1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 5KW单相并网逆变器设计 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气 专业 学生姓名： 指导教师： 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 分布式发电系统 . 1 1.1.1 风能发电系统 . 1 1.1.2 燃料电池发电系统 . 2 1.2 分布式发电系统的并网标准 . 3 1.3 并网逆变器系统结构简介 . 4 1.4 选题目的及主要研究内容 . 5 第 2 章 并网逆变器功率电路研究与设计 . 6 2.1 并网逆变器拓扑 . 6 2.1.1 电路结构 . 6 2.1.2 拓扑族 . 6 2.2 主电路结构框图
2、 . 7 2.3 逆变器主电路结构 . 8 2.4 逆变器调制方式及开环仿真 . 8 2.4.1 采用单极性倍频的工作方式 . 8 2.4.2 并网逆变器开环仿真 . 9 第 3 章 并网逆变器控制及信号分析 . 10 3.1 输出控制方式 . 10 3.2 锁相环 (PLL)技术 . 10 3.3 孤岛检测 . 11 3.3.1 孤岛效应及其危害 . 11 3.3.2 基于并网逆变器的反孤岛策略 . 12 3.3.3 其它的一些外部检测方法 . 14 3.3.4 孤岛检测方法的小结 . 14 3.4 谐波的测量和检测 . 15 3.4.1 受端治理措施 . 15 3.4.2 主动谐波治理的措
3、施 . 16 3.4.3 被动治理谐波的措施 . 16 3.5 直流注入问题 . 17 3.5.1 产生直流分量原因及危害 . 17 3.5.2 抑制直流分量方法 . 17 第 4 章 并网逆变器的建模及仿真 . 19 4.1 并网逆变器闭环建模及仿真 . 19 4.2 本章小结 . 20 总结 . 21 参考文献 . 22 致 谢 . 23 I 摘 要 随着新能源在分布式发电系统（ DG）中的不断应用，并网逆变器系统的研究逐渐成为一个重要的领域。本文针对并网逆变器系统进行了实验和相关的研究，主要内容如下 ： 本文 首先 对新能源分布式发电系统和并网逆变的相关的技术进行总结 ，简要介绍了 以燃
4、料电池和风能两种可再生能源发电中电力电子技术的应用为例 。 其次 主要总结了逆变器的各 种拓扑结构，选择逆变器调制方式，并且对逆变器开环系统进行了仿真 。 然后 主要讲了逆变器控制方式及锁相功能，介绍孤岛效应的概念和危险、几种防止孤岛效应的检测方法、直流注入问题，也介绍了谐波的检测和抑制。 最后 则是在 Matlab 中对并网逆变器闭环系统进行了仿真，达到了较好的并网电流跟踪电网电压的效果。 本文主要是通过对并网逆变器的相关的了解和研究，然后进行并网逆变器的仿真，实现并网电流准确跟踪电网电压，通过闭环控制。 最后对本文工作进 行了总结和展望。 关键词： 并网逆变器；锁相；孤岛检测； Matla
5、b 仿真 II Abstract With the application of new energy in distributed generation(DG) system, grid inverter system gradually become an important field. This thesis has carried on the experiment and research In view of the grid inverter system, the main contents are as follows: The new energy distributed
6、 generation system and grid-connected inverter related technologies have been summarized. The second mainly summarized a variety of inverter topologies, choosed inverter modulation method and simulated the inverter open-loop system, Then the mainly talked about the inverter control mode and phase lo
7、cking function ,introduced the concept and danger of islanding , several kinds of preventing islanding detection methods, direct current injection problems and harmonic detection and suppression. The last simulated the grid inverter closed-loop system in the Matlab ,and it has achieved good results
