分布式光伏发电系统的控制和孤岛故障检测

【摘要】：由于传统能源日益匮乏,环境污染的问题亟需改善和公众环保意识的觉醒,以太阳能、风能和生物能等可再生能源逐渐发展成为传统化石能源的替代能源。其中太阳能又因具有储量大、分布广和几乎零污染等特点而得到了广泛的应用。光伏发电是科学合理利用太阳能的主要方式之一。由于光伏发电的诸多优点,光伏产业最近几年迅猛发展,出现了各种各样容量不同,规模各异的光伏发电系统,其中分布式光伏发电主要应用于中小功率的屋顶光伏等发电系统。分布式光伏发电提倡就近光伏发电,就近电能转换,就近并入大电网,就近供给本地负载的原则,能够有效提高光伏发电系统的发电量,减少电能在升压变换和长途输送过程中造成的损耗。 本文主要针对分布式光伏并网发电系统展开分析和研究。分析了不同的光伏发电系统的拓扑结构和他们各自的适用范围,结合分布式光伏发电系统需要解决的几个关键问题：分布式均衡控制、最大功率点跟踪优化控制和孤岛故障检测等方面做出详细的研究和验证。本文的主要内容可以分为以下几个部分： (1)分析研究了组成分布式光伏发电系统的光伏阵列的输出特性、DC/DC变换电路的拓扑、DC/AC变换电路的拓扑结构,对光伏并网逆变器进行了数学建模,给出了模型中的主要参数选择方法,研究了光伏发电系统的并网控制。然后从这几个部分中引出本文所要研究的三个主要问题,即分布式均衡控制问题、最大功率点跟踪优化控制问题和孤岛故障检测问题。 (2)通过对分布式光伏发电系统的模型分析和光伏发电单元的建模,提出网络化均衡控制。运用图论的方式分析分布式光伏发电系统的网络结构,在此基础上设计了网络化均衡控制,使得地理位置分散,容量各异的光伏发电单元按着同一个输出率输出功率。然后在网络化均衡控制的框架下,设计了基于状态空间的混合灵敏度H。。本地控制器,使得光伏发电系统对于电网参数的扰动有很好的鲁棒性。本文针对状态变量不可测的问题,还提出了基于输出反馈和观测器的分布式H∞均衡控制,给出了设计和证明过程。通过MATLAB/SIMUlink设计了一个5机14总线的分布式光伏发电系统,验证了提出的分布式均衡控制方法。 (3)光伏电池是一种非线性的直流源,其输出特性曲线具有较强的非线性。根据光伏电池的输入输出特性,建立了数学模型,并根据这个数学模型,建立光伏电池的仿真模型。根据目前最大功率点跟踪算法中所存在的问题,提出了自适应变步长电导增量的最大功率点跟踪优化算法,有效解决跟踪速度和跟踪精度的矛盾。阴影效应是造成光伏阵列输出效率低的重要原因之一,本文分析了阴影效应所造成的多峰现象,然后提出了基于自适应变步长电导增量法的间歇性全局扫描策略,通过仿真验证了该方法能够有效的避免由于阴影效应所造成的局部最优问题。 (4)分布式光伏并网发电系统存在的一个重要安全性问题就是孤岛故障。本文分析了孤岛故障的成因,和存在检测盲区的原因,分析现存主要几种孤岛故障检测的不足,分别从主动式和被动式两个角度提出了自适应相位漂移孤岛检测法和基于集员滤波的孤岛检测法。前者通过移相的办法来间接地实现频率的漂移,尽可能地缩小初始扰动量,减小主动式孤岛检测对电能质量的影响；后者是在分析了电网实际电压波形的基础上提出的,通过准比例谐振叠加谐波补偿的算法,减少逆变器侧的谐波输出,从而突出电网侧的电压谐波,然后对公共耦合点处的电压进行采样建模,分离出各个阶次的谐波分量。最后设计集员滤波器过滤掉有界噪声,对谐波进行估计,再通过估计谐波的能量变化来确定孤岛故障。仿真验证了这两种方法的有效性,其中集员滤波法检测孤岛还做了与Kalman滤波检测孤岛的对比,体现出了新方法的优越性。 【关键词】：分布式光伏发电 均衡控制 分布式控制 最大功率点跟踪 反孤岛检测
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-33
• 1.1 课题背景和意义12-15
• 1.1.1 世界能源需求12-13
• 1.1.2 我国能源需求以及电能组成13-14
• 1.1.3 分布式光伏发电的优点14-15
• 1.2 分布式光伏发电的国内外现状及发展15-18
• 1.2.1 国外分布式光伏发电现状15-17
• 1.2.2 我国分布式光伏发电的现状和发展17-18
• 1.3 分布式光伏发电系统的介绍18-29
• 1.3.1 光伏发电的基本原理18
• 1.3.2 光伏发电系统的组成和分类18-20
• 1.3.3 并网式光伏发电系统的主电路拓扑20-23
• 1.3.4 并网逆变器的主要控制策略23-25
• 1.3.5 最大功率点跟踪优化控制25-26
• 1.3.6 光伏发电系统的分布式控制策略26-28
• 1.3.7 孤岛故障检测技术28-29
• 1.4 本文的主要工作和创新点29-33
• 1.4.1 主要工作内容和章节安排29-31
• 1.4.2 主要创新点31-33
• 第2章 分布式光伏发电系统的建模及目前亟需解决的问题33-49
