光伏并网逆变器死区效应研究
光伏并网逆变器孤岛检测技术研究
摘 要我国能源消耗主要依赖于传统化石能源，近年来随着社会经济的持续发展，我国化石能源危机和环境问题日趋严峻，改变我国能源产业结构，开发和利用新能源迫在眉睫。
由于太阳能资源具有清洁无污染、安全可靠、运行经济以及取之不尽用之不竭等优点，决定了其在能源更替中具有不可取代的地位。
以光伏发电技术为代表的新能源发电技术越来越受到国际社会的广泛关注。
在光伏发电系统中，分布式发电系统具有十分重要的地位，分布式电源为电网和本地负载提供能量。
随着越来越多的分布式光伏发电系统应用于能源产业，许多潜在的电网保护问题逐渐引起了人们的重视，其中难点之一就是如何检测出孤岛效应。
孤岛效应会导致电能质量严重受损、电气设备损害以及对运行检修工作者的安全造成威胁，因此应该避免孤岛现象的发生。
通过相关反孤岛设备实时监测系统运行情况，在孤岛发生时检测出孤岛运行状态并触发孤岛保护装置，使光伏并网逆变器尽快与主电网切离以避免上述的危害。
本文以三相光伏并网逆变器为研究对象，对系统中存在的孤岛效应检测问题进行研究，讨论了相关参数对孤岛检测盲区分布的影响，并根据现有反孤岛策略存在的不足，提出一种改进的基于无功功率扰动的孤岛检测算法。
本文阐述了孤岛效应的研究背景、成因以及危害，分析了当前孤岛检测技术的研究现状。
基于逆变器恒功率控制策略对三相光伏并网逆变器进行建模，实现有功/无功功率的灵活控制，为后续所提孤岛检测算法的研究奠定基础。
本文研究分析了孤岛效应发生机理，对几种常见的孤岛检测方法如远程检测法、无源检测法和有源检测法进行对比分析。
与此同时，本文介绍了孤岛检测盲区相关描述方法，并采用f 0norm Q C 描述法对常见反孤岛策略的盲区进行了描述，分析了相关参数对盲区分布的影响，并基于所参与科研项目对现有盲区评估标准提出了几点改进建议。
基于对常见孤岛检测算法及其盲区的分析与研究，本文阐述了基于无功功率扰动反孤岛策略的优越性，并对其基本原理进行了分析。
探讨光伏并网发电系统的孤岛效应
探讨光伏并网发电系统的孤岛效应在电网有误操作、电气故障出现或者自然因素出现供电中断的情况时，和公共电网连接的各个光伏发电系统无法及时的将停电现象检测出来，会导致光伏发电系统对某个区域单独进行供电，出现无法通过电力部门控制的孤岛效应，此情况出现会降低电网的安全标准，使得频率超出了规定的范围，会对孤岛上的检修人员和设备的安全造成大的安全隐患，因此对孤岛效应的控制策略和检测方法进行研究，有非常重要的现实意义。
1出现孤岛效应的主要原因图1光伏系统并网等效电路图通常情况下，可以使用RLC并联电路模拟光伏发电系统的负载，假如负载接入点的电压频率和电压分别为f和U，输出的无功功率和有功功率分别为Qpv 和Ppv，负载吸收的无功功率和有功功率分别为QL和PL，负载和光伏系统直接的功率偏差分别使用△P和△Q表示，那么光伏发电系统并网的等效电路如图1所示。
在光伏系统的运行状态为正常时，负载端电压是受公共电网电压制约的，而不是受并网逆变器输出电压影响，当电网有异常情况出现时，一旦逆变器的负载和输出功率不匹配，就会导致电网光伏系统的无功功率和有功功率出现比较大的变化，进而导致负载频率和负载电压出现较大的变化，电压频率和副值会在限定值以上，此时，检测系统就很容易出现孤岛，控制系统会立即把电网和逆变器切断，使光伏系统停止电能的输出。
在光伏发电系统的负载消耗功率和输出功率平衡时，由于电网频率f和RLC组成的负载谐振频率相同，次数并网逆变器的并网输出电流为零，当负载功率和并网逆变器的输出功率相同时，很难对孤岛效应进行检测，此时就会进入到检测盲区，导致光伏发电系统和负载进入到孤岛运行的状态。
2防止出现孤岛效应的方法一般情况下，会通过对电压幅指数、频率情况、相位偏移情况判断并网系统中的孤岛效应，在对孤岛效应进行检测的过程中，主要有主动检测和被动检测两种方法。
在使用主动方法进行检测时，会先将并网逆变器控制住，然后使输出功率、输出频率、相位出现扰动的情况，在电网实际运行的过程中，由于电网具有自我平衡的能力，扰动不能检测出来，而在电网工作停止时，并网逆变器的扰动会迅速积累，并超过并网的规定范围，触动电路保护，使用这种方法进行检测，具有检测盲区小，检测准确度高的优点。
单相SPWM逆变器的死区效应分析和补偿策略_李剑
图 4 2种常用的死区补偿方法
