分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制和孤島故障檢測(cè)

【摘要】：由于傳統(tǒng)能源日益匱乏,環(huán)境污染的問題亟需改善和公眾環(huán)保意識(shí)的覺醒,以太陽能、風(fēng)能和生物能等可再生能源逐漸發(fā)展成為傳統(tǒng)化石能源的替代能源。其中太陽能又因具有儲(chǔ)量大、分布廣和幾乎零污染等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。光伏發(fā)電是科學(xué)合理利用太陽能的主要方式之一。由于光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn),光伏產(chǎn)業(yè)最近幾年迅猛發(fā)展,出現(xiàn)了各種各樣容量不同,規(guī)模各異的光伏發(fā)電系統(tǒng),其中分布式光伏發(fā)電主要應(yīng)用于中小功率的屋頂光伏等發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電提倡就近光伏發(fā)電,就近電能轉(zhuǎn)換,就近并入大電網(wǎng),就近供給本地負(fù)載的原則,能夠有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量,減少電能在升壓變換和長途輸送過程中造成的損耗。 本文主要針對(duì)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)展開分析和研究。分析了不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和他們各自的適用范圍,結(jié)合分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題：分布式均衡控制、最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化控制和孤島故障檢測(cè)等方面做出詳細(xì)的研究和驗(yàn)證。本文的主要內(nèi)容可以分為以下幾個(gè)部分： (1)分析研究了組成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列的輸出特性、DC/DC變換電路的拓?fù)?、DC/AC變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,給出了模型中的主要參數(shù)選擇方法,研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制。然后從這幾個(gè)部分中引出本文所要研究的三個(gè)主要問題,即分布式均衡控制問題、最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化控制問題和孤島故障檢測(cè)問題。 (2)通過對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型分析和光伏發(fā)電單元的建模,提出網(wǎng)絡(luò)化均衡控制。運(yùn)用圖論的方式分析分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化均衡控制,使得地理位置分散,容量各異的光伏發(fā)電單元按著同一個(gè)輸出率輸出功率。然后在網(wǎng)絡(luò)化均衡控制的框架下,設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)空間的混合靈敏度H。。本地控制器,使得光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)參數(shù)的擾動(dòng)有很好的魯棒性。本文針對(duì)狀態(tài)變量不可測(cè)的問題,還提出了基于輸出反饋和觀測(cè)器的分布式H∞均衡控制,給出了設(shè)計(jì)和證明過程。通過MATLAB/SIMUlink設(shè)計(jì)了一個(gè)5機(jī)14總線的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),驗(yàn)證了提出的分布式均衡控制方法。 (3)光伏電池是一種非線性的直流源,其輸出特性曲線具有較強(qiáng)的非線性。根據(jù)光伏電池的輸入輸出特性,建立了數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型,建立光伏電池的仿真模型。根據(jù)目前最大功率點(diǎn)跟蹤算法中所存在的問題,提出了自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量的最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化算法,有效解決跟蹤速度和跟蹤精度的矛盾。陰影效應(yīng)是造成光伏陣列輸出效率低的重要原因之一,本文分析了陰影效應(yīng)所造成的多峰現(xiàn)象,然后提出了基于自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法的間歇性全局掃描策略,通過仿真驗(yàn)證了該方法能夠有效的避免由于陰影效應(yīng)所造成的局部最優(yōu)問題。 (4)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)存在的一個(gè)重要安全性問題就是孤島故障。本文分析了孤島故障的成因,和存在檢測(cè)盲區(qū)的原因,分析現(xiàn)存主要幾種孤島故障檢測(cè)的不足,分別從主動(dòng)式和被動(dòng)式兩個(gè)角度提出了自適應(yīng)相位漂移孤島檢測(cè)法和基于集員濾波的孤島檢測(cè)法。前者通過移相的辦法來間接地實(shí)現(xiàn)頻率的漂移,盡可能地縮小初始擾動(dòng)量,減小主動(dòng)式孤島檢測(cè)對(duì)電能質(zhì)量的影響；后者是在分析了電網(wǎng)實(shí)際電壓波形的基礎(chǔ)上提出的,通過準(zhǔn)比例諧振疊加諧波補(bǔ)償?shù)乃惴?減少逆變器側(cè)的諧波輸出,從而突出電網(wǎng)側(cè)的電壓諧波,然后對(duì)公共耦合點(diǎn)處的電壓進(jìn)行采樣建模,分離出各個(gè)階次的諧波分量。最后設(shè)計(jì)集員濾波器過濾掉有界噪聲,對(duì)諧波進(jìn)行估計(jì),再通過估計(jì)諧波的能量變化來確定孤島故障。仿真驗(yàn)證了這兩種方法的有效性,其中集員濾波法檢測(cè)孤島還做了與Kalman濾波檢測(cè)孤島的對(duì)比,體現(xiàn)出了新方法的優(yōu)越性。 【關(guān)鍵詞】：分布式光伏發(fā)電 均衡控制 分布式控制 最大功率點(diǎn)跟蹤 反孤島檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-33
• 1.1 課題背景和意義12-15
• 1.1.1 世界能源需求12-13
• 1.1.2 我國能源需求以及電能組成13-14
• 1.1.3 分布式光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)14-15
• 1.2 分布式光伏發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展15-18
• 1.2.1 國外分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 我國分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展17-18
• 1.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的介紹18-29
• 1.3.1 光伏發(fā)電的基本原理18
• 1.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和分類18-20
