基于微电网运行的光伏逆变电源若干关键技术研究

【摘要】：传统能源日渐枯竭,可再生能源发电(如光伏发电、风力发电)是获取电能的一个重要途径,它们分布并联在传统的电力线上,向用户提供能量。但是,随着数量众多的分布式电源接入现有配电网,传统辐射状的无源配电网络将产生根本性的变化,这些变化将给电网的安全可靠运行带来威胁,目前这种分布式发电仍无法被电力部门所接受。微电网是由负荷和分布式电源组成的智能小电网系统,它不改变现有配电网络结构,通过对网内的分布式发电电源和负载的管理消除分布式电源对传统配电网的影响,更好地发挥分布式电源的应用潜能。本文提出了一种基于分布式电源的微电网拓扑结构,对用于微电网的分布式光伏发电电源的若干关键技术,如分布式电源并网运行和独立运行控制策略、孤岛检测以及逆变电源在微电网中的运行控制等问题进行了深入研究,论文的主要工作如下: 设计了一种基于分布式光伏电源的微电网拓扑结构,微电网内设置了中心控制器、负载控制器,将分布式电源、负载以及负载控制器划分成一个小区域,通过可控开关连接在微电网交流母线上。研究了基于分布式电源的微电网运行控制策略,设计了具有良好实时性的CAN总线微电网通信结构。根据分布式电源接入微电网不同位置时对微电网电压的影响特点,提出了分布式电源在微电网中接入位置的建议。 在传统光伏并网逆变电源的基础上,研究了一种接受微电网中心控制器控制的并网逆变电源,提出了逆变电源并网运行的功率控制方法,它与传统电源一样在并网期间以电流注入的方式向负载供电运行,但其输出功率接受微电网中心控制器的控制,当微电网内负载需求功率较大时,光伏电源实时地进行最大功率跟踪,输出最大功率;当微电网内负载功率需求小于设定阈值时,光伏电源接受中心控制器指令输出指定的功率,避免逆潮流现象出现。设计了逆变电源的软硬件电路,利用DSP内嵌CAN模块建立了分布式电源之间的通信联系,并根据微电网的数据传输特点提出了微电网节点通信的CAN总线应用层规约。 提出了两种主动式孤岛检测方法,并结合被动式过/欠电压、过/欠频率孤岛检测方法,建立了一种综合的孤岛检测方法,缩小了逆变电源并网运行时孤岛检测的检测盲区。调制波微小畸变的主动式孤岛检测方法是将PWM正弦调制波前后半周期产生一个微小的不对称,使并网逆变器输出电流也产生不对称,从而引起逆变器输出功率在连续两个半周期内产生规律性变化,在孤岛出现时导致PCC点频率发生变化,以此作为孤岛的判定依据。该方法用软件实现不对称调制波,调制波的畸变程度易于控制,避免了调制波畸变过大而导致逆变电源输出电流谐波大的问题。基于方差判断的主动式孤岛检测方法在逆变器调制波中调制入二进制伪随机信号,并网时PCC点电压受电网电压钳制,其方差值很小;而在孤岛时PCC电压的方差值有明显的变化,根据方差的大小判断是否为孤岛状态。仿真和实验验证了两种主动式孤岛检测方法的正确性和有效性。 研究了并联逆变电源在孤岛状态下运行的控制策略,根据传统的基于下垂控制的无互联线并联运行控制方法,通过调整逆变电源输出电压的频率和幅值来控制输出有功和无功功率。研究了一种实时测量单相瞬时功率的方法,通过一个闭环控制系统,以单相逆变电源输出电压/电流信号作为该闭环系统的输入信号,经控制系统构造后得到虚拟的两相正交的电压/电流信号,再处理这些信号即可得到逆变电源的输出瞬时功率,这些实时测得的瞬时功率保证了下垂控制的准确性和有效性。 最后,以两台分布式逆变电源,按照本文提出的微电网组建思路,搭建了一个简易的微电网实验系统,通过实验和仿真验证了分布式逆变电源在微电网运行的可行性。 【关键词】：微电网 光伏逆变电源 功率控制 孤岛检测 下垂控制
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-31
• 1.1 光伏发电概况及微电网由来14-17
• 1.1.1 光伏发电概况14
• 1.1.2 光伏发电的发展瓶颈14-16
• 1.1.3 基于分布式新能源发电的微电网系统16-17
• 1.2 基于微电网运行的分布式光伏电源研究现状17-28
• 1.2.1 基于微电网运行的分布式电源要求17-18
• 1.2.2 光伏并网发电电源的研究现状18-22
• 1.2.3 分布式电源并联运行的研究现状22-25
• 1.2.4 并网电源孤岛检测的研究现状25-28
• 1.3 本文选题的意义和主要研究内容28-31
• 1.3.1 本文选题的意义28
• 1.3.2 本文主要研究内容28-31
• 第二章 一种无逆潮流的微电网系统设计31-46