在传统的死区分析中 , 误差电压是仅与输出 电流的极性相关且幅值恒定的正负方波。 如果没 有检测误差 , 这 2种开环补偿方案都能够对死区 效应实现精确补偿 , 但实际情况并不是这样 [3 ]。考 虑到开关管的通态管压降和开关时间的影响 , 以 IGBT 为例 , 设开通时间为 ton (包括开通延迟时间 和电流上升时间 ) , 关断时间为 toff (包括存储时间 和电流下降时间 ) , IGBT 的导通压降为 V sat , 二极 管的导通压降为 V d。以电流 i 流出桥臂为正方向 , 在 1个开关周期内取平均值进行分析 。 1)当电流 i> 0时 , 若 D 2 导通 , V dc V AN 1= - 2 - V d 若 T1 导通 , 14
V AN2= 如图 5g 所示 , V AN =
V dc - V sat 2
1 { (Δt+ tD+ ton - toff ) V AN1+ TC [ T C - (Δt+ tD+ ton - toff ) ]V AN2 }
V dc V dc * 1 V AN = T C Δt ( )+ ( T C - Δt ) 2 2 ∴ V e = V AN - V AN tD - ( toff - ton ) = - [ ( V dc + V d - V sat ) + TC * V d+ V sat V + ( s at - V d ) ] 2 V dc V
2 基本概念
单相全桥 SPW M 逆变器的主电路结构如图 1所示 ,其控制电路一般采用双极性 SPW M 调制 技术 。在理论上 ,同 1桥臂 2个开关管的驱动信号 应严格互补。 由于开关管实际上都存在一定的开 12
三相并网逆变器的控制与死区补偿
２
正弦 的 电流 波形 ， 率 因数 接 近 １对 电网 的污 染 很 功 ． 小 ， 新 能源 的利 用 中得到 了广 泛应 用 。 此研 究 的 在 在
应 用 于风 力发 电的三相 并 网逆 变器 采用 三相 桥 式 结 构 、 间矢 量调 制 ， 空 并进 行功 率解 耦和 电压前 馈 。
Ｗ ＡＮＧ Ｌｕ，ＺＨＵ ａ －ｉ ｎ Ｘｉｏ ｌａ ｇ，ＧＯＮＧ ｕ ｙ ｎ Ｃｈ ｎ— ｉ ｇ，ＸＩ ＡＯ ａ Ｌｎ
（ ａｊ ｇＵ ｉｅ ｉ ｅｏａ ｔ ｓ Ａ ｔ ｎ ｕｉ ， ａｊｎ １０ ６ ｈｎ ） Ｎ ｎｉ ｎ ｒｔ ｏ ｒｎｕｉ ＆ ｓｒ ａｔ ｓ Ｎ ｎｉｇ２ ０ １ ，Ｃ ｉａ ｎ ｖ ｓｙ ｆＡ ｃ ｏ ｃ
（ １ ）
１
为 新 能 源技 术和 逆 变技 术 。
第４ ４卷 第 ９期
２ １ 年 ９月 ００
电 力 电子 技 术
Ｐ ｗ ｒＥ ｅ ｔ ｎ ｃ ｏ ｅ ｌ ｃｒ ｉ ｓ ｏ
Ｖｏ ．４，Ｎｏ９ １ ４ ． Ｓ ｐ ｅ ｂ ｒ２ ０ ｅ ｔ ｍ ｅ ０１
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求 出各扇 区 内两相 邻 矢 量作 用 时 间后 ， 常采 通
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用七 段 对 称 式 空 问 矢 量 合成 方 法 ［ 分 配 各 矢 量 ． ２ １ 来
一
式中 ： ∞为 电网 电压 角频 率 。
个周 期 内只有 ３次 开关管 切换 。 图 ２ ｂ中 ， 各矢 量
图 ２ 基本空间电压矢量及扇区 Ｉ内矢量线性组合
可见 Ｕ 在 内所产生的积分效果与 ， 及 。 零矢量 作用 ， （ 死， 或 ） 时间 的积 分 效果相 同。
PWM逆变器死区影响的几种补偿方法
PWM 逆变器死区影响的几种补偿方法摘要：分析逆变器死区对输出电压的影响以及几种常用的补偿方法。
关键词：死区 补偿 逆变器 脉宽调制1 1 引言引言引言 死区可以避免因桥臂开关管同时导通的故障，但死区同时也引起反馈二极管的续流，使输出电压基波幅值减小，并产生出与死区时间△t 及载波比N 成比例的3、5、7…次谐波，这是设置死区带来的缺点。
这个缺点对变频调速系统的影响最为显著。
特别是在电机低速运行时，调制波角频率ωs 减小，使载波比N 相对增大，因此，死区△t 中二极管续流引起的基波幅值减小，和3、5、7…次谐波的增大更加严重。
在这种情况下，为了保证系统的正常运行，就必须对死区中二极管续流的这种不良影响进行补偿。
常用的最基本补偿方法有两种：一种是电流反馈型补偿，另一种是电压反馈型补偿。
它们的共同补偿原理就是设法产生一个与二极管续流引起的误差电压波形相似、相位相差180°的补偿电压ucom，来抵消或减弱误差波的影响。
所谓误差波，就是由反馈二极管续流而引起的误差电压。
三相半桥式SPWM 逆变器电路图见图1。
2 2 电流反馈型补偿电流反馈型补偿电流反馈型补偿 死区设置方式有两种，即双边对称设置和单边不对称设置。
