三相逆变器是三相逆变器最常见的电路结构，其中的每个单相逆变器可以是半桥式，也可以是全桥式电路。图2.1所示的三相桥式逆变电路是一种应用很广泛的电路。本文采用这种三相光伏并网逆变器电路结构。2.1三相桥式逆变电路2.2三相光伏并网逆变器的数学建模和控制策略2.2.1并网模式下的数学模型(1)

三相ABC静止坐标系的数学模型

根据Kirchhoff电压和电流定律，由图2.1可以得到：

(2-1)由式(2-1)可以得到三相光伏逆变器在三相ABC静止坐标系的状态方程为：

(2-2)(2)两相静止αβ坐标系下的数学模型

定义α轴与A轴重合，α轴超前β轴90，通过Clark变换可以将三相静止ABC坐标系转换为两相静止αβ坐标系。Clark坐标变换图如图2.2所示。图2.2Clark坐标变换图2.4本章小节本章讨论了三相光伏并网逆变器的主电路的机构，继而建立了基于LCL滤波器的三相光伏并网逆变器在静止三相坐标系和旋转两相坐标系下的数学模型，在数学模型的基础上研究并网逆变器的控制策略和以及实现过程，还提出了一种基于空间坐标系的控制方案。3并网模式下的控制策略3.1逆变器的控制方法并网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。并网时逆变器的输入常采用电压源方式,因为以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一大电感以提供较稳定的直流输入电流,但由于此大电感往往会导致系统动态响应差,因此大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式对逆变器的控制通常分为电压控制和电流控制。采用电压控制时,如果逆变器输出电压相位与电网电压不一致,将会有环流出现,而且并网后,交流侧只能检测电网电压而不能有效地控制输出电压的变化。如果逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压,即可达到并联运行的目的由于其控制方法相对简单,因此使用比较广泛。综合上述,光伏并网逆变器通常采用电压源输入、电流源输出的控制方式，电流的控制又分为间接电流控制和直接电流控制两种方式。(1)直接电流控制为使太阳电池稳定工作在最大功率点附近,控制系统一般都包含有直流电压调节器。该调节器的输出如果直接用来作为交流侧给定输出电流的幅值时,称为直接电流控制。采用直接电流控制方法可以获得更明显的电流响应,但这种方法控制结构和算法相有时有点复杂。间接电流控制如果用调节器的输出来调节交流侧输出端的电压幅值和相位时,则称为间接电流控制,有时也称为相位幅值控制。间接电流控制的优点在于控制简单,一般无需电流反馈控制。但是,间接电流控制的主要问题在于:系统电流动态响应不够快,甚至交流侧电流中含有直流分量,且对系统参数波动较敏感,常适用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的应用场合。直接电流控制和间接电流控制相比较,具有电流快速响应的特点,并且具有更好的稳定性。因此进过分析比较本文决定采用直接电流控制的方法。3.2并网系统的控制策略在整个系统中,DC/DC、DC/AC变流器的结构式独立的，变换目标也不一样,因此将最大功率跟踪与并网控制两个部分分开研究。3.2.1

