電網(wǎng)電能質(zhì)量分類和分析畢業(yè)論文.doc

哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 I 電網(wǎng)電能質(zhì)量分類和分析畢業(yè)論文電網(wǎng)電能質(zhì)量分類和分析畢業(yè)論文 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒論 1 1 1 電網(wǎng)電能質(zhì)量問題 1 1 1 1 電能質(zhì)量的概念 1 1 1 2 對敏感設(shè)備的影響 2 1 2 并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用 3 1 2 1 課題研究的背景意義 3 1 2 2 逆變技術(shù)的發(fā)展和研究成果 6 1 2 3 并網(wǎng)逆變器應(yīng)用發(fā)展方向 8 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 9 第 2 章 電網(wǎng)波動情況的分類和分析 11 2 1 當(dāng)前電網(wǎng)波動情況分析 11 2 2 電網(wǎng)波動情況分類 12 2 3 電網(wǎng)波動對并網(wǎng)逆變器的影響 13 第 3 章 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)和原理 15 3 1 并網(wǎng)逆變器簡介 15 3 2 并網(wǎng)逆變器的組成和拓?fù)?15 3 3 一般的電路結(jié)構(gòu) 16 3 4 并網(wǎng)逆變控制方法 21 3 5 逆變器調(diào)節(jié)原理分析 27 第 4 章 電網(wǎng)波動下并網(wǎng)逆變器控制 31 4 1 控制方案的建立 31 4 2 電壓前饋法 32 4 3 零誤差電流跟蹤法 33 4 4 結(jié)合方法的理論分析 34 4 5 仿真軟件介紹 35 第 5 章 兩種方法結(jié)合的仿真分析 37 5 1 仿真模型的建立 37 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 II 5 2 PI 調(diào)節(jié)的仿真結(jié)果 37 5 2 1 無電網(wǎng)電壓擾動的仿真結(jié)果 37 5 2 2 電網(wǎng)波動對并網(wǎng)逆變的影響 39 5 3 電壓前饋法 41 5 4 零誤差電流跟蹤法 42 5 5 結(jié)合方法抗擾動分析 44 結(jié) 論 46 致 謝 47 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 0 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 電網(wǎng)電能質(zhì)量問題 1 1 1 電能質(zhì)量的概念 電能是當(dāng)今最重要而廣泛的能源形式 其應(yīng)用程度成為一個國家發(fā)展水平的 主要標(biāo)志之一 很難想像失去電能支撐的文明世界將會如何運行 在所有的動力 能源中 電能使用最方便 適用范圍非常廣 并且是清潔的 近十年來 我國電 力事業(yè)取得了較大的發(fā)展 裝機容量超過了 3 5 億千瓦 成為世界第二大電力大 國 預(yù)計到 2050 年 僅大陸的發(fā)電量就會超過 20 億千瓦時 然而隨著各種電能 用戶的增加 隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展 對電能的需求量日益增加 同時 對電能質(zhì)量的要求也越來越高 所以電能質(zhì)量 PowerQuality 越來越多地引起人們 的注意 電網(wǎng)供電質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo) 從普遍意義上講 電能質(zhì)量是指 優(yōu)質(zhì)供電 但迄今為止 對電能質(zhì)量的技術(shù)含義還存在著不同的認(rèn)識 這一方面 是由于人們看問題的角度不同 如電力企業(yè)可能把電能質(zhì)量簡單地看成是電壓偏 差與頻率偏差的合格率 并且用統(tǒng)計數(shù)字來說明電力系統(tǒng)電能是符合質(zhì)量要求的 電力用戶則可能把電能質(zhì)量籠統(tǒng)地看成是否向負(fù)荷正常供電而設(shè)備制造廠家則認(rèn) 為合格的電能質(zhì)量就是指電源特性完全滿足電氣設(shè)備正常設(shè)計工況的需要 但實 際上不同廠家和不同設(shè)備對電源特性的要求可能相去甚遠(yuǎn) 另一方面 對電能質(zhì) 量的認(rèn)識也受電力系統(tǒng)發(fā)展水平的制約 特別是用電負(fù)荷的性能和結(jié)構(gòu) IEEE 標(biāo) 準(zhǔn)化協(xié)調(diào)委員會正式采用 PowerQuality 這一術(shù)語 并給出了其較為統(tǒng)一的定義 合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備正 常工作 而改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全 經(jīng)濟運行 保障產(chǎn)品質(zhì)量和科 學(xué)實驗以及人民生活和生產(chǎn)的正常等均有重要意義 電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng) 濟的總體效益 因此人們對電能質(zhì)量問題的重視并非近幾年的事 只不過早期對 此認(rèn)識比較簡單 主要局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓水平即靜態(tài)或平均偏差不過大 上 自世紀(jì)年代以來 隨著新型電力負(fù)荷迅速發(fā)展以及它們對電能質(zhì)量的要求不 斷提高 電能質(zhì)量才逐漸成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的問題 目前電能質(zhì)量中 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 1 某些問題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題 吸引了許多高等院校 科研院所和一大 批電力科技工作者投入其中從事開拓性或開發(fā)性工作 1 1 2 對敏感設(shè)備的影響 電網(wǎng)是共用的 隨著用戶數(shù)量和用電量的變化 宏觀上有高峰期電壓和低谷 期電壓的差異 由于用戶從電網(wǎng)取電的時機和電量的偶然性以及沖擊性 波動性負(fù) 荷的存在會給電網(wǎng)造成隨機的瞬時沖擊和定式落差 電力電子裝置的大量應(yīng)用 在 電力系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載 其開關(guān)工作方式會引起電網(wǎng)電壓 電流波 形畸變 造成電網(wǎng)的諧波污染 再加上自然因素如雷電 風(fēng)暴和炎熱等 電網(wǎng)中經(jīng) 常會出現(xiàn)擾動甚至供電瞬時中斷 這些問題一方面會給敏感的用電設(shè)備帶來安全 性問題 例如一個計算中心斷電 2 秒 就可能造成大量的數(shù)據(jù)破壞 結(jié)果造成上 百萬的經(jīng)濟損失 大型生產(chǎn)車間里 0 1 秒的電壓不正常就會造成異常生產(chǎn)狀況乃至 產(chǎn)品報廢 另一方面電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化 也會對用戶 尤其是照明用戶造成極 大的能源浪費 因此 保證可靠和高質(zhì)量的電能供應(yīng)對保障國民經(jīng)濟各行各業(yè)的 正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量以及提高人民生活質(zhì)量具有重要的意義 為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平 大量基于計算機系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子 裝置投入使用 這些裝置對電能質(zhì)量非常敏感 一個計算中心失去電壓就可能破壞 幾十個小時的數(shù)據(jù)處理結(jié)果或者損失幾十萬美元的產(chǎn)值 當(dāng)今自動化設(shè)備的連續(xù) 精加工生產(chǎn) 不論是變速拖動還是機器人 