现以双边对称设置方式为例来进行说明，其结果对单边不对称设置方式也同样适用。
带死区的SPWM 逆变器在感性负载时，基波幅值的减小与3、5、7…次谐波幅值的增大都与Δtωc=ΔtNωs 成正比（ωc 为SPWM 中三角波电压的角频率），随着死区时间△t 及载波比N 的增加，输出电压基波幅值将减小，3、5、7…次谐波幅值将比例增大。
当ωs 减小N 相对增大时，这种影响进一步加剧。
为了保证逆变器的正常运行，就必须消除这种不良影响。
加入补偿电路就能很好地达到这个目的。
采用电流反馈型的补偿电路如图2所示。
通过检测逆变器的三相输出电流，并把它变成三相方波电压分别加到各自的调制波us 上，例如将检测到的A 相电流iA，变成方波电压ui 加到A 相调制波us 上，方波电压ui 使逆变器产生一个与电流iA 相位相同，与误差波uD1.4波形相似，但与uD1.4相位相反的补偿电压ucom,如图3所示。
三相两电平逆变器死区效应谐波分析及其补偿方法研究
三相两电平逆变器死区效应谐波分析及其补偿方法研究摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。
电压源换流器在高压直流输电及新能源并网中起着至关重要的作用。
为研究基于脉冲宽度调制技术（pulsewidthmodulation，PWM）三相逆变器受死区影响的谐波特性。
为降低死区效应对电压谐波的影响，目前国内外学者已提出多种死区补偿方法。
死区对三电平PWM的3D几何墙模型的影响，基于双重傅里叶级数给出了死区时间影响下的输出电压谐波表达式，但未能分析死区补偿的设计方法。
因此，建立更为简洁的电压谐波模型以分析死区影响下的谐波特性，揭示死区效应引发谐波失真的机理，能为死区设计和补偿提供理论依据。
此外，建立更为精确的受死区影响的谐波模型能够为滤波元件的设计提供理论指导。
关键词：三相两电平逆变器；死区效应；谐波分析；补偿方法研究引言传统的两电平电压型逆变器，通常采用正弦电压脉宽调制（SPWM）和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）两种调制方式产生PWM电压，采用SPWM调制方式时输出线电压最大仅能达到直流母线电压的0．707倍，采用SVPWM线性调制时输出线电压最大可以达到与直流母线电压电压相同的值，但是这两种调制方法都没有充分利用逆变器输出电压的能力，其与逆变器六阶梯波工作状态时输出的基波电压还有一定差距，逆变器六阶梯波工作状态时输出的基波电压可以达到直流母线电压的1．103倍。
为了获得更大的输出电压，需要对逆变器采用过调制方法。
进入过调制区域后，逆变器输出电压将会产生畸变，谐波含量有所增加，这对电磁转矩的稳定性影响很大，采用合适的过调制方法尤为重要。
本文采用将过调制区域分为1、2两区的方法，对SVPWM调制区域划分的基本思想、过调制区域调制方法的原理与实现方法进行详细的分析与说明。
1电压空间矢量过调制区域在线性调制区，参考电压矢量终点被限制在六边形内切圆区域内，显然无法将逆变器输出电压的能力最大化。
逆变器死区时间对异步电机转矩脉动影响及削弱办法
收稿日期:2002-08-12作者简介:孙昌志(1938-),男,辽宁盖州人,沈阳工业大学教授,博士生导师.电气工程文章编号:1000-1646(2003)01-0032-04逆变器死区时间对异步电机转矩脉动影响及削弱办法孙昌志,李红梅,陈治飞(沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳110023)摘 要:建立了考虑逆变器死区时间的异步电动机系统整体数学模型,研究逆变器死区时间对系统转矩脉动的影响。
在分析常用死区补偿法的基础上,采用脉冲为基础的死区时间补偿法对死区进行补偿,可以有效达到削弱转矩脉动,改善异步电动机系统运行质量的目的.关 键 词:逆变器;死区时间;异步电动机;转矩脉动;死区补偿中图分类号:TM 34312 文献标识码:A 随着电力电子技术、大规模集成电路和微机技术的发展,现代控制理论的引入,各种静止式变压变频装置(VVV F )得到迅速的发展,且价格逐渐降低,使异步电动机变频调速系统的应用与日俱增[1].其中尤以SPWM 逆变器控制的异步电动机运行于V /f 为常数的变频调速系统最为常见,国内外现今使用的大多数变速驱动都是这种类型[2].该系统在变频调速运行中常伴随有电机运行的转矩脉动质量问题[3～5].逆变器死区时间的引入使逆变器的输出产生死区效应,输出电压与期望电压产生偏差,引起基波电压的降低,并且使输出电压中产生谐波,影响系统运行的质量和可靠性.