• 2.1 基于分布式光伏发电的微电网结构设计31-35
• 2.1.1 微电网拓扑结构31-33
• 2.1.2 微电网的主要组成及其功能要求33-35
• 2.2 微电网的运行控制策略35-38
• 2.2.1 分布式逆变电源的两种运行方式35-36
• 2.2.2 微电网运行综合控制36-37
• 2.2.3 微电网内部区域故障的运行控制37-38
• 2.3 分布式电源在微电网内接入位置分析38-42
• 2.3.1 微电网内节点电压与分布式电源输出的数学模型39-40
• 2.3.2 分布式电源接入不同位置对微电网电压的影响40-42
• 2.4 微电网的通信结构42-44
• 2.4.1 CAN 总线的结构模型42-44
• 2.4.2 基于CAN 总线的微电网通信结构44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 功率可控的光伏并网逆变电源设计46-69
• 3.1 光伏逆变电源系统结构46-50
• 3.1.1 光伏逆变电源主电路拓扑46-48
• 3.1.2 LCL 工频滤波器参数设计48-50
• 3.2 逆变电源并网控制策略50-56
• 3.2.1 逆变电源系统控制框图50-51
• 3.2.2 逆变电源输出功率控制方法51-53
• 3.2.3 逆变电源并网控制方法53-54
• 3.2.4 逆变电源并网运行仿真54-56
• 3.3 CAN 现场总线建立与通讯规约56-61
• 3.3.1 基于DSP 内嵌CAN 模块的现场总线建立56-58
• 3.3.2 CAN 总线数据通讯协议规约58-61
• 3.4 并网逆变电源实验平台设计61-68
• 3.4.1 光伏逆变电源整体结构61-62
• 3.4.2 并网逆变电源硬件设计62-64
• 3.4.3 并网逆变电源软件设计64-66
• 3.4.4 实验结果66-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第四章 并网逆变电源孤岛检测技术研究69-89
• 4.1 孤岛效应69-71
• 4.2 调制波微小畸变的主动式孤岛检测技术71-76
• 4.2.1 调制波微小畸变的孤岛检测原理71-73
• 4.2.2 仿真及实验结果73-76
• 4.3 基于方差判断的主动式孤岛检测76-83
• 4.3.1 随机特性在孤岛检测中的应用分析76-78
• 4.3.2 基于方差判断的主动式孤岛检测原理78-80
• 4.3.3 仿真及实验结果80-83
• 4.4 基于数据融合技术的综合式孤岛检测法83-87
• 4.5 本章小结87-89
• 第五章 基于下垂控制的电压源逆变器研究89-106
• 5.1 无互联线并联逆变器下垂控制原理90-93
• 5.1.1 功率/电压下垂特性90-91
• 5.1.2 VSI 电源并联运行环流分析91-93
• 5.2 基于下垂控制的VSI 电源控制策略93-102
• 5.2.1 VSI 电源主电路拓扑93-95
• 5.2.2 VSI 电压电流双闭环控制策略95-98
• 5.2.3 电源输出功率实时检测方法98-101
• 5.2.4 基于下垂控制的正弦参考电压信号101-102
• 5.3 实验结果102-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第六章 基于微电网运行的分布式电源仿真与实验106-121
• 6.1 微电网并网运行106-109
• 6.1.1 微电网系统实验结构106
• 6.1.2 微电网并网运行控制策略及实验结果106-109
• 6.2 孤岛状态下微电网运行控制109-116
• 6.2.1 内含单一发电电源微电网运行控制109-112
• 6.2.2 含多电源的微电网运行控制112-116
• 6.3 微电网重新并网控制116-120
• 6.3.1 微电网重新并网电压跟踪控制策略117-118
• 6.3.2 微电网重新并网仿真验证118-120
• 6.4 小结120-121
• 第七章 结论与展望121-124
• 7.1 本文工作总结121-122
• 7.2 今后工作的展望122-124
• 参考文献124-138
• 攻读博士学位期间公开发表的学术论文138-140
• 致谢140-141

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