工作母機還是自動化生產(chǎn)線 例如柔性 制造系統(tǒng)或計算機綜合制造系統(tǒng) 它們對配電系統(tǒng)中的干擾和異常非常敏感 甚 至幾分之一秒的不正常就可能在工廠內(nèi)部造成混亂 這些用戶對不合格電力的容 許度可嚴(yán)格到個周波 同時 電力系統(tǒng)中諧電的危害電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染 正弦電壓波形畸 變 使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設(shè)備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障 情況日趨嚴(yán)重 電力 系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的 概括起來有以下幾個方面 1 影響繼電保護的可靠性 如果繼電保護裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小 此時 若諧波干擾疊加 到極低的整定值上 則可能會引起負(fù)序保護裝置的誤動作 影響電力系統(tǒng)安全 2 補償電容器過載 電容器的阻抗是與頻率成反比的 它對諧波電流呈現(xiàn)非常低的阻抗 若電容器 的容抗和供電變壓器的漏抗在某一個諧波頻率或接近這一頻率時相等 將發(fā)生危險 的諧振而導(dǎo)致非常大的電流或電壓 容易燒壞電容器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 2 3 諧波對變壓器和電動機的危害 諧波電流要增大變壓器繞組 鐵心和電機鐵芯上的損耗 使得變壓器溫升增加 絕 緣加速老化 使得電機轉(zhuǎn)子發(fā)生振動 嚴(yán)重影響機械加工的產(chǎn)品質(zhì)量 同時 諧波會 使變壓器和電動機的使用壽命縮短 4 其他危害 諧波不僅使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差 而且對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也 很大 針對諧波問題 我國已于 1993 年頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn) 電 能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶向公用電網(wǎng)注入 諧波電流的允許值 電力系統(tǒng)方面也做了大量的防止高次諧波入侵電網(wǎng)的各項措 施 針對上述問題 本文將關(guān)注于并網(wǎng)逆變會對電網(wǎng)產(chǎn)生如何的影響 和在電網(wǎng) 波動下怎樣控制并網(wǎng)逆變器 1 2 并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用 1 2 1 課題研究的背景意義 隨著人類社會的不斷發(fā)展 人們的經(jīng)濟及文化活動需要大量的能源 而現(xiàn)如 今不可再生能源日益緊缺和環(huán)境污染程度不斷加重 可再生能源 如太陽能等 的利用倍受重視 同時人們不斷追求更清潔 有效和節(jié)約的利用能源方法 其中 都牽涉到了并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用 1 可再生能源并網(wǎng)發(fā)電 近些年 隨著世界人口的增加和人們生活水平的不斷提高 對于能源的需求 和消費也在迅速的增長 因此 傳統(tǒng)能源 如石油 天然氣等常規(guī)能源面臨著枯 竭的局面 另外 大量消耗傳統(tǒng)能源也帶來很多環(huán)境污染的問題 如排放大量的 二氧化碳 造成溫室效應(yīng) 已經(jīng)成為世界各國共同面對的問題 因此 在這種條 件下 積極發(fā)展新能源技術(shù)已經(jīng)是一個迫切而重要的問題 風(fēng)能 太陽能屬于綠 色無污染能源 尤其是在傳統(tǒng)能源的枯竭與帶來環(huán)境污染的情況之下 研究可再 生能源以代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是一個重要而迫切的問題 90 年代以來 發(fā)達(dá)國家重新掀 起了發(fā)展光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的高潮 特別是發(fā)展 屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 光伏并網(wǎng)系統(tǒng) 不斷發(fā)展完善 同時 清潔的風(fēng)能利用也受到了重要的關(guān)注 并在一些國家得到 了很好的應(yīng)用 由此帶來了關(guān)于分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究問題 分布式發(fā)電系統(tǒng)是 以天然氣 氫氣或太陽能 風(fēng)能 生物質(zhì)能為能源的發(fā)電及能源綜合利用方式 可獨立運行 也可接入電網(wǎng)運行 而只有將這些電能有效回饋至電網(wǎng) 才能實現(xiàn) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 3 可再生能源的大規(guī)模 高效率利用 因此 對于分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變部分 的研究在新能源開發(fā)與應(yīng)用的過程中有著重要的意義 在我國 80 年代以后 國家開始對光伏工業(yè)和光伏市場的發(fā)展給以支持 使 得我國十分弱小的太陽電池工業(yè)得到鞏固和發(fā)展并在許多有用領(lǐng)域建立了示范 我國光伏發(fā)電的研究開發(fā)工作 經(jīng)過幾十年的努力 取得了不小的成就 在光伏 水泵系統(tǒng) 通信光伏電源系統(tǒng) 微波中繼站 陰極保護光伏電源系統(tǒng) 家用光伏 電源系統(tǒng) 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)等的系統(tǒng)技術(shù)方面 也取得了不少的研究成果和工 程經(jīng)驗 在北京建成了 20kwp 50kwp 等容量等級的光伏屋頂并網(wǎng)系統(tǒng) 成功地 實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電 在大型光伏電站方面 中科院電工研究所于 2004 年在深圳世 博園成功地實施了 1Mwp 容量的大型光伏并網(wǎng)電站 我國的光伏產(chǎn)業(yè)雖然在近年取得了一定的發(fā)展 但相比于蓬勃發(fā)展的世界光 伏工業(yè) 中國光伏工業(yè)還處于起步階段 光伏產(chǎn)量和安裝容量僅為世界 l 左右 由于政策 資金等因素的制約 總體上我國的太陽能光伏技術(shù)仍處于初級階段 規(guī)模小 技術(shù)落后 應(yīng)用面窄 產(chǎn)品單一 一些關(guān)鍵的技術(shù)和材料仍不能實現(xiàn)國 產(chǎn)化 在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中 逆變器效率的高低 可靠性的好壞直接影響整個并網(wǎng)系 統(tǒng)的性能 逆變器的效率值表征自身功率損耗的大小 通常以百分?jǐn)?shù)表示 千瓦 級以下的逆變器滿負(fù)荷效率應(yīng)為 80 85 10 千瓦級的逆變器效率應(yīng)為 85 90 目前國外光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品的效率可達(dá) 95 完全實現(xiàn)了商業(yè)化 隨著我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的出臺和市場的發(fā)展 我國的光伏產(chǎn)業(yè)必將得到 快速地發(fā)展 面對如此巨大的國內(nèi)市場需求和廣闊的發(fā)展前景 要實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè) 的快速發(fā)展和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化 必須發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光伏并網(wǎng)技 術(shù) 增加技術(shù)積累和鼓勵技術(shù)創(chuàng)新 