为了研究逆变器死区时间对异步电动机变频调速系统转矩脉动的影响,本文首先建立了考虑逆变器死区时间的异步电动机系统整体数学模型,研究死区时间的存在对系统转矩脉动影响,提出采用以软件实现为主的PBD TC 法补偿死区时间,提高系统的运行质量和可靠性.1 计及死区时间的逆变器模型理想情况下,PWM 逆变器同一桥臂的上下两个功率开关总是互补地导通和关断,但是功率管的导通和关断需要一定的时间,尤其是关断时间比导通时间长.因此,实际上总使上、下开关管的导通和关断错开一定的时间,为了保证逆变电路的安全工作,必须在同一桥臂上、下两个开关器件的通断信号间设置一段死区时间t d ,以防止上下两器件同时导通、逆变器直流侧被短路的事故.死区时间的存在使得逆变器实际输出电压V a 变成不同于精确电压V ao ,偏差电压V a ε=V a -V ao 具有高度恒定、等于直流侧源电压U D 、脉冲宽度为t d 、脉冲极性取决于电机相电流I as 极性的特点.偏差电压发生在V ao 每两次转换的瞬间,如果I as 为正,在V ao 上升瞬间出现脉冲,如果I as 为负,在V ao 下降瞬间出现脉冲.由于V ao (ω1t )=U D S 1(ω1t ),在V ao 每次转换的瞬间,插入死区时间t d ,得到宽度为t d ,高度为U D 偏差电压V a ε,其正负由I as 极性决定,逆变器实际输出电压V a =V ao -V a ε.模拟得出逆变器输出频率f 1=50Hz ,载波频率f c =900Hz ,a 相电压和偏差电压波形见图1,同理可获得b 、c 相偏差电压V b ε、V c ε.逆变器实际输出线电压为V ′ab (ω1t )=V a (ω1t )-V b (ω1t )V ′bc (ω1t )=V b (ω1t )-V c (ω1t )V ′ca (ω1t )=V c (ω1t )-V a (ω1t )计及逆变器死区时间后,异步电动机电压矩阵V 的表达式如下V =Vq 1V d 1V q 2V d 2=13(V ′ab -V ′ca) -33V ′bc 0 0第25卷第1期2003年2月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 125No 11Feb.2003图1 逆变器电压和偏差电压Fig.1 Voltage of inverter and biased error voltage 将上式与计及主磁路饱和时的异步电动机数学模型相结合,即是计及死区时间的逆变器-异步电机系统非线性数学模型.2 逆变器死区时间对系统转矩脉动的影响 所研究的样机是额定功率11k W、4极笼型异步电动机.有关的数据如下:r1=012687Ω,r2=012294Ω,L1σ=117316×10-3H,L2σ=31059×10-3H,J=01125kg・m2.逆变器输出频率f=50Hz,逆变器直流侧电压, U D=513V死区时间t d=20μs. 图2、图3分别对应理想逆变器供电、计及死区时间时的逆变器供电系统稳态时序图.比较两图可知:逆变器死区时间的存在导致电机转速波动加大,转矩脉动显著增加.增大逆变器死区时间,t d=40μs时的系统稳态时序图见图4,电机转速波动进一步加大,转矩脉动较t d=20μs时再度增加.3 常用死区补偿方法[6,7]311 电流反馈型电流反馈型死区补偿法,通过检测变频器的三相输出电流的极性来确定补偿电压,该法由于受死区时间及电流幅值和频率的影响,电流过零点一般存在一定程度的模糊性,因而电流极性的检测精度收到一定的影响,同时必要的电流滤波环节也加剧了对电流极性实时检测的难度,尤其用软件实现时,严重的检测滞后会破坏对死区时间的正确补偿.图2 未计及逆变器死区时间时的系统稳态时序图Fig.2 System stable state time-sequence figures without considering dead time ofinverter图3 计及逆变器死区时间时的系统稳态时序图Fig.3 System stable state time-sequence figures with dead time of inverter considered33第1期孙昌志等:逆变器死区时间对异步电机转矩脉动影响及削弱办法 图4 死区时间增大时的系统稳态时序图Fig.4 System stable state time-sequence figures by increasing the dead time312 电压反馈型电压反馈型死区补偿法,是将各相的PWM 输出检测出来,同给定的PWM波进行比较,得到实际偏差电压,然后将偏差电压同给定的PWM 波叠加,得到新的给定.