• 1.3.3 并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)?/span>20-23
• 1.3.4 并網(wǎng)逆變器的主要控制策略23-25
• 1.3.5 最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化控制25-26
• 1.3.6 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式控制策略26-28
• 1.3.7 孤島故障檢測(cè)技術(shù)28-29
• 1.4 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)29-33
• 1.4.1 主要工作內(nèi)容和章節(jié)安排29-31
• 1.4.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)31-33
• 第2章 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模及目前亟需解決的問題33-49
• 2.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成33-34
• 2.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析34-36
• 2.2.1 DC/DC變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)34-35
• 2.2.2 DC/AC變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)35-36
• 2.3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的建模36-47
• 2.3.1 單相光伏并網(wǎng)逆變器的建模36-38
• 2.3.2 三相光伏并網(wǎng)逆變器的建模38-44
• 2.3.3 模型中的主要參數(shù)選擇44-47
• 2.4 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)亟需解決的幾個(gè)問題47-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的均衡控制49-76
• 3.1 網(wǎng)絡(luò)化均衡控制的提出50-55
• 3.1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型50-52
• 3.1.2 光伏發(fā)電單元的建模52-53
• 3.1.3 網(wǎng)絡(luò)化均衡控制問題的提出53-55
• 3.2 網(wǎng)絡(luò)化均衡控制55-59
• 3.2.1 圖論55-56
• 3.2.2 均衡控制的設(shè)計(jì)56-59
• 3.3 混合靈敏度H_∞控制器的設(shè)計(jì)59-61
• 3.3.1 混合靈敏度H_∞控制的設(shè)計(jì)思路59-61
• 3.3.2 權(quán)重函數(shù)的選擇規(guī)則61
• 3.4 分布式H_∞均衡控制61-68
• 3.4.1 問題的提出和建模62-63
• 3.4.2 分布式H_∞均衡控制器的設(shè)計(jì)63-68
• 3.5 分布式均衡控制的仿真驗(yàn)證68-75
• 3.5.1 分布式均衡控制仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)68-70
• 3.5.2 均衡控制的控制性能70-71
• 3.5.3 基于混合靈敏度H_∞本地控制器的性能71-74
• 3.5.4 分布式H_∞均衡控制的仿真結(jié)果74-75
• 3.6 本章小結(jié)75-76
• 第4章 自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量MPPT優(yōu)化控制76-102
• 4.1 MPPT優(yōu)化控制問題的提出76-82
• 4.1.1 光伏電池的等效模型76-79
• 4.1.2 光伏電池輸出特性分析79-81
• 4.1.3 進(jìn)行MPPT優(yōu)化控制的原因81-82
• 4.2 最大功率點(diǎn)跟蹤算法分類研究82-87
• 4.2.1 非自尋優(yōu)MPPT優(yōu)化控制82-83
• 4.2.2 自尋優(yōu)MPPT優(yōu)化控制83-87
• 4.3 自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量控制算法87-89
• 4.4 陰影效應(yīng)及解決策略89-94
• 4.4.1 陰影效應(yīng)及其影響89-91
• 4.4.2 基于自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量法的間歇性全局掃描策略91-94
• 4.5 光伏電池動(dòng)態(tài)仿真模型的建立和本文提出的MPPT優(yōu)化控制的驗(yàn)證94-101
• 4.5.1 光伏電池仿真模型的建立94-95
• 4.5.2 光伏陣列的MPPT優(yōu)化控制仿真平臺(tái)的搭建95-96
• 4.5.3 自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量與擾動(dòng)觀測(cè)法的仿真對(duì)比研究96-99
• 4.5.4 間歇性全局掃描法的仿真驗(yàn)證99-101
• 4.6 本章小結(jié)101-102
• 第5章 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島故障檢測(cè)102-135
• 5.1 孤島故障檢測(cè)和存在檢測(cè)盲區(qū)的原因102-106
• 5.1.1 進(jìn)行孤島故障檢測(cè)的原因103-104
• 5.1.2 孤島故障檢測(cè)的技術(shù)要求104
• 5.1.3 存在檢測(cè)盲區(qū)的原因104-106
• 5.2 孤島故障檢測(cè)方法的分類研究106-116
• 5.2.1 遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)107-109
• 5.2.2 被動(dòng)式孤島檢測(cè)109-113
• 5.2.3 主動(dòng)式孤島檢測(cè)113-116
• 5.3 自適應(yīng)相位漂移(Adaptive Phase Drift,APD)孤島故障檢測(cè)116-118
• 5.3.1 自適應(yīng)相位漂移檢測(cè)孤島的原理116-117
• 5.3.2 自適應(yīng)相位漂移法檢測(cè)盲區(qū)(NDZ)的消除117-118
• 5.4 基于集員濾波(Set-Membership Filter,SMF)的被動(dòng)式孤島故障檢測(cè)118-126
• 5.4.1 逆變器輸出電流諧波補(bǔ)償算法119-122
• 5.4.2 基于PCC處電壓采樣數(shù)據(jù)的建模122-124
• 5.4.3 集員濾波算法和孤島判斷流程124-126
• 5.5 孤島故障檢測(cè)的仿真驗(yàn)證126-134
• 5.5.1 自適應(yīng)相位漂移檢測(cè)孤島的仿真驗(yàn)證126-128
• 5.5.2 基于集員濾波檢測(cè)孤島的仿真驗(yàn)證128-132
• 5.5.3 與Kalman濾波的對(duì)比132-133
• 5.5.4 假如電網(wǎng)電壓是標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況133-134
• 5.6 本章小結(jié)134-135
• 第6章 總結(jié)與展望135-138
• 6.1 全文總結(jié)與討論135-137
• 6.2 課題后續(xù)工作的展望137-138
• 參考文獻(xiàn)138-150
• 致謝150-151
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文151