最大功率跟踪的控制Boost电路在电流连续状态下存在下面关系(2)式中

Vpv———光伏阵列输出电压;Vdc———逆变器输入侧直流母线电压。通过控制逆变器输出电流即馈入电网的功率,保持直流母线电压Vdc的相对稳定,再通过对占空比D的控制来调节光伏方阵的工作电压Vpv,使其输出在最大功率点电压附近,从而实现最大功率跟踪。3.2.2并网逆变器控制逆变器是光伏并网发电系统与电网接口的重要设备,越来越多科研人员在研究逆变器控制技术,下面是目前在逆变器控制领域比较常用的技术：(1)电流瞬时值控制逆变器电流控制方法主要有电流滞环瞬时值控制技术及固定开关频率瞬时值控制技术两种[20]图2为一个电流瞬时值比较方式,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,且始终保持在一个滞环带中,在滞环宽度较大时,并网电流的谐波含量大。该控制方法为实时控制,电流响应快,输出电压电流不含特定次谐波,但功率器件的开关频率不固定,会导致电流频谱较宽,可能引起间接的谐波干扰导致滤波电路设计困难。图2电流瞬时值比较方式图固定开关频率瞬时电流控制方法的工作频率是固定的。由于载波频率固定,所以逆变器输出谐波频率固定,滤波器设计相对于滞环电流瞬时值控制简单,控制效果较好。4空间矢量调制策略SVPWM在三相电压型逆变器控制当中应用非常广泛。与SPWM控制相比,它直流电压利用率高,输出电压谐波含量低。在DSP中如何计算得到各矢量的作用时间是关键。对于三相电压型逆变器,6个开关管一共有8种开关组合状态,这8种状态构成了8个基本空间电压矢量,如图4所示。这8个基本空间电压矢量中V0和V7为零矢量,其余6个是有效空间电压矢量。在空间中每个空间电压矢量相位相差60，将空间分为6个扇区[5]图5是扇区!时的矢量线性组合示意图,计算2个相邻有效矢量V4和V6的作用时间,可以通过求出合成矢量us与V4的夹角,再通过正弦函数求出矢量的作用时间。但是,这种方法涉及到非线性运算,对于定点DSP,难以得到令人满意的运算速度和运算精度。为此,下面给出了一种基于预分解矩阵的方法来确定矢量作用时间。具体算法原理如下:在一个PWM周期Ts内,有下式成立:因为PWM频率远大于工频(us的频率),故可认为在一个PWM周期内us的大小近似不变,可得这是一个关键方程。在αβ坐标系下,式(10)可以写成图4基本空间电压矢量图5�扇区!内矢量线性组合示意图根据式(12)就可以计算出相邻2个有效矢量的作用时间。我们定义:Deco为预分解矩阵,对应于每一个扇区都有一个固定的预分解矩阵,将这6个扇区的预分解矩阵以数组的方式写入DSP程序中,则可以根据us所在扇区查得相应的预分解矩阵,求出作用时间。该过程只有线性运算,不需要查表,节省了DSP资源,适合SVPWM的数字实现。求出各扇区内两相邻矢量作用时间后,采用7段式空间矢量合成方法来发送各矢量。以扇区!为例,其合成矢量为V0,V4,V6,V7,一个采样周期内PWM波形如图6所示,各矢量的作用顺序为V0,V4,V6,V7,作用时间依次为T0/4,T4/2,T6/2,T0/2,T6/2,T4/2,T0/4。图6扇区!连续SVPWM开关序列4.1

仿真分析与实验结果

4.1.1

仿真分析

在MATLAB中建立了仿真模型，电网电压相电压有效值为220V，直流电压设为650V。将表3-1中相应主电路参数代入式(4-24)和式(4-25)，取2500/nrads，a=0.707，并考虑逆变器的等效增益，可得b=0.0019ipk，c=3.3654iik。(a)

A相电网电压、电感电流和并网电流

(b)

A相电网电压和三相并网电流

图4.9

逆变器并网模式下额定功率运行稳态波形图4.9是d轴电流指令给定为705A，q轴电流指令给定为0A时，逆变器额定功率并网运行时的稳态波形。从图4.10(a)中可以看出稳态时电感电流与电流指令之间几乎没有静差，且与电网电压基本没有相位差，功率因数为1，但因为滤波电容的引入，使得并网电流滞后电网电压，对并网功率因数带来了不利影响。

对图4.9中的A相并网电流进行谐波分析，结果如图4.10所示。图4.10

A相并网电流谐波分析4.1.2

实验结果根据上述控制策略，做三相并网逆变器实验时，直流母线电压、滤波电感、电容大小、开关频率仍然不变，实际控制器参数取值与仿真中控制器参数一致，从而验证了实验研究的正确性。

逆变器并网模式下额定功率运行稳态实验波形如图4.15所示。(a)

A相电网电压、电感电流和并网电流

(b)

A相电网电压和三相并网电流

图4.15

逆变器并网模式下额定功率运行稳态波形从图4.15(a)中可以看出，由于滤波电容的向电网注入感性无功功率，使得并网电流滞后电网电压，逆变器向电网输出了一定的感性无功功率，对并网功率因数带来了不利影响。4.2本章小结

本章介绍了三相光伏逆变器的并网方式，提出一种比较典型的例子。针对基于LC型滤波方式的组合式三相逆变器，介绍比较了其常用的并网控制策略。对所采用的基于电网电压定向的矢量控制策略，通过在空间坐标建立矢量数学模型以及数学关系，进行了详细的分析，并给出了具体的控制方案。通过在MATLAB中进行仿真分析，通过图像分析、数据计算验证了控制策略和控制器设计的准确性。5