并網(wǎng)逆變技術(shù)是可再生能源發(fā)電不可缺少的 的技術(shù) 2 電子負(fù)載 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展 人們對能源的要求及試驗自動化的要求也會越來越高 一方面需要越來越大的功率試驗手段 另一方面由于能源的緊缺使得能耗的費用 也越來越高 基于節(jié)約能源減少開支和試驗自動化的要求 很多場合 如通信電 源出廠試驗 各種整流柜出廠試驗 大功率充電電源試驗 蓄電池放電試驗 電 機出廠試臉 柴油機汽油機出廠試驗 汽車動力性能試驗 電解電鍍電源出廠試 驗 以及不停電電源出廠試驗等 將越來越多的采用電子負(fù)載進行考核試驗 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 4 在測量 AC DC 和 DC DC 電源 功率器件 電池 電池充電器等輸出能量或 消耗能量時都需要負(fù)載來實現(xiàn) 傳統(tǒng)的方法是利用靜態(tài)電阻 固定電阻 變阻箱和 滑動變阻器等 來充當(dāng)被測負(fù)載 但由于實際負(fù)載的形式較為復(fù)雜 通常都是動態(tài) 的 即負(fù)載隨時間 頻率在不斷地變化 因此靜態(tài)負(fù)載很難完全模擬實際負(fù)載 在電源生產(chǎn)過程中 出廠性能測試是非常重要的一個環(huán)節(jié) 為了便于測試 現(xiàn)在 一般采用的是模擬負(fù)載 而非實際負(fù)載 即我們所提及的電子負(fù)載 它利用功率 器件 MOSFET IGBT 等 模擬電阻器 具有很強的操作靈活性 一直以來 國 內(nèi)外學(xué)者都在不斷研究可以替代實際負(fù)載的電子模擬負(fù)載 即電子負(fù)載 在選擇 合適的電子模擬負(fù)載時 首先要確定模擬負(fù)載與實際負(fù)載的匹配性 即兩者變化 范圍 變化規(guī)律及容量是否能夠一致 其次是驗證模擬負(fù)載的控制方式是否可行 能饋型電子負(fù)載是一種能夠模擬實際電阻負(fù)載特性的新型電力電子裝置 用 于直流電源功率試驗 并將測試的直流電能逆變?yōu)榻涣鞑⑷腚娋W(wǎng) 實現(xiàn)電能的再 生利用 該裝置具有節(jié)能 體積小 重量輕節(jié)省安裝空間 試驗性能優(yōu)良等優(yōu)點 電能反饋型電子負(fù)載利用電力電子變換技術(shù)將被試電源的輸出能量大部分無污染 地反饋回電網(wǎng) 節(jié)約了大部分的能源 另一方面 因為能源的節(jié)約不會產(chǎn)生大量的 熱量 所以不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設(shè)備 由于采用的是能量反饋方式 試驗場所也不必配備較大的電源容量 這種電子負(fù)載與一般電子負(fù)載的區(qū)別在于 一方面 它從被試電源吸收的電能返回給電網(wǎng) 以供被試電源循環(huán)使用 其損耗 僅僅是 PWM 變流器的開關(guān)損耗和線路損耗 從而最大限度地節(jié)約了能量 另一方 面 由于所采用的 PWM 變流器工作在開關(guān)狀態(tài) 與一般工作在放大狀態(tài)的電子 負(fù)載相比 它可實現(xiàn)大功率應(yīng)用的要求 從而具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 它的主要 作用是替代傳統(tǒng)電阻性功率負(fù)載進行相關(guān)的功率實驗 也可應(yīng)用于儀器設(shè)備的測 試實驗 電子負(fù)載在其拓?fù)渲胁捎媚孀兤鲗⒛芰炕仞侂娋W(wǎng) 可使能量損耗降低至 少 80 電能反饋型電子負(fù)載可以替代傳統(tǒng)電阻型及一般電子功率負(fù)載進行相關(guān)的功 率實驗 也可被應(yīng)用于儀器設(shè)備的測試實驗 與電阻型及一般電子型負(fù)載相比它 具有以下的優(yōu)點 1 節(jié)約能源 被試設(shè)備的輸出能量回饋到電網(wǎng) 為被測試電源循環(huán)使用 其損耗僅僅是電能能饋型電子負(fù)載的開關(guān)等元件的發(fā)熱損耗和線路損耗 節(jié)約了 能源 另一方面又不產(chǎn)生大量的熱量 避免了試驗場所環(huán)境溫度升高的問題 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 5 2 體積小 重量輕 節(jié)約空間 由于該電子負(fù)載沒有把試驗的功率變成熱 浪費掉 因此不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設(shè)備 大大節(jié)約了安裝空間和安 裝費用 3 可連續(xù)調(diào)節(jié)所模擬負(fù)載 電阻型負(fù)載在功率較高時不得不采用有級調(diào)節(jié) 在使用時受到很大限制 而能饋型電子負(fù)載作為動態(tài)負(fù)載 可以跟據(jù)需要自由進 行調(diào)節(jié) 負(fù)載形式較復(fù)雜 4 由于采用的是能量回饋的方式 因此 試驗場所不必配備較大的電源容 量 隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展 人們對能源的要求及試驗自動化的要求也會越來越高 一方面需要越來越多的功率試驗手段 另一方面由于能源的緊缺使得能耗的費用 也越來越高 基于節(jié)約能源 減少開支和試驗自動化的要求 很多場合 例如通 訊電源出廠試驗 各種整流柜出廠試驗 大功率充電電源試驗 蓄電池放電試驗 電機出廠試驗 柴油機汽油機出廠試驗 汽車動力性能試驗 電解電鍍電源出廠 試驗 以及不停電電源出廠試驗等 將越來越多地采用電子負(fù)載進行考核試驗 實際上負(fù)載的形式較為復(fù)雜 常為一些動態(tài)負(fù)載 如 負(fù)載消耗的功率是時間的 函數(shù) 或者負(fù)載工作在恒定電流 恒定電阻 恒定電壓方式以及不同的峰值因數(shù) 功率因數(shù)或負(fù)載為瞬時短路負(fù)載等 傳統(tǒng)負(fù)載模擬不了這些復(fù)雜的負(fù)載形式 基于能饋型電子負(fù)載具有以上的優(yōu)點 尤其在節(jié)約能源和減少電源檢測成本 等各方面能饋型電子負(fù)載都有積極的作用 所以對它的研究與實現(xiàn)具有重要的意 義 目前 軟開關(guān)技術(shù)也應(yīng)用到了電子負(fù)載實現(xiàn)中 ZVZCS 電子負(fù)載軟開關(guān)技術(shù) 得到實現(xiàn) 后期隨著技術(shù)的發(fā)展 交流電子負(fù)載的研究也逐漸興起 能饋型電子負(fù)載不斷受到研究者的青睞 而其也要依賴于并網(wǎng)逆變技術(shù)的發(fā) 展 1 2 2 逆變技術(shù)的發(fā)展和研究成果 逆變技術(shù)就是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電 當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上 即接有電源是 稱為有源逆變 當(dāng)交流側(cè)直接與負(fù)載相連是 稱為無源逆變 逆變技術(shù)的發(fā)展是 依靠電力電子技術(shù)的發(fā)展 計算機控制的發(fā)展的 而最重要的基礎(chǔ)就是電力電子 技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù) 電力電子 技術(shù)是 20 世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù) 同時 電力電子技術(shù)依賴 于晶閘管 電力晶體管等電力電子器件的發(fā)展 1904 年出現(xiàn)了電子管 它能在真 空中對電子流進行控制 并應(yīng)用于通信和無線電 從而開了電子技術(shù)之先河 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 6 1947 年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管 引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命 70 年代后期 以門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 電力雙極型晶體管 BJT 和電力場效 應(yīng)晶體管 Power MOSFET 為代表的全控型器件迅速發(fā)展 在 80 年代后期 以 IGBT 為代表的復(fù)合型器件異軍突起 隨著全控型電力電子器件的不斷進步 電 力電子電路工作頻率也不斷提高 隨著電力電子技術(shù)和控制水平的不斷提高 將 直流變交流的逆變技術(shù)的不斷發(fā)展 目前 應(yīng)用于不同的場合的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種情況 各種拓?fù)淇梢韵嗷?