逆变型电源分布式并网孤岛检测与低电压穿越控制技术研究

摘要

随着世界经济的飞速发展和传统能源的的日益枯竭，能源紧缺和环境污染问题成为制约社会经济和人类可持续发展的关键因素，同时传统集中式发电模式的局限性也逐渐暴露出来。人类希望通过开发和利用储量丰富且无污染的太阳能、风能、核能等可再生能源实现对传统能源结构的改善，维持人类长远的可持续发展。在电力系统电力电子化新的背景下，电力电子技术已成为解决可再生能源规模化并网、和分布式电源并网发电的关键技术手段。可再生能源大多以分布式电源的形式并入配电网，其中又以逆变型接口的分布式电源居多。逆变型电源并网运行改变了电力系统的结构和运行方式，提高了电力系统的安全可靠性与灵活性。然而，随着逆变型电源规模和渗透率的不断提高，逆变型电源与电网之间的相互影响也日益显著。作为连接逆变型电源与电网的接口设备，电压型并网逆变器性能的优劣直接影响着分布式发电系统的安全可靠性。尤其当电网发生停电故障或瞬时跌落故障时，并网逆变器应具备孤岛检测和低电压穿越的功能。
　　本文主要以逆变型电源的电压型三相并网逆变器为研究对象，针对电网停电故障或瞬时跌落故障，对逆变型电源的孤岛检测技术和低电压穿越技术展开了深入研究，以期提高逆变型电源并网运行稳定性和安全可靠性；针对电网停电故障时逆变器需具备孤岛检测功能，本文对滑模频率偏移法、有功电流扰动法和负序电流扰动法进一步提出改进措施，提高了孤岛检测速度和电能质量；针对电网瞬时跌落故障时逆变器需具备低电压穿越功能，本文提出了一种实现正负序灵活控制的低电压穿越方案，进一步降低有功功率震荡带来的负面影响。本文具体研究内容如下：
　　（1）介绍了传统滑模频率偏移法的基本工作原理和断网后频率变化轨迹，分析了基于Qf×f0坐标系的孤岛检测盲区，总结出传统滑模频率偏移法孤岛检测速度随负载品质因数的增大而迅速减慢甚至在规定时间内检测失败的原因，为克服传统滑模频率偏移法检测性能受负载品质因数影响的缺陷，提出了一种基于抛物线型偏移曲线的孤岛检测新方法，并对偏移曲线参数进行优化设计，在保持传统滑模频率偏移法优点的基础上，使孤岛检测速度不受负载品质因数的影响，大大提高了孤岛检测速度，即使在最恶劣运行情况下依然能快速的检测到孤岛状态。
　　（2）介绍了基于恒值和周期性有功电流扰动法的基本原理，分析了两种方法在检测盲区和对电能质量影响方面的缺陷，推导了孤岛发生后能触发孤岛保护的最小有功扰动电流和PCC电压幅值的关系，提出了一种能够根据PCC电压幅值自适应地加入所需有功扰动电流大小的自适应有功电流扰动法，在消除检测盲区的同时最大程度地减少注入的有功扰动电流，降低有功电流扰动对电能质量带来的负面影响。
　　（3）介绍了带不平衡度正反馈的负序电流扰动法的基本工作原理，给出了孤岛检测成功的必要条件，总结了带不平衡度线性正反馈法在实际电网电压不平衡度存在正常波动时降低并网电流对称性的根本原因，为了对并网电流不平衡度进行定量限制，提出了一种带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法，非线性正反馈函数的引入能够更少注入负序电流，在电网电压存在波动时能够将并网电流的不平衡度进行定量限制，显著降低负序电流注入对并网电流对称性的影响。
　　（4）分析了电网瞬时跌落故障时的三相电压矢量，研究了不平衡电网电压情况下基于双二阶广义积分器锁频环的正负序分离方法，分析了电网故障条件下功率控制结构、控制目标以及五种功率控制策略中参考电流指令，提出了一种能够实现功率和电流质量灵活协调的控制策略；分析了公共耦合点电压抬升原理，研究了传统灵活正负序电压支撑控制策略，针对灵活正负序电压支撑策略有功功率震荡问题，提出了一种有效降低有功震荡分量的正负序补偿控制，在此基础上分析了电网故障时并网电流过流的产生机理并设计了相应的过流保护措施。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 逆变型电源孤岛检测技术

1.3 逆变型电源低电压穿越技术

1.4 本文主要研究内容

第2章 基于滑模频率偏移的逆变型电源并网孤岛检测

2.1 引言

2.2 传统滑模频率偏移法研究

2.3 抛物线型滑模频率偏移算法研究

2.5 仿真与实验分析

2.6 本章小结

第3章 基于有功电流扰动的逆变型电源并网孤岛检测

3.1 引言

3.2 有功电流扰动法基本原理

3.4 自适应有功电流扰动的孤岛检测方法

3.5 仿真与实验分析

3.6 本章小结

第4章 基于负序电流扰动的逆变型电源并网孤岛检测

4.1 引言

4.2 基于带不平衡度正反馈的负序电流扰动孤岛检测方法

4.3 带不平衡度非线性正反馈的负序电流扰动法

4.4 仿真与实验分析

4.5 本章小结

第5章 逆变型电源的低电压穿越控制技术

5.1 引言

5.2 不平衡电网电压下正负序分量分离方法

5.3 电网故障情况下的功率控制

5.4 抑制有功振荡的低电压穿越控制策略

5.5 实验结果分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