并网模式下的孤岛效应的检测5.1前言

光伏发电已成为21世纪最有发展前景的新兴产业之一。光伏并网系统借助逆变器将直流电变换成交流电送到电网中去，并且连带各种完善的保护措施。比如电流、电压和频率监测保护等，另外往往不能忽略的是，人们所说的孤岛效应。所谓孤岛，即电网由于电气故障、人为或者自然等原因中断供电时，光伏并网系统未能及时检测出停电状态并脱离电网，使该系统和周围的负载组成一个不受电力公司掌控的自给供电孤岛的情况。光伏并网系统处于孤岛运行状态时会产生如下严重后果：

(1）导致孤岛区域的供电电压和频率不稳定，影响电流质量；

(2）影响配电系统的保护开关动作程序；

(3）光伏并网系统在孤岛状态下单相供电，引起本地三相负载的欠相供电问题；

(4）电网恢复供电时由于相位不同步导致的冲击电流可能损坏并网逆变器；

(5）可能导致电网维护人员在认为已断电时接触孤岛供电线路，引起触电危险。

因此，研究孤岛检测方法和保护措施，对降低孤岛效应所产生的影响有重要的意义。

在实际运行过程中，主动式孤岛检测往往加入了一些功率扰动量，这就使得发电系统输出电能质量降低。事实上发电的电能质量国家是有规定的，因此发电站必须保证电能质量。本论文提出一种孤岛检测方法，它的特点是快速有效的检测孤岛效应并保证电能质量的优质。5.2光伏发电系统孤岛检测方法

5.2.1光伏发电系统孤岛检测基本原理

孤岛检测方法一般可以分为主动式（有源）和被动式（无源）两类。主动式方法有高/低频检测、过/欠/压检测、相位突变检测和电压谐波检测三种检测方法。而被动式检测法通过观测其电网节点的电压，频率以及相位的变化来判断有无孤岛效应的发生。

如下图

IEEE标准929-2000明确提出了并网逆变器在电网断电后检测孤岛状态和断开和电网连接时间的要求，对反孤岛功能的并网逆变器也有基本要求。下表为电压波动对于并网逆变器的响应时间的要求。防止孤岛效应（anti-islanding）的关键点是对于电网断电的检测，如果孤岛效应产生系统却不能识别出来，会产生很严重的后果。在电网的配电开关断开时，如果太阳能供电系统和电网负载需求量不平衡，则市电网中的电压、频率和相位将会产生较大的变动，此时可以利用电网电压的过/欠压保护和频率异常波动来保护检测电网断电，从而防止孤岛效应。

5.2.2被动式（无源）孤岛检测方法

常见的被动式（无源）检测方法有过/欠电压、高/低频检测，相位突变检测和电压谐波检测方法。

过/欠电压、高低频检测

该方法主要对电网的电压和频率进行监控，防止LM系统输出电压或者频率超出正常的工作范围。如图!所示的光伏并网发电系统框图，S为并网断路器，本文以最具有普遍性的电阻R，电感L和电容C并联作为该系统的负载。a为光伏并网逆变器和电网的连接点。当断路器闭合时，光伏发电系统并网发电，此时光伏发电系统向公共连接点a点流入的有功和无功功率；负载得到的功率，电网提供的有功和无功△P+△JQ，则为：光伏系统在并网发电运行时通常工作于单位功率因数，则Qpv=0而△Q=Qload。则图中是RLC负载的有功和无功功率的计算公式。其中Va为节点a处的电压值。当电网还没有断开时，电压的频率及幅值始终受电网控制基本保持不变。当电网断开时，即孤岛发生后，若△P或△Q很大，表明PV系统输出功率与负载功率不匹配，则PV系统输出电压或频率会发生很大的变化，当电压或频率变化超出正常范围，保护电路即可检测到孤岛的发生。但是，当△P或△Q较小时，保护电路会因电压和频率未超出正常范围而检测不到孤岛的发生。光伏发电并网发电框图5.2.3

主动式(有源)检测方法

主动式检测方法是在逆变器的控制信号中加入很小的电压、电流或相位扰动信号，通过检测公共耦合点（PPC点）的响应情况判断是否发生孤岛现象的。正常工作时，由于电网的作用系统检测不到这些扰动，一旦电网断电，加入的扰动信号一般通过正反馈快速进行累积使电压、频率或相位超出允许的阈值范围，从而检测出孤岛现象的发生。主动式检测方法检测精度高，检测盲区小，但是由于加入了扰动信号，降低了逆变器的输出电流质量，增加了系统的总谐波失真度(THD)。常见的主动式（有源）检测方法有有源频率漂移（FAD）检测，滑模频率偏移（SMS）检测和输出功率扰动检测等方法。