結(jié)合成各種不同的形式 以滿足各種要求 據(jù)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的級數(shù) 可以分為單 級逆變器和多級逆變器 單級式逆變器是只用一級拓補結(jié)構(gòu)就可以完成升壓和交 直流電能轉(zhuǎn)換 DC AC 的逆變器 多級式逆變器需要多級拓補結(jié)構(gòu)進行能量交 換 其中前幾級大多用于升壓或電氣隔離 由最后一級完成電能的轉(zhuǎn)換 在功率較小的場合 大多采用高效 低成本的單級逆變器 而在大功率 寬 電壓范圍輸入的場合 多采用多級逆變器 相比之下 多級逆變器的效率低于單 級逆變器 除此之外 逆變器的還包括單相逆變器和三相逆變器 根據(jù)逆變器的輸入端 和輸出端是否隔離 逆變器分為隔離型和非隔離型 隔離型逆變器多采用變壓器進 行隔離 變壓器可選擇工頻電壓器或高頻電壓器 功率單向流動 雙向流動等各 種形式 如 并網(wǎng)逆變器采用雙向功率流動的拓?fù)?在并網(wǎng)工作時 既可以向電 網(wǎng)提供電能 同時也可以從電網(wǎng)吸收能量 當(dāng)電網(wǎng)電能富足時 從公用電網(wǎng)吸收 電能 并將其存儲起來 因為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的輸入直流電壓的波動范圍很大 所以根據(jù)逆變 器輸入直流電壓和輸出交流電壓的比較 可以將逆變器分為 Buck 逆變器 Boost 逆變器和 Buck Boost 逆變器 并網(wǎng)逆變器控制策略可以采用模擬方式和數(shù)字方式來實現(xiàn) 早期的并網(wǎng)逆變 器一般采用模擬控制方式 采用波形發(fā)生電路分別產(chǎn)生正弦信號波和三角載波 兩者比較生成的 SPWM 波通過驅(qū)動電路控制主電路中功率器件的開通和關(guān)斷 模擬控制方式控制電路設(shè)計復(fù)雜 難以設(shè)計 而且只能采用 PID 控制 隨著數(shù)字 技術(shù)的不斷發(fā)展完善 選擇基于數(shù)字式 DSP 的控制策略應(yīng)用越來越廣泛 采用數(shù) 字化控制方式 系統(tǒng)效率高 電能質(zhì)量好 可靠性好 采用 DSP 進行控制 設(shè)計 簡單 而且可以實現(xiàn)多種控制方式 如智能控制 目前還有數(shù)?；旌系目刂品绞?這種方式控制簡單 DSP 資源占用少 工作穩(wěn)定可靠 可以完成多個控制模塊進 行并聯(lián)工作 可以滿足大功率場合的需求 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 7 目前應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器的控制方式有多種 如滯環(huán)控制 PI 控制 比例諧振 控制 重復(fù)控制 無差拍控制 單周期控制 模糊控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種 我國的并網(wǎng)逆變器技術(shù)尚處于研發(fā)階段 與國際水平相比有一定的差距 主 要表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模 產(chǎn)品的可靠性和功能上 所以發(fā)展具有自我知識產(chǎn)權(quán)的并網(wǎng) 逆變器相關(guān)技術(shù) 進而實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化 已是刻不容緩的事 1 2 3 并網(wǎng)逆變器應(yīng)用發(fā)展方向 從上兩節(jié)看出 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)不斷發(fā)展下 各種需求的增長 并網(wǎng) 逆變不斷受到重視 并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電 饋能的核心技術(shù) 其中主要應(yīng)用于 以下可再生能源發(fā)電 電子負(fù)載領(lǐng)域 在電機測試上也能有所應(yīng)用 我國 電動 機的用電量已經(jīng)占到社會總用電量的 60 以上 提高電動機的運行效率 可以幫 助用戶節(jié)約電能 除了采用高效率的電動機和控制技術(shù) 對電動機的再生能量綜 合利用 同樣可以很好地節(jié)能 使用能量回饋系統(tǒng) 將電機運行中的消耗的部分能 量回饋電網(wǎng) 可以節(jié)省大量的能量 上述三種方式都需要接入電網(wǎng) 將直流電轉(zhuǎn) 變成交流 即并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié) 隨著技術(shù)的發(fā)展和各種要求的增長 并網(wǎng)逆變器和 分布式發(fā)電的發(fā)展方向如下 1 并網(wǎng)逆變器的發(fā)展方向 效率高和成本低是并網(wǎng)逆變器研究不斷追求的目標(biāo) 圍繞這兩大目標(biāo) 并網(wǎng)逆 變器有以下幾個發(fā)展趨勢 a 簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 主要是減少功率開關(guān)管的個數(shù) 減少儲能元 件的個數(shù) 簡化諧波濾波裝置等 近年來 并網(wǎng)逆變器朝向無變壓器的非隔離型拓 撲結(jié)構(gòu)發(fā)展 無變壓器的逆變器與有變壓器的逆變器相比 具有效率高 成本低 重量輕 體積小等優(yōu)點 b 增大允許的直流電壓輸入范圍 分布式發(fā)電的特點之一就是產(chǎn)生的直流電 壓波動大 電壓低 這就要求逆變器在這種情況下 能夠輸出高質(zhì)量的適于并網(wǎng)的 交流電 在直流側(cè)波動大的時候 Buck boost 逆變器配合適應(yīng)技術(shù)和智能技術(shù)相結(jié) 合的控制方式 可以最大程度地把電能輸入到電網(wǎng) 而且不影響輸出交流電的品質(zhì) c 應(yīng)用軟開關(guān)逆變器 硬開關(guān) PWM 逆變器的開關(guān)損耗很大 功率開關(guān)器件在 開關(guān)瞬間承受大的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力 不利于整機效率和可靠性的提高 軟開關(guān) 技術(shù) ZVS 和 ZCS 的應(yīng)用可以大大減小開關(guān)損耗 而且可以消除電壓尖峰和浪涌電 流 極大地降低器件的開關(guān)應(yīng)力 將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器 必將大大提高 并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和可靠性 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 8 d 應(yīng)用多電平逆變器 多電平逆變器可以應(yīng)用于 2 3 6 9KV 高壓系統(tǒng)的并網(wǎng) 逆變器 目前多電平逆變器主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 二極管箝位型 電容箝位型和獨 立直流電源串聯(lián)型 它們都有自己適用的場合 多電平并網(wǎng)逆變器的控制比較復(fù)雜 必 須做好多個開關(guān)之間的同步與平衡控制 可以考慮用 FPGA 實現(xiàn) e 發(fā)展三相并網(wǎng)逆變器 如今并網(wǎng)逆變器的研究更多的是集中在單相并網(wǎng)逆 變器 單相并網(wǎng)逆變器主要應(yīng)用于 3KW 以下的系統(tǒng) 3 5KW 之間的系統(tǒng)也有應(yīng)用 要發(fā)展大容量的逆變器 就要發(fā)展三相并網(wǎng)逆變器 2 分布式發(fā)電的發(fā)展方向 隨著電力電子技術(shù) 現(xiàn)代控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 分布式發(fā)電系統(tǒng)擁有了 更大的發(fā)展空間 