光伏并网逆变器孤岛检测技术研究报告

光伏并网逆变器孤岛检测技术研究报告目录摘要 . iAbstract . II 目录 . Ill 1 绪论 1 1.1 课题研究背景与意义 . . 1 1.2 光伏并网发电国内外研究现状 . . 1 1.3 光伏并网逆变器关键技术 . . 2 1.4 课题研究内容 . . 3 2 单相光伏并网逆变器的总体设计及工作原理 5 2.1 单相光伏并网的分类与拓扑结构 5 2.1.1 单相光伏并网逆变器的分类选择 . 5 2.1.2 单相光伏并网逆变器的拓扑选择 . 5 2.1.3 单相光伏并网逆变器的总体设计 . 6 2.2 系统工作原理 . . 7 2.2.1 前级 Boost 电路的工作原理 . 7 2.2.2 后级单相全桥逆变器的工作原理 . . 9 2.3 控制方案的分析与实现 . 10 2.3.1 并网运行的条件 . . 10 2.3.2 逆变输出电流控制方式 . . 11 2.3.3 系统控制过程分析 . . 12 2.4 孤岛检测标准与系统等效模型 . 13 2.4.1 孤岛效应检测标准 . . 14 2.4.2 孤岛检测的系统等效模型 . . 15 2.5 本章小结 . 15 3 光伏并网系统孤岛效应及反孤岛策略研究 . 17 3.1 孤岛效应概述 . 17 3.2 孤岛效应电气特性分析 . 17 目录 硕士论文3.3 常用孤岛检测方法 . 19 3.3.1 孤岛效应的被动检测法 . . 20 3.3.2 孤岛效应的主动检测法 . . 21 3.4 带正反馈的主动频率偏移反孤岛策略分析 . 23 3.4.1 AFDPF不可检测区分析 . 24 3.4.2 AFDPF关键参数优化设计 . 28 3.4.3 AFDPF 仿真研究 . 29 3.5 本章小结 . 34 4 基于 DSP28335的单相光伏并网逆变器软硬件设计 . 35 4.1 系统硬件设计 . 35 4.1.1 逆变主电路设计 35 4.1.2 驱动电路设计 36 4.1.3 采样电路设计 36 4.1.4 电网频率捕获电路设计 38 4.1.5 控制电路设计 38 4.2 系统软件设计 . 41 4.2.1 系统软件总体设计 41 4.2.2 软件锁相环程序设计 41 4.2.3 防孤岛效应程序设计 . 45 4.2.4 数字 PID 控制程序设计 47 42.5 SPWM程序设计 . 49 4.3 本章小结 . 50 S光伏并网逆变器的防孤岛效应功能试验 51 5.1 反孤岛测试试验设计 . 51 5.2 反孤岛测试试验 . 53 5.2.1 反孤岛测试试验平台 53 5.2.2 反孤岛测试试验 54 5.2.3 测试结果分析 57 5.3 本章小结 . 57 6 总结与展望 59 6.1 总结 . 59 6.2 展望 . 59 致谢 . . 61 参考文献 . . 63硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究1. 绪论1.1 课题研究背景与意义能源是人类社会生存的物质基础， 是推动社会发展的动力源泉， 对世界经济发展 与国家稳定安全有着重要影响。自 20 世纪以来，人类所使用的能源以煤、石油和天 然气等一次能源为主。据可靠调查显示，世界范围内煤炭储量约在未来 230 年左右被 消耗殆尽，而石油和天然气仅能维持 30 60 年的消耗 [1] 。然而随着世界人口的持续增 长与全球经济的不断发展，人类社会对能源的需求却与日俱增。能源问题已逐渐成为 制约人类社会发展的重要因素之一。同时， 在煤、 石油和天然气等一次能源使用过程中， 产生了大量的二氧化碳和含 硫化合物，对人类生存环境造成了重要影响，最直接的体现是温室效应和酸雨的产生， 这严重破坏了生产区域内的生态平衡。 从环境保护、经济和社会的可持续发展角度考 虑，需要对现有的能源结构进行调整，而这只有依靠不断进步的科技水平去发掘和利 用可再生洁净能源。自改革开放以来， 我国经济迅猛发展， 对能源的需求量不断增加。 