5.2.4

有源频率漂移(FAD)检测

有源频率偏移（AFD）是目前一种常见的输出频率扰动孤岛效应检测方法。图2显示出其控制原理。该方法在开始时，通过控制逆变器提高输出电流的频率，在电网周期开始时发出正弦波电流，这样输出电流的频率和电网电压的频率存在一定的误差f（△f在并网标准允许范围内），这样半波后线路上的电压和逆变器电流过零点的时间就会存在一个固定的时间差TZ，系统保持这一时间差和电网周期的比值△t。当电网正常工作时，由于逆变器电流被锁相环锁相，系统的比值△t保持固定值。当电网出现故障时，逆变器输出端的电压频率产生突变，而比值△t保持不变，这样就将不断地提高输出电流频率，该过程不断重复，直到逆变器输出电压频率超出门限值，从而触发孤岛效应的保护电路动作，切断逆变器与电网的连接。

对于并联的RCL负载，无论负载阻抗角大于或者小于零，在阻抗角和频率的偏移的相互影响下，其作用相互抵消，且此时频率和电压均未能超过预设的阈值，那么，系统将无法检测到孤岛现象的产生[2]。

5.2.5

滑模频率偏移(SMS)检测

SMS方法和AFD方法类似，两者主要区别在于AFD方法引入了误差△f，而SMS方法引入了相角偏移θSMS。SMS方法下并网PV

系统输出电流为

I0=Imsin[2πfat+θSMS]

(5)

θSMS=θMsin[π/2(fa-f0)/(fm-f0)]

(6)

式中：

fa—a点负载电压的频率；

f0—电网频率；

θm—最大相移角；

fm—θSMS=θm时对应的最大频率。

孤岛发生后，对于阻性负载ψ=0的情况，由于引入了偏移角θSMS，使得fa增大；由式（6）可知，fa的增大又使得θSMS增加，因此，该正反馈会使fa频率不断增加。当fa超出预设阈值时，系统将检测到孤岛的发生。

但是，对于并联谐振型RLC负载，SMS也存在检测盲区的问题。当fa满足ψ=arctan[R（1/ωL-ωc）]=θSMS=θMsin[π/2（fa-f0）/（fm-f0）]时（其中ω=2πf

），且fa和电压未超出预设阈值时，系统将无法检测到孤岛的发生。

由上述分析可知，SMS也可以减小无源孤岛检测的盲区，但该方法同样会影响PV系统输出的电能质量。此外，在RLC负载的相位增速快于PV系统，即dθLoad/df＜|dθSMS/df

|时，SMS方法失效[3]。

5.2.6

输出功率扰动检测

主动功率扰动法一般是对并网电流施加扰动，使其输出功率发生变化。当处于孤岛状态时，电流的波动使公共耦合点（PCC）点的电压发生变化，超过所设定的阈值就可以判断孤岛现象的发生。

对于输出为电流源型的逆变器，每隔一定时间减小并网电流的给定值（假设减小一半），即相当于添加了电流的扰动信号，在正常并网过程中，加入的电流扰动并不会改变PCC点的电压，它仍为电网电压。当电网断电时，PCC点的电压大小与并网电流和本地负载的特性有关，当到达扰动时刻，并网电流的变动使得PCC点电压发生变动，如果扰动值设定恰当，即使输入输出功率匹配，也能迅速检测出孤岛现象。

综上所述，主动式检测孤岛方法能够快速准确的检测孤岛现象，并能减小检测盲区的影响，但不足的是加入的扰动量一般会降低并网电流的质量，并对电网电压产生一定的干扰。

5.3仿真实验

本文提出一种新型的过/欠电压与功率扰动法作为其主要的孤岛检测方法，应用新算法对光伏并网逆变系统进行了仿真。图3是在有功率扰动的情况下电网电压、电流的仿真波形。由图3可知，采用功率扰动后，由于电网电压实现了对逆变电压的变化进行了牵制，电压并没有因为逆变输出功率变化而变化，在整个过程中电网没有脱离。图4是在有功率扰动的情况下的产生孤岛现象的仿真波形。由图4可知，采用功率扰动后，由于电网电压的脱离，对逆变其输出端的电压的变化无法进行牵制，电压随着逆变输出功率变化而变化。用MATALAB仿真，图像如下：无反孤岛检测控制电路、电压和电流无反孤岛检测控制电路、电压和电流从图4中可以看到，电网在某0.3S时刻发生断网，孤岛现象产生。这一扰动导致逆变器输出侧电压值偏离并在0.5S时刻超出逆变器的欠压保护，从而引起系统测出孤岛现象，可以立即启动保护。从仿真实验可以看出，实验符合IEEE标准929-2000对孤岛检测的标准要求，证明实验原理可以应用于实际的工程实验中。5.4