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光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化分析    湯葉華;謝建;劉祖明;廖華;陳庭金;

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)(7) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載與配線    馬勝紅;陸虎俞;

獨(dú)立戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)成本影響因素及其分析    李冬梅;劉志璋;劉志強(qiáng);

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為半導(dǎo)體行業(yè)帶來新機(jī)會(huì)    周智勇;

高能效直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)性能評(píng)估    劉邦銀;段善旭;康勇;

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理及其發(fā)展    沈國良;趙旭升;

光伏發(fā)電系統(tǒng)用高效逆變器的研究    周光明;沈煜;張晉茂;麻凱恩;朱正菲;杜強(qiáng);

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)性能分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法    陸亞萍;梁小冰;

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)及微型逆變器綜述    程麗敏;曹陽;

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)    郝文華;

光伏發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)    王景義;

戶用獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究    李春華;劉維亭;姜文剛;

光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其控制器參數(shù)的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究    謝亦豐;祝明華;熊連松;李琛;卓放;張海龍;

用于熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)射體材料的研究進(jìn)展    徐峰;劉愛民;羅慧晶;翁占坤;

小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    程啟明;李明;陳根;王鶴霖;

光伏發(fā)電系統(tǒng)的過去,現(xiàn)在和未來    馮垛生;

萊蕪供電首建光伏發(fā)電系統(tǒng)    王憲才　魏延彬

萊蕪供電公司建成首個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)    通訊員 王憲才　魏延彬

光伏發(fā)電系統(tǒng)租還是買？    徐瑤

數(shù)倍聚光跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)解決太陽能高成本難題    申淳

晶澳公司捐贈(zèng)光伏發(fā)電系統(tǒng)    特約記者 牛獻(xiàn)力　通訊員 王麗英

美研制新式太陽能熱光伏發(fā)電系統(tǒng)    記者 劉霞

廣東最大戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)亮相    本報(bào)記者　 戈曉芳 見習(xí)記者 于洋

我市首座太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)正式并網(wǎng)發(fā)電    記者 王瑩　特約通訊員 劉孟君

我省光伏產(chǎn)業(yè)又添高科技“新丁”    記者 星子

依托自然優(yōu)勢(shì)發(fā)展新疆光伏產(chǎn)業(yè)    蘇國平　新疆經(jīng)信委副主任

光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提高理論方法及關(guān)鍵技術(shù)研究    朱艷偉

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制和孤島故障檢測(cè)    吳志鵬

光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究    鄭詩程

光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行理論與關(guān)鍵技術(shù)研究    徐瑞東

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制問題研究    熊遠(yuǎn)生

光伏跟蹤系統(tǒng)智能控制方法的研究    徐曉冰

光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究    曹太強(qiáng)

泛（火用）分析方法及其應(yīng)用研究    蔣愛華

新型光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究    韓志強(qiáng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控與發(fā)電預(yù)測(cè)模型研究    李徐輝

光伏發(fā)電系統(tǒng)中雙模式逆變器控制策略研究    周陽

光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制技術(shù)的研究    王培波

光伏發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化問題的研究    王丹

高效率的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析    謝旗輝

光伏發(fā)電系統(tǒng)高效電能變換技術(shù)研究    劉陽

基于雙頻變換器的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)研究    方堃

單相光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)控制策略的研究    宋濤松

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究    孔娟