分布式發(fā)電并網(wǎng)是一個大趨勢 為了實現(xiàn)分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)即 時監(jiān)控功能 可以將通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng) 形成電網(wǎng)和通信網(wǎng)整合的技術(shù) 電 網(wǎng)和通信網(wǎng)的整合可以實現(xiàn)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制 可以記錄用戶發(fā)電用電情況 可以實 現(xiàn)整個電網(wǎng)的管理 當(dāng)分布式發(fā)電逐漸進入千家萬戶 當(dāng)電網(wǎng)和通信網(wǎng)整合完成 也許電力可以實現(xiàn)自由交易 我們可以像上傳下載文件一樣上傳下載電力資源 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電 電子負(fù)載 分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域 并網(wǎng)逆變是 共同的核心技術(shù) 因此 研究并網(wǎng)逆變器及其控制具有特別重要的社會意義與經(jīng) 濟意義 并網(wǎng)逆變系統(tǒng)是將直流電源發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電 從而向電 網(wǎng)供電的一個裝置 它實際上是一個有源逆變系統(tǒng) 并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)為控 制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的 高品質(zhì)的正弦波 但是 電網(wǎng)存在的波動 將直接或間接影響到并網(wǎng)電流 使之產(chǎn)生畸變 從而影響到并網(wǎng)的功率因數(shù) 本 課題對如何降低電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)電流的影響進行分析與設(shè)計 本研究采用理論分析和仿真研究的方法 首先了解可再生能源利用和電能循 環(huán)利用中的 并網(wǎng) 和 電能回饋 的需求背景 分析研究并網(wǎng)逆變理論知識 利用 自動控制理論知識 分析控制方法的有效性及優(yōu)點 并研究將電壓前饋法和零誤 差電流跟蹤法兩種方案結(jié)合在一起的優(yōu)勢和特點 最后用仿真軟件驗證理論結(jié)果 預(yù)期達(dá)到將兩種方法結(jié)合后 能發(fā)揮出更好的結(jié)果 能夠應(yīng)用到實驗當(dāng)中來 本 課題為并網(wǎng)逆變抗電網(wǎng)電壓擾動電流控制研究 根據(jù)自動控制的原理 分析研究 不同控制方法對抗電網(wǎng)電壓擾動的影響 具體研究方案如下 設(shè)計一種 電壓源輸入 電流源輸出 方式的單相并網(wǎng)系統(tǒng) 在 MATLAB Simulink 環(huán)境下 建立該單相并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型 并利用該模型分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 9 系統(tǒng)工作原理 考慮電網(wǎng)電壓波動對的并網(wǎng)電流控制的擾動作用 設(shè)計具有抑制 擾動功能的并網(wǎng)系統(tǒng) 建立具有抑制電網(wǎng)電壓擾動功能的并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型并分 析和驗證擾動控制器的功能和作用 技術(shù)要求 i 直流側(cè)電壓范圍 100 120VDC ii 直流側(cè)電流 20ADC 動態(tài)精度 2 iii 網(wǎng)側(cè)電壓 220VAC 50Hz iv 擾動影響降低 95 v 并網(wǎng)電流 cos 0 98 THD 1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 10 第第 2 2 章章 電網(wǎng)波動情況的分類和分析電網(wǎng)波動情況的分類和分析 2 1 當(dāng)前電網(wǎng)波動情況分析 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化 諸如半導(dǎo)體整流器 晶閘管 調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置 煉鋼電弧爐 電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展 由 于其非線性 沖擊性以及不平衡的用電特性 使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變或引起 電壓波動和閃變以及三相不平衡 甚至引起系統(tǒng)頻率波動等 對供電電能質(zhì)量造 成嚴(yán)重的干擾或 污染 電能作為商品在電力市場運行機制下不同的發(fā)電公司包 括獨立電能生產(chǎn)者在發(fā)電側(cè)實行競爭 輸配電系統(tǒng)即電力公司與發(fā)電分離獨立經(jīng) 營管理 為發(fā)電公司和用戶提供轉(zhuǎn)送電能服務(wù) 用戶側(cè)也可以作為獨立實體參加 價格控制 這樣一個開放和鼓勵競爭的運行環(huán)境必然對電能質(zhì)量提出越來越高的 要求 并促使電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展和不斷完善 電能質(zhì)量中的一個重要問題就是諧波的問題 諧波問題受到各界的廣泛關(guān)注 隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展 供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的非線性負(fù)載 是 靜止變流器 靜止變流器是用開關(guān)方式工作的 這就給電網(wǎng)帶來了大量的諧波 綜合分析 對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的原因主要有三個 1 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波 發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱 鐵心也很難做到絕對均勻 一致和其他一些原因 發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波 但一般來說很少 2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波 輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波 由于變壓器鐵心的飽和 磁化曲 線的非線性 加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟性 其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽 和段上 這樣就使得磁化電流呈尖頂波形 因而含有奇次諧波 它的大小與磁路 的結(jié)構(gòu)形式 鐵心的飽和程度有關(guān) 鐵心的飽和程度越高 變壓器工作點偏離線 性越遠(yuǎn) 諧波電流也就越大 其中 3 次諧波電流可達(dá)額定電流的 0 5 3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波 電視機 計算機 復(fù)印機 電子式照明設(shè)備 變頻調(diào)速裝置 開關(guān)電源 電 弧爐等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)載 都是諧波源 如將這些諧波電流注入公用電 網(wǎng) 必然污染公用電網(wǎng) 使公用電網(wǎng)電源的波形畸變 增加諧波成份 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 11 而其中的主要諧波源是一些電力電子裝置 造成電網(wǎng)諧波污染的主要諧波源 包括 1 帶感性負(fù)載的整流電路 不但產(chǎn)生諧波 而且也造成功率因數(shù)的滯后 2 直流側(cè)含濾波電容的直流電路也是污染嚴(yán)重的諧波源 其輸入電流的基 波分量雖與電網(wǎng)電壓大致相位相同 位移因數(shù)近似為 1 但其輸入電流中的諧波 分量很大 而總功率因數(shù)很低 給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的污染 3 逆變和斬波裝置的直流電源來自于整流電路 尤其是直流電壓供電的逆 變和斬波裝置 其直流電壓源大多是由二極管整流再經(jīng)電容濾波而得 因此諧波 和無功問題也很嚴(yán)重 4 彩電和個人電腦等家用電器和辦公設(shè)備 都內(nèi)含開關(guān)電源 它們?nèi)找嫫?