这种方法同样具有补偿的滞后性,每次比较结果必须在下一个开关周期才能得到校正,同时存在输出的PWM高精度检测问题,实现起来较复杂.4 脉冲死区补偿法相电流大于零时,由于死区时间引起的死区效应使实际脉冲上升沿滞后理想脉冲上升沿t d 时间,采用PBD TC死区补偿法[8],在超前理想脉冲上升沿t d时间,加入PBD TC死区补偿后的实际脉冲上升沿.当把PBD TC死区补偿后的脉冲加到开关器件的控制极上,计及逆变器死区时间后,校正后的脉冲与理想脉冲一致(见图5). 相电流小于零时,由于死区时间引起的死区效应使实际脉冲下降沿滞后理想脉冲下降沿t d 时间,采用PBD TC死区补偿法,是在超前理想脉冲下降沿t d时间,加入PBD TC死区补偿后的实际脉冲下降沿.当把PBD TC死区补偿后的脉冲加到开关器件的控制极上,计及逆变器死区时间后,校正后的脉冲与理想脉冲一致(见图6). 这种方法补偿效果良好,与系统运行频率、载波频率、负载无关,只需检测相电流的极性,以软件实现为主,实现简单,系统成本增加不多.图5 相电流大于零时PBDTC法校正原理Fig.5 PBDTC modification principle when phase-current is more thanzero图6 相电流小于零时PBDTC法校正原理Fig.6 PBDTC modification principle when phase-current is less than zero5 结 论逆变器死区时间的引入使异步电动机系统的转矩脉动加大,随逆变器死区时间的增加,转矩脉动程度加剧.在探讨常用逆变器死区时间补偿法的基础上,采用PBD TC法补偿死区时间,该方法以软件实现为主,简单易行,系统成本低,能够有效削弱逆变器死区时间对系统转矩脉动的影响,可达到改善系统运行质量的目的.参考文献:[1]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社.1998.(Chen B S,Chen M X.Alternate current ad justing speed system[M].Beijing:China Machine Press, 1998.)[2]Munoz2G arcia A,Thomas A.Lipo et al.A new induc2tion motor v/f control method capable of high2perfor243 沈 阳 工 业 大 学 学 报第25卷mance regulation at low speeds [J ].IEEE Trans.on Ind.Appl.,1998(4):813-821.[3]李红梅,李忠杰,杜世俊.SVPWM 逆变器供电异步电机动态性能仿真.电机与控制学报.2001(3):145-148.(Li H M ,Li Z J ,Du S J ,Dynamic performance simu 2lation of Asynchronous motor supplied by SVPWM in 2verter[J ].Electric Machine and Control Journal ,2001(3):145-148.)[4]李红梅,李忠杰.M TPWM 逆变器供电异步电动机动态性能的仿真研究.中小型电机,2001(4):1-4.(Li H M ,Li Z J.Dynamic performance simulation of asynchronous motor supplied by M TPWM inverter [J ].Medium 2small Electric Machines ,2001(4):1-4.)