• 2.1 分布式光伏发电系统的组成33-34
• 2.2 分布式光伏发电系统的拓扑结构分析34-36
• 2.2.1 DC/DC变换电路拓扑结构34-35
• 2.2.2 DC/AC变换电路拓扑结构35-36
• 2.3 分布式光伏发电系统并网逆变器的建模36-47
• 2.3.1 单相光伏并网逆变器的建模36-38
• 2.3.2 三相光伏并网逆变器的建模38-44
• 2.3.3 模型中的主要参数选择44-47
• 2.4 分布式光伏发电系统亟需解决的几个问题47-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 分布式光伏发电系统的均衡控制49-76
• 3.1 网络化均衡控制的提出50-55
• 3.1.1 分布式光伏发电系统的模型50-52
• 3.1.2 光伏发电单元的建模52-53
• 3.1.3 网络化均衡控制问题的提出53-55
• 3.2 网络化均衡控制55-59
• 3.2.1 图论55-56
• 3.2.2 均衡控制的设计56-59
• 3.3 混合灵敏度H_∞控制器的设计59-61
• 3.3.1 混合灵敏度H_∞控制的设计思路59-61
• 3.3.2 权重函数的选择规则61
• 3.4 分布式H_∞均衡控制61-68
• 3.4.1 问题的提出和建模62-63
• 3.4.2 分布式H_∞均衡控制器的设计63-68
• 3.5 分布式均衡控制的仿真验证68-75
• 3.5.1 分布式均衡控制仿真验证系统的设计68-70
• 3.5.2 均衡控制的控制性能70-71
• 3.5.3 基于混合灵敏度H_∞本地控制器的性能71-74
• 3.5.4 分布式H_∞均衡控制的仿真结果74-75
• 3.6 本章小结75-76
• 第4章 自适应变步长电导增量MPPT优化控制76-102
• 4.1 MPPT优化控制问题的提出76-82
• 4.1.1 光伏电池的等效模型76-79
• 4.1.2 光伏电池输出特性分析79-81
• 4.1.3 进行MPPT优化控制的原因81-82
• 4.2 最大功率点跟踪算法分类研究82-87
• 4.2.1 非自寻优MPPT优化控制82-83
• 4.2.2 自寻优MPPT优化控制83-87
• 4.3 自适应变步长电导增量控制算法87-89
• 4.4 阴影效应及解决策略89-94
• 4.4.1 阴影效应及其影响89-91
• 4.4.2 基于自适应变步长电导增量法的间歇性全局扫描策略91-94
• 4.5 光伏电池动态仿真模型的建立和本文提出的MPPT优化控制的验证94-101
• 4.5.1 光伏电池仿真模型的建立94-95
• 4.5.2 光伏阵列的MPPT优化控制仿真平台的搭建95-96
• 4.5.3 自适应变步长电导增量与扰动观测法的仿真对比研究96-99
• 4.5.4 间歇性全局扫描法的仿真验证99-101
• 4.6 本章小结101-102
• 第5章 分布式光伏发电系统的孤岛故障检测102-135
• 5.1 孤岛故障检测和存在检测盲区的原因102-106
• 5.1.1 进行孤岛故障检测的原因103-104
• 5.1.2 孤岛故障检测的技术要求104
• 5.1.3 存在检测盲区的原因104-106
• 5.2 孤岛故障检测方法的分类研究106-116
• 5.2.1 远程孤岛检测107-109
• 5.2.2 被动式孤岛检测109-113
• 5.2.3 主动式孤岛检测113-116
• 5.3 自适应相位漂移(Adaptive Phase Drift,APD)孤岛故障检测116-118
• 5.3.1 自适应相位漂移检测孤岛的原理116-117
• 5.3.2 自适应相位漂移法检测盲区(NDZ)的消除117-118
• 5.4 基于集员滤波(Set-Membership Filter,SMF)的被动式孤岛故障检测118-126
• 5.4.1 逆变器输出电流谐波补偿算法119-122
• 5.4.2 基于PCC处电压采样数据的建模122-124
• 5.4.3 集员滤波算法和孤岛判断流程124-126
• 5.5 孤岛故障检测的仿真验证126-134
• 5.5.1 自适应相位漂移检测孤岛的仿真验证126-128
• 5.5.2 基于集员滤波检测孤岛的仿真验证128-132
• 5.5.3 与Kalman滤波的对比132-133
• 5.5.4 假如电网电压是标准正弦波的情况133-134
• 5.6 本章小结134-135
• 第6章 总结与展望135-138
• 6.1 全文总结与讨论135-137
• 6.2 课题后续工作的展望137-138
• 参考文献138-150
• 致谢150-151
• 攻读博士期间发表的论文151

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