及帶來的諧波污染也日趨嚴(yán)重 5 感應(yīng)電機在輕載運行時功率因數(shù)很低 無功功率問題很突出 基于對電能質(zhì)量的廣泛研究 國內(nèi)外均出臺了相應(yīng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 其中包括 國際標(biāo)準(zhǔn) IEEE 519 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 制定的關(guān)于諧波的標(biāo)準(zhǔn) IEC61000 3 標(biāo)準(zhǔn) 國際電工委員會制定的電壓波動和閃變的標(biāo)準(zhǔn) 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) GB12325 90 電能質(zhì)量供電電壓允許偏差 GB T 14549 93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 GB12326 1990 電能質(zhì)量電壓允許波動和閃變 GB T15443 1995 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度 GB T15945 1995 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 而電網(wǎng)中的波動諧波主要以奇次諧波為主 其中 3 次諧波的危害最大 國際電 工委員會 IEC 已于 1988 年開始對諧波限定提出了明確的要求 美國 IEEE 電子電 氣工程師協(xié)會 于 1992 年制定了諧波限定標(biāo)準(zhǔn) IEEE 1000 在 IEEEstd 519 1992 標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了計算機或類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù) THD 應(yīng)在 5 以下 而 對于醫(yī)院 飛機場等關(guān)鍵場所則要求 THD 應(yīng)低于 3 因此根據(jù)上述分析 在并網(wǎng)逆變器的設(shè)計中 由于也會產(chǎn)生諧波 所以也需 要考慮輸出的諧波畸變率 本課題要求的 THD 1 完全滿足要求 同時 也要 著重考慮電網(wǎng)波動情況對并網(wǎng)逆變器的影響 這也是辨證地考慮問題 2 2 電網(wǎng)波動情況分類 電網(wǎng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng) 其中有多種多樣的非正常波動及諧波 對各種 電網(wǎng)波動情況的分類是研究課題的基礎(chǔ) 根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌委員會和其它國際 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 12 委員會的文件 推薦用以下術(shù)語來描述主要的電能質(zhì)量問題 1 電壓下陷 電壓有效值降到額定值的 10 90 持續(xù)時間為 0 5 個周波至 1 分鐘 主要是由大型設(shè)備 大型電動機啟動 或者大型電力變壓器的接入造成 的 2 電壓上升 電壓有效值升到額定值的 110 以上 典型值為額定值的 110 180 持續(xù)時間為 0 5 個周波至 l 分鐘 3 過電壓 電壓為額定值的 110 120 持續(xù)時間過 1 分鐘 4 欠電壓 電壓為額定值的 80 90 持續(xù)時間大于 l 分鐘 5 電壓中斷 指電網(wǎng)供電中斷 低于額定值的 10 持續(xù) 0 5 個周波到 3 秒為 瞬時中斷 持續(xù) 3 秒到 6 秒為暫時中斷 持續(xù)時間大于 60 秒為持續(xù)中斷 主要 是電網(wǎng)的斷路器跳閘 市電供電中斷 電網(wǎng)故障等 6 電壓波動 也即閃變 電壓的幅值在一定范圍內(nèi)有規(guī)律或者隨機地變化 其電壓幅值變化通常為額定值的 90 110 7 電壓瞬變 指在一定的時間間隔內(nèi)兩個穩(wěn)態(tài)量之間的變化 可以是任意極 性的單方向脈沖或者第一個峰值為任意極性的衰減振蕩波 8 諧波 頻率為基波電壓整數(shù)倍的電壓或電流 電力電子裝置和負(fù)載的非線 性特性引起的波形畸變可分解為基波和諧波之和 9 間諧波 電壓或者電流頻率不是基波的整數(shù)倍 間諧波主要由靜止變頻器 周波變頻器 感應(yīng)電機和電弧設(shè)備產(chǎn)生 目前 解決電能質(zhì)量問題造成困擾的基本思路有三條 1 提高用戶終端設(shè)備的抗干擾能力 如采用在線式 UPS 使得用電設(shè)備與 電網(wǎng)隔離 2 對電力電子裝置進行本身改造 使其不產(chǎn)生諧波 且功率因數(shù)可控制為 1 如單位功率因數(shù)變流器 UPFC 3 提高發(fā)電 輸電和配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和可靠性 如采用柔性交流輸電 技術(shù) FACTS 和用戶電力技術(shù) CustomPwoer 等 對輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)電能質(zhì)量進行 全面綜合補償和控制 而在改善電能質(zhì)量的同時 對于用電設(shè)備 在與電網(wǎng)電網(wǎng) 并聯(lián)時也應(yīng)考慮電網(wǎng)情況對終端設(shè)備的影響 針對電網(wǎng)的各種擾動情況 其中對影響最大的還是諧波影響和電壓幅值波動 因此 本文主要將研究此兩種情況下并網(wǎng)逆變器的控制策略 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 13 2 3 電網(wǎng)波動對并網(wǎng)逆變器的影響 并網(wǎng)逆變器對電網(wǎng)的波動情況也會有明顯的反應(yīng) 這是在設(shè)計并網(wǎng)逆變器時 需要考慮的重要因素 系統(tǒng)對并網(wǎng)電流的控制不僅僅要注意其穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 而 且要關(guān)注其動態(tài)指標(biāo) 從電流結(jié)構(gòu)框圖中可以看出 電網(wǎng)電壓相當(dāng)于外部電壓擾 動 由于電網(wǎng)可以視作功率為無窮大的電壓源 且電網(wǎng)交流電壓幅值變化較大 在控制環(huán)節(jié)中的影響不容忽視 電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響和干擾可以通過電流閉環(huán)控制框圖 2 1 看出 電 網(wǎng)電壓在濾波環(huán)節(jié)之前 靠近輸出電流 從傳遞函數(shù)看出電網(wǎng)電壓對電流有影響 從上式中可以發(fā)現(xiàn) 干擾量會對并網(wǎng)電流產(chǎn)生影響 3 N Us G S 圖 2 1 并網(wǎng)逆變電流內(nèi)環(huán)控制框圖 傳遞函數(shù) 2 1 1231233 1 ccN i sG S G S G Si s G S G S G SUs G S 電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)電流的影響可以通過仿真看出來 當(dāng)存在諧波和電壓暫 降時都能明顯看出并網(wǎng)電流的畸變 具體波形見第五章 電網(wǎng)波動對并網(wǎng)逆變器 的影響如何抑制 就是研究并網(wǎng)逆變控制的目的所在 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 14 第第 3 3 章章 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)和原理并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)和原理 