[5]Taniguchi K.A PWM strategy for reducing 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pulsation of system is stud 2ied.On the basis of summarizing common dead time compensation ,dead time compensation (PBD TC )method based on the pulse is proposed to compensate the dead time in order to weaken the torque pulsation and improve the running quality of the induction system.K ey w ords :inverter ;dead 2time ;induction motor ;torque pulsation ;dead 2time compensation(上接第31页)[18]柳百成,荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M ].北京:机械工业出版社,2000.(Liu B C ,Jing T.Simulation and quality 2controlling of foundry process [M ].Beijing :China Machine Press.2000.)[19]Kurz M ,G iovanola B ,Trivedi R.Theory of microstruc 2tural development during rapid solidification [J ].Acta Metall.1986,34(6):823-830.Development of microstructure simulation of solidif ication structureYAN G Xiu 2ying ,Li Chen 2xi ,L I Run 2xia(School of Material Science and Engineering ,Shengyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )Abstract :The paper has summarized the development of micrstructure simulation in solidification process.The developing process of deterministic ,stochastic and phase 2field method have been introduced.The devel 2opment of numerical simulation in eutectic and dendrite alloy ’s solidification structure has been discussed.Finally ,the trend for numerical simulation of solidification structure in the future has been predicted.K ey w ords :solidif ication structure ;numerical simulation ;revie w53第1期孙昌志等:逆变器死区时间对异步电机转矩脉动影响及削弱办法 。
光伏并网系统孤岛效应的研究
0前言在追求低碳社会的今天,太阳能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,光伏产业如雨后春笋般异军突起。
国内外太阳能发电并入电网的报道屡见不鲜,在光伏并网过程中,孤岛效应问题已成为影响电能质量、稳定、安全的关键。
1孤岛效应的定义与危害所谓孤岛效应[1]是指当电网因电气故障、自然因数或者误操作而发生停电中断时,各用户端的光伏发电系统没有及时检测出停电状态并脱离市电网络,而是继续保持向电网输送电能,同时与负载形成独立的公共电网无法控制的自给自足的供电孤岛。
孤岛效应不仅给整个电网带来安全隐患,同时会降低整个光伏并网发电系统的工作效率,其主要影响表现在以下几个方面[2]:1.1当维修人员对正在对系统进行检修时,孤岛现象发生,由于光伏并网系统继续保持给负载供电,因此会危害维修人员的人身安全。
1.2孤岛效应可能导致接地、相间短路等故障不能及时清除,从而导致电网设备的损害,干扰电网正常供电系统的自动或手动恢复。
1.3当孤岛系统与市电电网恢复正常时,一方面,断路器等装置会因为光伏并网发电系统与电网发生不同步而损坏,另一方面,在并网恢复瞬间,因电压相位不同产生很强的冲击电流,损坏相关设备。
1.4单相光伏并网发电系统可能会因孤岛效应的原因对三相负载进行供电,造成三相负载缺相运行,从而造成三相负载设备损害。
由上可知,当电网电气故障或者供电中断时,孤岛效应将会对整个电力系统中的各级用户和设备造成损害。
