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分布式发电多逆变器并网孤岛检测技术研究

作　者: 谢东
导　师: 张兴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 分布式发电并网逆变器孤岛检测主动移频小波变换神经网络
分类号: TM464
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

由于燃料能源的不断减少及其对环境危害的日益严重,人类把目光投向了太阳能、风能等清洁且储量巨大的可再生能源,基于可再生能源的分布式发电(distributed generation, DG)技术是电力行业今后发展的一个重要方向。孤岛现象是分布式发电系统的一个基本问题。所谓孤岛,是指主电网因故障或进行检修而处于失电状况时,分布式发电系统仍可能持续工作,并与本地负载连接处于独立运行状态。孤岛产生后,会威胁到电网维修人员的安全,影响配电系统的保护开关动作程序,在重合闸时可能对用电设备造成损害。因此,孤岛检测是分布式发电装置必须具备的一种保护功能。目前,并网逆变器型分布式发电系统的孤岛检测技术包括被动式和主动式孤岛检测两大类,但主要是针对这两大类检测方法在单台逆变器并网时的检测算法与参数优化的研究。随着大规模分布式发电系统的应用,实际上常常出现系统连接有多台并网逆变器的情形,多逆变器并网系统孤岛检测技术的研究越来越受到关注。为此,本文针对分布式发电系统在多逆变器并网条件下的孤岛检测技术展开了研究,具体研究内容如下：首先,对基于并网逆变器的孤岛检测技术中与本论文课题相关的一些基本内容展开了研究,主要包括：(1)对基于并网逆变器的孤岛检测方法进行了阐述,分析了被动式及主动式两类本地孤岛检测法,重点分析了目前应用非常广泛的几种主动移频式孤岛检测法的原理及其优缺点。(2)分析了基于Qf×f0坐标系的孤岛检测性能评估方法,给出了主动频率偏移法、Sandia频率偏移法以及滑模频率偏移法等孤岛检测方法的检测盲区(Non-Detection Zone, NDZ)边界曲线的求取方法。(3)建立了分布式发电系统的小信号模型,采用恒电流控制策略以及APS孤岛检测法分析了带正反馈式孤岛检测的逆变器控制策略对系统稳定性的影响,从而给出了解决维护系统稳定性与提高孤岛检测性能间矛盾的方法。其次,对现有多逆变器并网条件下分布式发电系统的孤岛检测方法及其检测性能进行了研究。对主动频率偏移法、Sandia频率偏移法以及滑模频率偏移法这几种主动移频式多逆变器并网孤岛检测法的性能进行了理论分析与仿真验证；对主动移频式多逆变器并网孤岛检测法的检测盲区问题与稀释效应问题展开了研究；对阻抗测量法、相关技术法及负序电流扰动法等多逆变器并网孤岛检测技术的原理及其性能进行了阐述。针对主动移频式多逆变器并网孤岛检测法的检测盲区问题与稀释效应问题,提出了解决策略,即利用数字相关原理检测公共耦合点电压与逆变器输出电流间的相位差角,根据检测到的相位差角对主动移频式孤岛检测算法中的有关参数进行自适应调整,最后对所提策略进行了仿真与实验验证。为进一步降低逆变器输出电流的畸变率,在上述孤岛检测算法改进措施的基础上,提出了基于锁相环的低电流畸变率改进SFS孤岛检测法。对于该种方法,首先分析了采用SFS法时电流畸变率的大小,详细推算了电压频率有偏差及频率无偏差两种情况下该法所对应的电流THD值；然后介绍了该改进SFS孤岛检测法中所使用的基于二阶广义积分器的虚拟两相锁相环的结构与工作原理；最后,分析了基于锁相环的低电流畸变率改进SFS孤岛检测法的原理、参数设置及改进方法,并给出了仿真与实验验证结果。最后,研究开发了基于小波变换与神经网络的多逆变器并网孤岛检测法。针对该种方法,首先简单介绍了小波变换与神经网络的基本理论；然后详细分析了该孤岛检测方法MATLAB仿真设计的原理,给出了6种不同状态下该孤岛检测方法在单逆变器及多逆变器并网条件下孤岛检测的仿真效果;最后,分析了该孤岛检测方法中小波变换Mallat算法及BP神经网络算法的DSP实现过程,给出了该孤岛检测法在孤岛与非孤岛状态的实验验证结果。