3 1 并網(wǎng)逆變器簡介 并網(wǎng)逆變器就是利用有源逆變的原理將直流通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流并連入電 網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器 逆變器利用電力電子開關(guān)的不斷導(dǎo)通及關(guān)斷 產(chǎn)生交變電流 其中 電子開關(guān)的導(dǎo)通由控制電路的調(diào)制信號控制 為保證并網(wǎng)的有效性和安全性 需要保證逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻 同相 電壓等級相當(dāng) 這里一般需要利用反饋的控制策略 同時 為保證安全性 在并網(wǎng)前要加入即時保護裝置也是至關(guān)重要的 為保證饋送電能的有效性及質(zhì)量 要求接口電壓與電網(wǎng)電壓相匹配 同時保 證同頻同相 而并網(wǎng)逆變重要在于控制方法上 同時 電網(wǎng)電壓存在周期性的波 動 電壓波動是由一系列電壓 均方根值 變動引起的 有短時間及長時間隔的 波動的諧波將直接或間接影響到并網(wǎng)電流 使之產(chǎn)生畸變 從而影響到輸給電網(wǎng) 的功率因素 如何降低電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)電流的影響 就是將要研究的課題 課題的意義將使在電網(wǎng)電壓波動情況下并網(wǎng)電流控制更穩(wěn)定 而逆變的抗干擾能 力程度由在電網(wǎng)波動情況下并網(wǎng)電流的畸變率 THD 判定 3 2 并網(wǎng)逆變器的組成和拓?fù)?目前 應(yīng)用于不同的場合的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種情況 各種拓?fù)淇梢韵嗷?結(jié)合成各種不同的形式 以滿足各種要求 據(jù)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的級數(shù) 可以分為單 級逆變器和多級逆變器 單級式逆變器是只用一級拓補結(jié)構(gòu)就可以完成升壓和交 直流電能轉(zhuǎn)換 DC AC 的逆變器 多級式逆變器需要多級拓補結(jié)構(gòu)進行能量交 換 其中前幾級大多用于升壓或電氣隔離 由最后一級完成電能的轉(zhuǎn)換 多級轉(zhuǎn)換 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 15 逆變器應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)為 DC DC AC 逆變器 DC AC AC 逆變器和 DC AC DC AC 逆變器 其結(jié)構(gòu)如下圖所示 AC grid u 逆變器 濾波器 DC V 電子負(fù) 載 分 布式發(fā) 電能 源 電 機 圖 3 1 單級并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 圖 3 2 多級并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu) 在功率較小的場合 大多采用高效 低成本的單級逆變器 而在大功率 寬 電壓范圍輸入的場合 多采用多級逆變器 相比之下 多級逆變器的效率低于單 級逆變器 除此之外 逆變器的還包括單相逆變器和三相逆變器 根據(jù)逆變器的輸入端 和輸出端是否隔離 逆變器分為隔離型和非隔離型 隔離型逆變器多采用變壓器進 行隔離 變壓器可選擇工頻電壓器或高頻電壓器 功率單向流動 雙向流動等各 種形式 如 并網(wǎng)逆變器采用雙向功率流動的拓?fù)?在并網(wǎng)工作時 既可以向電 網(wǎng)提供電能 同時也可以從電網(wǎng)吸收能量 當(dāng)電網(wǎng)電能富足時 從公用電網(wǎng)吸收 電能 并將其存儲起來 因為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的輸入直流電壓的波動范圍很大 所以根據(jù)逆變 器輸入直流電壓和輸出交流電壓的比較 可以將逆變器分為 Buck 逆變器 Boost 逆變器和 Buck Boost 逆變器 3 3 一般的電路結(jié)構(gòu) 并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是逆變器的關(guān)鍵部分 它關(guān)系著逆變器的 效率和成本 分布式發(fā)電系統(tǒng)所使用的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求成本低 效率高 而且能承受直流電壓波動大 整體直流電壓很低的實際情況 另外 逆變器的輸出 也要滿足較高的質(zhì)量 比如 THD 很小 功率因數(shù)為 1 與電網(wǎng)電壓同頻同相等 根據(jù)逆變器的輸入端和輸出端是否隔離 可以將逆變器分為隔離型和非隔離型 隔 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 16 離型逆變器一般都是用一個變壓器來進行隔離的 隔離的方式可以選擇低頻隔離 型 如圖 3 3 和高頻隔離型 如圖 3 4 因為分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器的輸入直流電 壓的波動范圍很大 所以根據(jù)逆變器輸入直流電壓和輸出交流電壓的比較 可以將 逆變器分為 Buck 逆變器 Boost 逆變器和 Buck Boost 逆變器 值得注意的是 盡 管圖 3 3 和圖 3 4 它們本身是 Buck 逆變器 但是通過 PWM 的控制和變壓器的升降 壓 最后也可以達(dá)到 Boost 和 Buck boost 逆變器的效果 圖 3 3 傳統(tǒng)低頻隔離型 Buck 逆變器 傳統(tǒng)的逆變器在用于現(xiàn)有很多大功率系統(tǒng)時 往往需要裝設(shè)一個笨重的工頻變 壓器 對逆變過程中產(chǎn)生的諧波 直流分量具有很好的隔離效果 能夠有效地滿足 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對并網(wǎng)設(shè)備的要求 但是成本高 體積大 重量重 特別是有變壓 器后逆變效率難以進一步提高 所以傳統(tǒng)的逆變器并不符合電力電子 多硅少鐵 的研究趨勢 所以現(xiàn)在對并網(wǎng)逆變器的研究主要集中在減小體積 降低成本 全面 提高轉(zhuǎn)換效率 增強承受輸入直流電壓波動的能力等方面 圖 3 4 多級式高頻隔離型 Buck 逆變器 根據(jù)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的級數(shù) 可以將逆變器分為單級逆變器和多級逆變器 單 級式逆變器是只用一級能量交換就可以完成升降壓和 DC AC 轉(zhuǎn)換的逆變器 根據(jù) 它們所需要的開關(guān)管的個數(shù) 可以將單級式逆變器分為四開關(guān)型逆變器和六開關(guān)型 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 17 逆變器 多級轉(zhuǎn)換逆變器需要多于一級的能量交換 其中前幾級往往完成升降壓或 電氣隔離的功能 最后一級來完成 DC AC 轉(zhuǎn)換 多級轉(zhuǎn)換逆變器大致可分為 DC DC AC 逆變器 DC AC DC AC 逆變器以及 DC AC AC 逆變器 下面主要介紹 用于并網(wǎng)的單級 Buck boost 逆變器 1 單級 Buck boost 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 首先我們來看兩個四開關(guān)型的例子 圖 3 5 是一個四開關(guān)非隔離型 Buck boost 逆變器 輸入端把直流電源分成兩部分 分別給兩組 Buck boost 電路供電 兩 個 Buck boost 電路交替工作 使用屬于自己的電源部分 每次工作半個周期 它允 許輸入的最低直流電壓為 42V 81V 轉(zhuǎn)換效率約為 80 這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合 MPPT 控制 適用于住宅光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖 3 6 是一個四開關(guān)隔離型雙向 Buck boost 逆變 器 兩個雙向反激變換器并聯(lián)組成了主電路拓?fù)?