所以,在光伏并网系统中必须装设具有反孤岛保护功能的装置,目的是实时检测孤岛效应并及时将光伏并网发电系统与电网进行切断。
2孤岛效应的发生机理与条件并网光伏发电系统的功率流图如图1所示。
当电网运行正常,假设逆变器工作于单位功率因数正弦波模式下,负载采用并联RLC 电路来模拟,并假设P 、Q 为光伏系统向负载提供的有功功率、无功功率;ΔP 、ΔQ 分别代表电网向负载提供的有功功率和无功功率;P load 为负载吸收的有功功率,Q load 为负载吸收的无功功率。
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(c)
图4 基波仿真曲线
3 死区的仿真实验研究
3.1 仿真研究 一般死区的设置方法有2种：一种是提前驻t/2关
断，延迟驻t/2开通，称为双边对称设置；另一种是按 时关断，延迟驻t开通，称为单边不对称设置。这2种方
图5 死区实现电路
三相光伏并网系统具体仿真参数如下：直流母 线电压Udc=300 V、滤波电感L=10 mH、滤波电容C=0.5 滋F、工频变压器采用Y-Y接法，其变比为120/380V。 当死区时间Td、载波频率fc取不同值时逆变器输出线 电压Uab及其波频仿真结果如图6所示。
(a) Td=0 us fc=9 600 Hz
(b) Td=10 us fc=9 600 Hz
(c) Td=20 us fc=9 600 Hz
图6 波频仿真图
(d) Td=10 us fc=4 800 Hz
清洁能源 Clean Energy
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曹 雷等：光伏并网逆变器死区效应研究
中应用三角形余弦定理，可得
u2r1=驻u21+u21-2u1·驻u1 cos(仔-渍) 对公式(9)进行求解可得
（9）
姨 u1=-驻u1 cos 渍+ u2ref-驻u21 sin2渍
(10)
图3 基波电压相量图
通过以上分析，可以得到误差基波电压为
驻u1=
啄 仔2
a
dcsin(棕0t+椎-渍)
设畸变指数为m，则根据公式(5)和(11)得
ABSTRACT: In the photovoltaic inverter, a few microseconds of dead -time must be inserted in the switching signals to prevent a short circuit. The longer the dead -time is, the photovoltaic inverter works more safely. However, with the dead -time increasing, the output voltage waveform of the inverter will be distorted more severely, and the load and the grid will be impacted as well. Therefore, it is necessary to conduct an in -depth investigation on the dead -time. The current paper firstly renders a theoretical analysis on the deadtime, followed by exploring the effects of the dead-time in the inverter on the output voltage. Finally, it presents the simulation study on the dead-time effect on the grid-connected system. KEY WORDS: photovoltaic inverter; dead -time effect; fundamental voltage; carrier frequency; power factor; harmonic content
+
n
=
1
1 n仔
(B-A
)cos(n棕ct)+
邑
移n = 1
1 n仔
(D-C)sin(n棕ct)]
（8）
可见，误差电压与逆变器输出电流的极性有关，即误
差电压的极性始终与电流极性相反。
下面主要就误差电压的基波分量进行分析，图3