全文目录

致谢  9-10
摘要  10-12
ABSTRACT  12-18
插图清单  18-21
表格清单  21-22
第一章绪论  22-35
  1.1 课题的研究背景  22
  1.2 分布式发电技术及其应用  22-26
    1.2.1 分布式发电的概念  22-24
    1.2.2 分布式发电系统并网对电力系统的影响  24-25
    1.2.3 分布式发电的应用与发展前景  25-26
  1.3 分布式发电的孤岛问题  26-33
    1.3.1 孤岛形成原因及其危害  26-27
    1.3.2 孤岛的应对策略  27-28
    1.3.3 国内外孤岛保护问题的研究现状  28-32
    1.3.4 多逆变器并网的孤岛检测问题  32-33
  1.4 本文主要研究内容及创新点  33-35
第二章基于并网逆变器的孤岛检测技术研究  35-59
  2.1 基于并网逆变器的孤岛检测方法研究  35-44
    2.1.1 被动式孤岛检测技术  35-38
    2.1.2 主动式孤岛检测技术  38-44
  2.2 基于检测盲区(NDZ)的孤岛检测性能评估  44-48
    2.2.1 基于Q_f×f_0坐标系的孤岛检测相位判据  45
    2.2.2 基于Q_f×f_0坐标系的孤岛检测NDZ分析  45-48
  2.3 基于正反馈式反孤岛控制的小信号建模与分析  48-57
    2.3.1 小信号建模  49-52
    2.3.2 小信号模型的稳定性分析  52-57
  2.4 本章小结  57-59
第三章多逆变器并网孤岛检测技术及其性能分析  59-85
  3.1 主动移频式多逆变器并网孤岛检测的性能分析与仿真验证  59-68
    3.1.1 基于Q_f×f_0坐标系主动移频式多逆变器并网孤岛检测性能分析  59-65
    3.1.2 主动移频式多逆变器并网孤岛检测性能的仿真验证  65-68
  3.2 主动移频式孤岛检测法NDZ分析  68-71
    3.2.1 AFD法的NDZ分析  68-69
    3.2.2 SFS法的NDZ分析  69-70
    3.2.3 SMS法的NDZ分析  70-71
  3.3 主动移频式多逆变器并网孤岛检测稀释效应问题的研究  71-76
    3.3.1 基于SFS法的稀释效应分析  72-73
    3.3.2 基于SMS法的稀释效应分析  73
    3.3.3 稀释效应的仿真验证  73-76
  3.4 其它多逆变器并网孤岛检测技术研究  76-84
    3.4.1 基于阻抗测量的多逆变器并网孤岛检测法  76-79
    3.4.2 基于相关性的多逆变器并网孤岛检测法  79-81
    3.4.3 基于负序电流扰动的多逆变器并网孤岛检测法  81-84
  3.5 本章小结  84-85
第四章主动移频式多逆变器并网孤岛检测改进算法的研究  85-111
  4.1 基于参数自适应SFS改进算法的研究  85-94
    4.1.1 基于数字相关原理的信号相位差检测  85-87
    4.1.2 基于参数自适应SFS改进算法的研究  87-89
    4.1.3 仿真及实验验证  89-94
  4.2 基于锁相环的低电流畸变率SFS改进算法的研究  94-110
    4.2.1 SFS孤岛检测算法中电流畸变率的分析  94-98
    4.2.2 基于二阶广义积分器的虚拟两相锁相环的设计  98-101
    4.2.3 基于锁相环的低电流畸变率SFS改进算法的研究  101-110
  4.3 本章小结  110-111
第五章基于小波变换与神经网络的被动式多逆变器并网孤岛检测技术研究  111-139
  5.1 小波变换与神经网络理论概述  112-118
    5.1.1 小波变换基本理论  112-114
    5.1.2 人工神经网络与模式识别  114-118
  5.2 基于小波变换与神经网络孤岛检测技术的仿真研究  118-131
    5.2.1 基于小波变换与神经网络的孤岛检测原理概述  118-119
    5.2.2 小波变换技术在孤岛检测中的应用设计  119-122
    5.2.3 人工神经网络的选取与结构设计  122-123
    5.2.4 仿真建模与仿真结果分析  123-131
  5.3 基于小波变换与神经网络孤岛检测技术的实验研究  131-137
    5.3.1 小波变换Mallat算法的实现  131-133
    5.3.2 BP神经网络算法的实现  133-135
    5.3.3 实验验证  135-137
  5.4 本章小结  137-139
第六章总结与展望  139-142
  6.1 工作总结  139-140
  6.2 展望  140-142
参考文献  142-152
作者在攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利  152

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