電網(wǎng)連接著兩個變換器的輸出端 兩個交流濾波電容器 2 22 F 代替了與電源并聯(lián)的大電解電容來存儲電能 當(dāng) PV 產(chǎn)生的電能大于往電網(wǎng)輸送的電能時 兩個電容器吸收電能 當(dāng) PV 產(chǎn)生的電能不 能滿足負(fù)載需求時 兩個電容器釋放電能 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是裝設(shè)的兩個高頻 變壓器起到了電氣隔離的作用 而且可以承受直流電壓有比較大的波動 但是兩個 高頻變壓器也增加了成本 這樣的逆變器適用于 PV 發(fā)電系統(tǒng) 圖 3 5 四開關(guān)非隔離型 Buck boost 逆變器 圖 3 6 四開關(guān)隔離型雙向 Buck boost 逆變器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 18 下面是兩個六開關(guān)型的例子 圖 3 7 是一個六開關(guān)隔離型 Buck boost 逆變器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由兩組 Buck boost 斬波電路組成一個四開關(guān)橋 兩個附加的開關(guān) Q5 和 Q6 保證每半個周期的同步交換 輸入輸出之間用一個高頻變壓器進行隔離 這 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以保證在輸入直流電壓變化范圍很大時 得到令人滿意的交流輸出波 形 圖 3 8 是一個六開關(guān)非隔離型 Buck boost 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 儲能電感 L 上的電 壓每半個周期變化一次 因而產(chǎn)生了交流輸出 這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于通過對兩 個附加的開關(guān)管 E 和 F 的控制就可以實現(xiàn)電氣隔離 省去了笨重的變壓器 它能 承受的最低輸入直流電壓為 42V 81V 效率為 87 適用于小型 PV 系統(tǒng) 圖 3 7 六開關(guān)隔離型 Buck boost 逆變器 圖 3 8 六開關(guān)非隔離型 Buck boost 逆變器 單級 Buck boost 逆變器省去了低頻變壓器 與傳統(tǒng)的工頻逆變器相比 性價比 高 體積小 流過這種逆變器主開關(guān)的電流往往是不連續(xù)的三角脈沖 所以流過開 關(guān)的電流不能直接控制輸出電流 即使工作在 CCM Continuous Conduction Mode 狀態(tài) 要增大逆變器的容量 就要增加電流的峰值 增加開關(guān)承受的電流應(yīng)力 另 外 單級式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單 成本低 但單級式非隔離型升壓的程度有限 其升 壓是通 205 分布式發(fā)電及其并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀過電感的儲能實現(xiàn)的 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 19 因此傳輸功率有限 僅適用于小功率場合 在大功率 高性能 直流電壓波動范圍 大的場合 多級式逆變器更加適用 2 多級式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖 3 9 是一個兩級式非隔離電壓源型 Boost 逆變器 它由一個 Boost DC DC 變 換器和一個電壓型全橋逆變器組成 實現(xiàn)方式為 DC DC AC 前級對直流電壓進行 升壓 保證直流電壓的紋波在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi) 后級利用 PWM 技術(shù)完成逆變 得 到適于并網(wǎng)的交流電壓波形 前后兩級可以分開控制 控制環(huán)節(jié)比較容易設(shè)計和實 現(xiàn) 圖 3 9 還有另外一種控制策略 在前級將直流電壓整流為正弦波形 后級將這個 正弦波轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)頻率的交流電壓 這樣的控制策略可以減小開關(guān)的損耗 節(jié)省中 間的電容器 提高效率 圖 3 9 兩級式非隔離電壓源型 Boost 逆變器 升壓比例比較大的多級式逆變器往往需要一個高頻 DC AC DC 變換器 把變 化的直流電壓轉(zhuǎn)變成可控的直流電壓 最后通過一級高頻或低頻逆變器 得到預(yù)期 的交流電壓 實現(xiàn)方式為 DC AC DC AC 圖 3 4 是一個傳統(tǒng)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 它通 過前級逆變器的高頻升壓變壓器 整流器和直流濾波器 在前級和后級逆變器之間 得到了一個可控的直流電壓 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每一級的開關(guān)頻率都很高 因而損耗 和成本很高 圖 3 10 是一個多級式 Boost 逆變器 它的前級由 PWM 控制 在前級 和后級間得到一串直流脈沖序列 稱為偽直流環(huán)節(jié) 根據(jù)沖量原理 這個直流脈沖 串對應(yīng)的是正弦或者半正弦波形 與圖 3 4 相比 圖 3 10 的偽直流環(huán)節(jié)省略了直流 濾波器 后級逆變器只用很低的開關(guān)頻率就可以得到高質(zhì)量的輸出 最后需要一個 低通濾波器來減小 THD 圖 3 4 和圖 3 10 多用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 20 圖 3 10 多級式 Boost 逆變器 以上提到的兩種 DC AC DC AC 逆變器的后級是電壓源型逆變器 而圖 3 11 后級是一個電流源型逆變器 圖 3 11 的前級開關(guān)管高頻斬波在電感上得到半正弦 后 級使用很低的開關(guān)頻率將電感電流調(diào)整為正弦輸出 輸出端省去了交流濾波器 中 間省去了電解電容 這個拓?fù)涫轻槍τ?10KW 光伏發(fā)電系統(tǒng)提出的 圖 3 11 多級式電流源型 Boost 逆變器 多級式逆變器往往需要在前級裝設(shè)一個高頻變壓器 增加升壓的比例 提供必 要的隔離 后級是一個低開關(guān)頻率的逆變器 減少整體的開關(guān)損耗 但是 多級式 逆變器為了增強承受直流電壓波動的能力 擴大容量 一般包含兩級或者更多級 附加了一些器件和損耗 本文根據(jù)實際需求 選擇單級單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 3 4 并網(wǎng)逆變控制方法 在對電網(wǎng)能源利用的不斷重視下 將直流逆變成交流輸送到電網(wǎng)的一個重要 環(huán)節(jié)就是并網(wǎng)逆變器 逆變器及控制的好壞將直接影響到輸送到電網(wǎng)中的電能質(zhì) 量 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器按控制方式分類 可分為電壓源電壓控制 電壓源電流 控制 電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法 以電流源為輸入的逆變器 其直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入 但由于此大電感往往會 導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差 因此當(dāng)前世界范圍內(nèi)大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 21 入為主的方式 逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)運行的輸出控制可分為電壓控制和電流控制 電網(wǎng)系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源 如果并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓 控制 則實