8、in the matter of grid current tracking grid voltage. Finally, the work in this paper is summarized and prospected . Key Words： grid inverter; phase lock; islanding detection; the Matlab simulation武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1章 绪论 现代的社会对能源的需求不断的增加，但是可以供利用的煤炭、石油等一次能源变得越来越少，而且发电过程中石油产生的废气、煤炭的燃烧和废物都对自然环境造成了严重的污
9、染，对人类的健康和生活造成了很大的危害。能源的危机，以及人们对自然保护意识的增强，使得人们逐渐开始使用可再生能源。因此，分布式发电系统 （ DG）中使用可再生能源的 将会迅速的发展起来，其中大多数在中型或者小型发电系统中用于补充电网系统、局部地区或者是偏远地区的发电等方面。 可再生能源的使用同时兼具了环保性和持续利用性，但是也存在着一些难以解决的问题。光伏电池价格昂贵，除了这样的问题之外，可再生能源的使用会明显的受到很多因素的影响，如时间和季节。对于不同的用户，有可能会出现完全不一样的特性，仅仅采用独立的可再生能源的分布式发电系统要想给不同使用需要的用户来供电是非常困难的。所以，最好的解决办法
10、就是将可再生能源的发电系统并网使用 1。 1.1 分布式发电系统 分布式发电系统 (Distributed Generation System，简称 DG 系统 )，一般指的是容量不大于 10MW， 而且为电网提供电能的发电系统或者是能量储备发电系统在需要的时候 ， 它们会并网使用或者是与电网隔离而单独运行。分布式发电系统中使用新能源发电，比如太阳能电池或者燃料电池产生的电压变，还有速风力发电而产生的电压都不能够直接并入电网。所以，在分布式发电系统中电力电子技术的应用起着非常重要的作用，其必须使得分布式发电系统和电网系统的特性匹配，使之符合并网的要求，包括电压、频率、无功、有功以及谐波等等方面
11、。下面 就以 燃料电池和风能两种可再生能源发电中电力电子技术的应用为例。 1.1.1 风能发电系统 按照电力电子技术在 系统中的使用来划分的话，风涡轮发电技术可以划分为三个类别：无电力电子的技术系统，部分无功补偿会采用电力电子技术和全部采用电力电子技术的变换系统，分别如下图 1.1（ a， b， c）所示。风能发电主要是利用风力很大的地理位置，不断发展大容量，组成风场发电。所以很多独立风涡轮发电系统并网是先通过不同的方式变换，例如，有一种风涡轮系统是先由每个独立的风涡轮系统经过 AC/DC 装置后，每个独立的风涡轮系统进行串并联，通过 DC/AC 装置并入电网，如图 1.2 中的系统结构所示。
12、这样，每个风涡轮都有自己的变换器装置，因而可以按各自 的优化速度运转。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 图 1.1 风涡轮发电系统的结构图 图 1.2 风场发电的系统结构图 1.1.2 燃料电池发电系统 燃料电池是化学装置，其可以不需要任何中间的过程而直接产生电能，它最大的优点是高功率密度和对自然环境的低污染。它的自身效率基本可以达到 40%-60%，若配合气轮机、加热使用或者热气利用它的燃烧热能，燃料电池的总利用效率甚至可以达到 80%。 燃料电池的单元电压在理论上最大可达 l.2V，所以通过串并联后 DC/DC 和 DC/AC 装置转换得到了用户负载所需要的电压。图 1.3(a)， (b
13、)为燃料电池的两种率变换系统结构框图。 电网 DC/DC 变换器 DC/AC 变换器 （ a） DC/DC 和 DC/AC 链接结构 电网 DC/AC 变换器 AC/AC 变换器 （ b） DC/AC 和 AC/AC 链接结构 图 1.3 燃料电池功率变换系统的结构图 燃料电池 = = = 燃料电池 = 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 1.2 分布式发电系统的并网标准 随着分布式并网发电系统的逐步增加，它们在一定程度上改变并且影响了电网，影响了其调节能力。所以，国际相关部门针对分布式发电并网系统制定出了一些相关的技术尺度以及并网必须遵守的要求。 2003 年 6 月，由标准制定委员会 (St