主动式孤岛检测方法

主动式孤岛检测法主要是对逆变器的输出电压幅值、频率或者相位等电量施加扰动，通过监测公共点处电量的变化情况来判定是否发生孤岛。主动式孤岛检测法主要包括：

(1)

功率扰动法(Power

variation)[49]：功率扰动法分为有功功率扰动法和无功功率扰动法，前者对逆变器输出电流的幅值进行扰动来改变有功功率输出，通过检测公共点处电压幅值变化来判断孤岛；后者对逆变器输出的无功功率进行扰动，通过检测公共点处频率变化来判断孤岛。

(2)

输出电压正反馈法(SVS，Sandia

Voltage

Shift)[50]：通过公共点处的电压来构建对逆变器输出电流幅值的正反馈，比如：电压幅值越小，电流给定越小；反之，亦然。电网断电后，公共点处的电压幅值在正反馈的作用下很快超出正常值，从而检测出孤岛。

(3)

主动频率/相位偏移法(Frequency

and

Phase

shift

techniques)[51][52]：对逆变器输出电流的频率或相位施加正反馈扰动。电网正常时，公共点处电压频率和相位在电网的钳制作用下，扰动不起作用；电网断电后，正反馈扰动快速将公共点处电压频率推出正常范围值，从而检测出孤岛。4实验原理

在分析和比较以上给出的各种被动式和主动式孤岛检测方法的基础上，并且结合仿真实验。本文提出一种新型的过/欠电压与功率扰动法作为其主要的孤岛检测方法。作为这一种防止孤岛检测方法，其具体方法是通过检测逆变器与电网连接点的电压幅值与频率来判断孤岛效应是否发生。同时，为了防止在孤岛检测中由于负载盲区而产生的误判现象，在试验中采用主动式孤岛检测方法，即引入了功率扰动减小误判现象的发生。该方法控制原理简单，对传感器和控制器的精度要求不高，在光伏并网逆变器中实现不需要额外的硬件成本，其原理和普通的过'欠电压检测方法相似，都是通过检测公共点的电压来达到检测孤岛状态的目的。不同之处在于该方法在传统的被动式检测环节上加入了主动检测的方法，即发出与电网电压同频的功率扰动，但是在其幅值并不足以触发过压或者欠压保护时，扰动可以在负载不平衡的情况下产生一定的电压跳变，以实现孤岛状态的准确检出。同时，该方法对孤岛中存在多个光伏并网的情况也具有一定的实用性。

5.5实验结果

本文在100kW三相光伏逆变器平台上进行了测试。PV系统输出的电流峰值为15A。采用DSP控制，其光伏系统硬件结构框图如下所示。光伏系统结构框图并网时被动式检测波形如图6所示，可以看出，并网时公关节点电压为电网电压，负载为阻性负载。当电网断开的时候，电流由于电感的作用没有发生突变，但是公共节点电压产生了一个小的突变。通过这个在公共节点的电压突变，可以判定系统发生了孤岛现象。并网时被动式检测波形考虑到被动（无源）检测法中存在较大盲区的限制、功率扰动对同步性的要求，以及为了防止虚假孤岛保护现象发生，在过/欠电压检测中增加了并网电流扰动辅助措施，从而可以有效避免由于负载盲区现象，进一步提高孤岛检测的准确性。本实验进一步采用输出功率扰动检测和过/欠电压、高!低频检测结合的检测方法。过/欠电压、高/低频检测作为主要的算法。在实验中，以电网频率为50Hz为例，一般的实施方法就是每隔六个周期，将并网逆变器的输出电流参考值设定正常值的1/2，并维持2个周期以防止误判。图7给出了应用本孤岛检测方法的光伏并网系统在并网状态下运行和孤岛状态运行时的逆变器输出电流和线路电压波形，电路按照IEEE标准929-2000中反孤岛测试电路进行参数设置，负载和逆变器处于平衡状态。