在未来 15 年 甚至更长的一段时间内，能否实现我国全面建设小康社会这一宏伟目标将直接受能源 的发展状况影响。然而目前我国能源消费仍以煤炭为主，这是我国大气污染的主要来 源，同时这对于长远的经济社会可持续发展是不利的。可再生清洁能源的开发利用， 是关乎到能源结构改变、是关系到我国经济社会可持续发展的紧要任务。相较传统能源， 太阳能具备存在普遍性、 储量无限性、 开发清洁性等特点，是取 之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，可有效解决传统化石能源带来的环境问题，是 理想的绿色替代能源。 21 世纪，人类社会必将努力致力于太阳能的开发与利用， 改 变能源结构， 使之成为人类社会主导能源 [2-3] 。1.2 光伏并网发电国内外研究现状以德国、 美国、 日本为代表的世界经济强国在上个世纪八十年代起便花费巨资对 光伏并网发电展开研究。在研究过程中，随着光伏发电运用方式的改变，政府由最初 的投资建造大型光伏并网发电站，转变到屋顶光伏并网发电，先后出台多项政策来普 及屋顶并网发电，如德国的“千屋顶计划”、美国的“百万屋顶计划”等；制定法规高价 收购光伏并网电能，刺激光伏发电市场 [4-5] 。政府的鼓励以及政策的刺激， 使得一些诸如西门子的老牌工控企业开始投注精力 和资金对光伏并网逆变器展开研究。目前，欧美日光伏并网逆变器技术研究较为成熟， 部分研究成果已可做到产品化，且性能较为优越。就欧洲市场而言， SMA、西门子、 Fronius 等知名公司都已推出各具特色，性能卓越的光伏并网逆变器。总的来说，这 些产品均基于数字化控制，效1 绪论 硕士论文率高、 THD低、功率因数高，可软件实现 MPPT和孤 岛检测；工作状态可LCD显示，并实时传输至 PC机；功率等级覆盖大、中、小功 率范围 [6]。就目前而言， 我国仍以火力发电为主要发电形式， 这对于我国经济的长远发展是 不利的。近年来，国家政府已经越来越清醒的意识到这一点，斥巨资建设光伏并网发 电站，过去的 10 年中在西部建造七百余座太阳能光伏发电站；出台倾向性政策，通 过财政补贴、科技支持等手段来加快国内光伏发电产业，如由国家能源局、科技部、 财政部联合印发的关于实施金太阳示范工程的通知、出台可再生能源法等 [7] 。就光伏并网逆变器而言， 已有相当一部分的院校与科研单位投入人力物力进行研 究；同时国内一些企业为寻求技术支持，积极寻求高校合作，研究光伏并网逆变器， 通过这种方式，培育出相当一部分生产厂家，其中比较知名的如合肥阳光电源公司。总的来说， 我国在光伏并网发电技术研究方面起步比较晚， 技术水平较国外而言 仍有一段不小的差距，而且目前我国的光伏产业受欧美市场打压较为严重。作为光伏 并网发电系统的核心部件，光伏并网逆变器性能影响到整个发电系统的效率，继续深 化研究光伏并网逆变器的研发对于整个光伏并网系统的应用和推广具有重要作用，关 乎到太阳能这一可再生洁净能源的开发与利用，对于整个社会经济发展具有深远意 义。1.3 光伏并网逆变器关键技术在光伏并网逆变器的研发过程中，存在着如下四个关键性技术1. 光伏并网逆变器拓扑选择在光伏并网逆变器的设计过程中， 逆变器拓扑结构的选择是相当重要的一个技术 环节，因为这对产品能量转换效率、生产成本、安全性以及可靠性有着直接且重要的 影响。目前，市场上主流光伏并网逆变器大致可以分为从有无变压器角度，逆变器可 以分为隔离型和非隔离型；从功率级数角度而言，逆变器可以分为单级式与多级式两 类。但这几类光伏并网逆变器在实际过程中均存在缺点或者结构简单使用范围有限、 或者结构复杂且效率低。故在实际过程中，如何根据实际需求去设计出一款效率高、 结构简单的光伏并网逆变器仍然是一个热点问题。2. 光伏阵列的最大功率点跟踪控制 Maximum Power Point Tracking ，MPPT受内部结构、日照强度以及天气变幻等多个条件影响，光伏阵列的实际输出功率 为非线性函数。所谓光伏阵列的最大功率点跟踪，即当光伏阵列外部环境稳定时，如何获得光伏阵列最大输出功率的问题。