三相光伏并网逆变器监控系统的研究

【摘要】：近年来,经济效益增长、越来越高的能源需求和二氧化碳排放的限制政策成为了推动基于分布式发电系统新能源发展的主要因素。光伏发电系统具有体积小、零污染的优点,在世界范围内得到了广泛使用。但是大容量光伏发电系统的渗透直接导致光伏并网逆变器和电网两者相互影响着对方的稳定和安全。因此,研究一种高性能的监控系统来实时监测逆变器与电网的各项状态参数,是保证并网逆变器稳定和安全运行的重要前提。 在综合了国内外光伏逆变器监控系统的研究成果之后,本文以单台并网逆变器为研究对象,首先确定用于单台逆变器监控系统的工作流程与总体软硬件的设计方案。重点研究了监控系统中所用到的能够独立于逆变器控制系统对交流侧并网点(PCC)状态进行监测的方法。使用基于软件锁相环技术的电网同步算法来快速而又精准地跟踪并网点电压的幅值、频率和相位发生的变化。并在此基础上,提出了一种新型的主动式孤岛检测方法,利用锁相环精准的频率跟踪性能,来判断并网点孤岛状态。 对于锁相环和主动式孤岛检测方法,文章对两者之间的必然联系以及在所提监控系统中的重要性做出了解释。首先分析了PLL的基本工作原理以及非理想电网环境对其跟踪输出造成的不良影响,在原有PLL的鉴相器中加入一种信号延时消除算法(DSC)可以有效地抑制非理想电网信号输入带来的不良影响,同时在理论上分析了新型锁相环的跟踪性能。随后,针对现有主动式孤岛检测技术的不足,新提出一种双边三角波无功扰动孤岛检测方法,阐述检测机理,分析其检测盲区的大小,并和传统的无功扰动方法进行对比,新提方法具有更好的性能。 在Matlab／Simulink中搭建模型,对重点研究的监测方法进行仿真验证。通过仿真的结果证明理论研究的正确性。 最后,根据之前给出监控系统总体设计方案,详细叙述了算法的数字化实现方法和软硬件的设计步骤,建立以STM32F407控制器为监测模块,配合PLC、HMI触摸屏所构成的监控系统平台,并进行现场调试。从得出的实验结果可以看出,本文设计的逆变器监控系统能够正常稳定的运行。 【关键词】：光伏并网逆变器 监控系统 锁相环 孤岛检测 STM32F407
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 课题的研究背景和意义11-12
• 1.1.1 能源危机与环境污染11-12
• 1.1.2 光伏发电技术的前景与趋势12
• 1.1.3 光伏并网发电的关键技术12
• 1.2 逆变器监控技术国内外的研究现状12-14
• 1.3 目前光伏逆变器监控技术存在的问题14
• 1.4 本文的主要研究内容与工作14-16
• 第二章 逆变器监控系统的整体设计16-22
• 2.1 监控系统的设计目标16-18
• 2.2 监控系统整体设计方案18-19
• 2.3 以ARM为监控系统核心模块的设计分析19-21
• 2.3.1 硬件电路设计简述19-20
• 2.3.2 监控系统中监测模块所用算法的简述20-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第三章 公共连接点状态监测方法的研究22-47
• 3.1 基于三相锁相环的电网同步算法22-27
• 3.1.1 锁相环的基本结构23
• 3.1.2 三相软件锁相环基本原理23-25
• 3.1.3 SPLL的数学模型分析及参数设置对其性能的影响25-27
• 3.2 基于CDSC-PLL的电网同步算法27-35
• 3.2.1 非理想电网环境下的电压的特性28-30
• 3.2.2 应用在非理想电网环境下的相位同步技术30-32
• 3.2.3 三相CDSC-PLL的原理与特性32-35
• 3.2.4 CDSC-PLL的结构分析35
• 3.3 基于三相PLL的主动式孤岛检测35-46
• 3.3.1 孤岛发生时PCC点功率潮流分析36-38
• 3.3.2 双边三角波无功功率扰动孤岛检测原理38-40
• 3.3.3 输出无功扰动的参数设计40-43
• 3.3.4 多机并联运行情况下检测性能分析43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 对并网点状态监测方法的仿真47-62
• 4.1 逆变器主电路模型的建立及其参数设置47-48
• 4.2 CDSC-PLL的仿真48-55
• 4.2.1 CDSC-PLL在Matlab/Simulink中模型搭建48-49
• 4.2.2 CDSC-PLL在各种非理想电网环境下的仿真49-55
• 4.3 双边三角波无功扰动孤岛检测仿真模型55-60
• 4.3.1 单机运行下的孤岛检测效果56-58
• 4.3.2 多机并联运行时孤岛检测效果58-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 逆变器监控模块的数字化实现62-72
• 5.1 监控模块的硬件电路设计62-65
• 5.1.1 ARM数字控制器外围电路设计62-63
• 5.1.2 ADE7878电能计量芯片硬件设计63-65
• 5.2 监控系统软件算法上的实现65-68
• 5.2.1 CDSC-PLL和孤岛检测算法数字化的实现65-67
• 5.2.2 监控系统软件程序的设计67-68
• 5.3 硬件实验平台的介绍和实验结果分析68-71
• 5.3.1 CDSC-PLL实验结果波形分析68-70
• 5.3.2 监控系统通信测试70-71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论与展望72-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士学位期间发表论文情况80

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