带功率扰动的并网时被动式检测波形

从实验结果与表1中的孤岛保护时间标准对比发现，本孤岛检测方法在线路出现孤岛情况下，在0.14s内检测到孤岛现象，小于IEEE标准IEEE

Std

929-2000所规定的2.4s保护的保护时间，说明保护方法具有很好的快速性，同时有效地避免了由于负载盲区对系统可靠工作带来的影响从实验结果可以看出，由于负载与逆变器输出平衡，线路电压与并网运行时相同，并网系统继续工作。当电网断开时，由于人为降低了输出电流的参考值，以致负载和逆变器输出不平衡，所以造成了线路电压的异常，即在功率扰动处出现了电压跳变，过压保护被触发，从而实现了孤岛状态检测。实验结果表明：本方法可以有效地避免由于负载盲区而引起的虚假孤岛保护现象，提高了孤岛检测的准确性。

5.6结论

本文提出了在采用带过!欠电压检测功能的电压突变检测方法分析的基础上，使公共点的电压发生突变的状态，并加入了功率扰动量，消除了孤岛现象发生后可能出现的负载盲区，实现了光伏系统并网时的快速检测，消除了传统孤岛检测方法中存在的检测盲区。本方法原理简单，容易实现，对电网电能质量的影响小，具有较强的工程应用价值。6全文总结6.1本文工作的总结本文以三相逆变器为研究对象，建立了三相逆变器的数学模型，分析了基于同步坐标系数学模型的控制系统，实现了三相逆变器的同步坐标系控制，分析了数字锁相环的数学模型，主要分析了基于锁相环同步、无功闭环调压并联控制的基本原理及其实现方法，并建立了两台三相逆变器的仿真模型。全文的主要内容以及所作的具体工作体现在以下几个方面:三相逆变器及其并联控制系统分析，以由三个单相全桥组成的三相逆变器为研究对象，建立与分析了三相逆变器的ABC、αβ、dq三种坐标系下的数学模型，以及三种坐标系之间的变换矩阵。提出三相控制策略并比较各方案的优势，最终确定控制系统的组成。通过矢量数学模型的建立引入扇形区域分析，完成矢量控制的最优方案。对孤岛效应进行深入研究，分析其出现的原因及危害，并提出多种孤岛检测的方法。并用MATALAB进行仿真实验，验证方法的正确性。（4）运用MATLAB仿真软件，建立了基于同步坐标系控制的两台三相逆变器的系统模型，针对逆变器输出电压的幅值、相位以及幅值与相位分别突变时，对并联控制系统作了仿真分析，实验结果验证实现有用功无用功的平和分配。6.2今后工作的展望本文是以光伏发电作为课题研究，通过建立模型以及数学分析等手段实现系统过程，但是从各种实验结果看，还有很多需要改善的地方。首先是自身知识结构方面，缺乏系统的学习，特别是研究手段的科学性不足。在做课题时，不能形成主动的思考过度依赖文献资料。查阅的资料过于单一，包括渠道的单一，内容的单一。两外研究的局限性方面，系统没有建立得够完善，很多干扰因素，看上去无伤大雅，其实很大程度决定了系统的可操作性，比如孤岛响应。因此，在今后的学习工作中，我会更加努力的去丰富自身的知识结构，力求做到、态度严谨，注重细节。致

谢

首先向敬爱的李旺昆辅导员表示衷心的感谢，四年的大学生活处处都有你影子，您是一位让人尊敬又平易近人的老师，在您那我感受的不只是生活的导师还有心灵的导师。在您的教训下，我从一个高中毕业生到接收高等教育的社会应用型人才的转变。包括思想和知识结构的改变将会影响我整个人生，我想我永远不会忘记您的昆哥，请允许我像平时那样叫你。

我还要感谢所有教过我的老师，他们是：谢文惠老师、梁喜幸老师、周彦明老师、黄秋和、王玮老师、李振强老师、黄庆南老师、廖萍老师、姚江云老师、孔峰老师他们，他们不只是老师同时也是我的榜样，他们严谨负责的研究态度使我受益匪浅。感谢自动化101班的每一位同学，四年的大学里，一起生活、一起学习、一起做实验的时光很美好。来自全国各个地方的他们性格文化的差异让我增加了对人文社会的了