14、andards Coordinating Committee 21， SCC21)发布的 IEEE Std15472003 是第一个分布式电源系统并网的标准，规范了光伏系统、燃料电池、能量存储设备、分布式发电装置等这类分布式电源系统。 IEEE Std15472003 考虑的是容量不大于 10MVA， 工作频率是 60HZ 的分布式发电系统。所以针对中国的 50HZ 市电研究，根据该标准按比例修改，然后作为参考。该标准所关注的是测试规范、技术规范和并网连接本身，它包括通用的技术指标、异常响应的情况、并网波形的质量、保护措施、孤岛、测试标准以及并网维护等等。下面是标准中关于并网的几个重要技术指标
15、和要求 2： 首先是 电压异常范围和响应时间 。 并网工作的时候，标准电压的 88%110%为电网电压的正常范围，当电网相电压超出了所允许的范围 (如表 1.1 所示 )，并网系统应立马检测出来，并且应该在所规定的响应时间内，迅速脱离电 网。 表 1.1 并网系统电压的异常响应时间 电压范围（标准电压的百分比） 响应时间（ S） V 50% 0.16 50%V 88% 2.00 110%V 120% 1.00 V120% 0.16 其次是 频率异常范围和响应时间 。 标准制定委员会 2003 年发布的以 60HZ 分布式发电系统为对象的标准，得到表 1.2 中的频率允许的偏移范围和需要做出动作
16、的响应时间。 60HZ 下的系统正常范围是59.360.5HZ。根据功率的情况分为两类，容量大于 30kW 的装置其表格数据有可变范围。 表 1.2 并网系统频率异常响应时间 分布式系统容量 频率范围（ Hz） 响应时间（ S） 30kW 60.5 0.16 59.3 0.16 30 kW 60.5 0.16 （ 59.8 57.0） 0.16 到 300 可变 57.0 0.16 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 还对 并网电流谐波 有 要求 。 并网系统不允许对电网质量造成污染，所以对并网电流要求如表 1.3 所示。 表 1.3 并网电流的谐波指标 奇次谐波 h h 11 11h 17 1
17、7h 23 23h 35 35h 总谐波（ THD） （ %） 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 再就是对 并网同步 的 要求 。 并网系统工作的时候，并网的频率、相位必须和电网电压同步，而且必须使电压幅值跟踪电网电压在系统和电网闭合之前，当这三个指标全部都达到表 1.4 所示的要求时，才允许闭合并网系统和电网，使系统和电网并联工作。 表 1.4 系统并网同步的参数指标 容量（ kVA） 频率差（ f， Hz） 电压差（ V， %） 相位差（ ， ） 0 500 0.3 10 20 500 1500 0.2 5 15 1500 10000 0.1 3 10 还有对 电压谐波 的
18、要求 。 分布式发电系统在独立逆变运行的时候对电压谐波的要求如表 1.5。 表 1.5 电压谐波的技术指标 谐波 h h 11 11h 17 17h 23 23h 35 35h 总谐波（ THD） （ %） 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 在该标准中，有关功率因数的要求并没有很明确的指出，可在其它相关的应用标准中查询一下。例如在 IEEE Sdt9292000 中规定光伏系统在输出功率大于 10%额定功率的时候，功率因数应该大于 0.85。 1.3 并网逆变器系统结构简介 对于独立运行的并不用作并网功能的逆变器，其电路结构的拓扑研究在单相和三相方面都已经有很多，并且很多成熟的电
19、路己经应用在产品中相当一段时间了。然而，系统结构考虑的更多的是采用单级或两级以上的逆变器，在可再生能源的分布式并网发电中的应用，来实现并网。而采用单相或者是三相的结构，和研究独立运行的逆变器有很多的相像之处，一般根据功率、效率、控制、成本以及实际上用户的需求来确定 3。所以，本文主要介绍的事单相并网逆变器（可再生能源）的系统结构。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 单级型逆变器通过一级功率变换器来将低压直流直接转换成高压交流，如下图 1.4。 图 1.4 单级逆变器的变换结构 1.4 选题目的及主要研究内容 随着新能源的开发利用，研究并网逆变器也随之逐渐增加。无论是小型发电系统又或者是大的局部电网馈能系统都需要高效的、可靠的、低成本的并网逆变器。本文选择并网逆变器进行研究，对并网逆变器进行建模和仿真，以对并网逆变器有更深入的而了解。 本文主要研究内容为 逆变器的各种拓扑结构，选择逆变器调制方式，并且对逆变器开环系统进行仿真。研究逆变器控制方式及锁相功能，孤岛效应的概念和危险、几种防止孤岛效应的检测方法、直流注入问题，以及谐波的检测和抑制。在 Matlab 中对并网逆变器闭环系统进行仿真，要求较好的并网电流跟踪电网电压的效果。 可再生 能源 DC/AC 变换器 输出 滤波器
