毕业设计论文-微电网的孤岛检测研究-三相逆变器接口建模

毕业设计论文-微电网的孤岛检测研究-三相逆变器接口建模内容摘要：

giCgigi PP  (27) 所以，式 (25)和式 (27)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 ΔP和 ΔQ 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 ΔP=0， ΔQ=0，由式 (25)得到 ig UU 。 代入式 (27)得到， 0111    gicgi  (28)，即。 所以，如果 ΔP和 ΔQ 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 逆变器孤岛判断的检测盲区 图 所示的即为逆变器在判断孤岛时由于 ΔP和 ΔQ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 : gU :市电电压。 iU :逆变器输出电压。 g :市电电压波形的角频率。 i :逆变输出电压波形的角频率。 微电网的孤岛检测研究 三相逆变器接口建模 9 P:逆变器输出的有功功率。 Q:逆变器输出的无功功率。 ΔP:输入到电网的有功功率。 ΔQ:输入到电网的无功功率。 检测孤岛的方法 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]。 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。 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南京工程学院电力工程学院毕业设计（论文） 10 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。 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。 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 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。 而动态性能主微电网的孤岛检测研究 三相逆变器接口建模 11 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]。 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。 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。 /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。 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。 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。 南京工程学院电力工程学院毕业设计（论文） 12 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。 ，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。 ，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。 ，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。 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。 微电网的孤岛检测研究 三相逆变器接口建模 13 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。 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]。 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。 南京工程学院电力工程学院毕业设计（论文） 14 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。 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。 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。 微电网的孤岛检测研究 三相逆变器接口建模 15 第四章 MATLAB 仿真模块介绍 MATLAB 简介 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 2020 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。