为基波电压的相量图，u1为实际中的基波电压，ur1为 理想基波电压，驻u1为误差基波电压。显然，实际基波 电压为理想基波电压和误差基波电压的叠加。在图
清洁能源 Clean Energy
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图1 桥式逆变器主电路
如图2(a)所示，当电流大于零时，相对于理想电 压波形，开关死区效应产生一系列误差电压脉冲。在 V1器件工作的一个周期内，开关死区效应产生了两 个误差电压脉冲，一个是宽度为To（n 开通时间）、幅 值为Ud的负脉冲，另一个是宽度为To（ff 关断时间）、幅 值为Ud的正脉冲。此时相对于理想电压波形，实际输 出电压的正向脉冲宽度增加了Toff-Ton，而实际输出 电压的反向脉冲宽度减少了Toff-Ton。同理，当电流小 于零时，可以得出相反的结论。
曹 雷，张建成
( 华北电力大学电力工程系，河北 保定 071003 ）
Research on the Dead-Time Effect in the Photovoltaic Inverter
CAO Lei, ZHANG Jian-cheng
（Dept. of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China）
整个系统的性能，但其累积效应足以使逆变器的输
电电压波形发生畸变。在高载波频率的SPWM逆变 器中，这种畸变是不容忽视的。为便于对死区效应作
定量分析，现假定如下：忽略开关器件的反向存储时
间；系统有足够大的载波比；误差电压脉冲呈等间距
分布；忽略脉冲重叠现象；逆变器输出电流波形接近
正弦。基于上述假设条件就可以采用正负半周误差
(a) 开关死区
(b) 控制死区 图2 死区效应示意图
一般情况下，Toff-Ton的值很小，而Td较大。因此， 与控制死区效应相比开关死区效应的影响非常小， 在分析、计算中往往忽略开关死区效应，只考虑控制 死区效应。通常所说的死区一般就是指控制死区[10]。
2 死区对输出电压的影响
尽管死区造成的单个误差电压脉冲不足以影响
综上，死区时间对基波电压的影响可概括如下：
即功率因数角渍越小，载波频率fc和死区时间Td越大， 死区对基波电压的影响就越大。
(a) (b)
第 26 卷 第 9 期
清洁能源 Clean Energy
电网与清洁能源
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法的实现方式不同，但总的延迟时间是一样的。本文 采用双边对称设置方式，对三相光伏并网系统进行 了仿真，具体实现电路如下图5所示[13-14]。
清洁能源 Clean Energy
第 26 卷 第 9 期 2010 年 9 月
文章编号：1674-3814（2010）09-0048-06
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM615
Vol.26 No.9 Sept. 2010
文献标志码：A
光伏并网逆变器死区效应研究
降越大，死区效应越严重。
图4(b)中，曲线为u1/ur1在fc=10 kHz、渍=60毅时随死 区时间Td的变化规律。死区时间越大，基波电压下降 越大，死区效应越严重。
图4(c)中，曲线为u1/ur1在fc=10 kHz，Td=10 滋s时 随功率因数角渍的变化规律。功率因数角越小，基波 电压下降越大，死区效应越严重。
（4） （5）
兹=-
仔 2
[asin(棕0t+椎)-1]
（6）
则误差电压驻up可表示为
邑
移 驻up=-Udc
[
啄 2仔
+
n=1
1 n仔
(A
+B)cos(n棕ct)+
邑
移n = 1
1 n仔
(C+D)sin(n棕ct)]
其中：
（7）
嗓 瑟 A= 蓘 1-cos(n啄) 蓡 sin
-
n仔 2
[a
sin(棕0t+椎)-1]
摘要院在并网逆变器中，为防止同一桥臂上的上下两个器件 发生直通现象，必须注入微秒级的死区时间。死区时间越长， 并网逆变器的工作越安全，但逆变器输出的电压波形质量会 变差，同时对负载及电网造成不同程度的影响。因此有必要 对死区效应进行深入研究。本文对死区效应进行了理论分 析，研究了并网逆变器中死区时间对输出电压的影响，最后 对并网系统的死区效应进行了仿真实验研究。 关键词院并网逆变器；死区效应；基波电压；载波频率；功率因 数；谐波含量
嗓 瑟 B=sin(n啄)
cos
-
n仔 2
[a
sin(棕0t+椎)-1]
嗓 瑟 C=-sin(n啄)
sin
-
n仔 2
[a
sin(棕0t+椎)-1]
嗓 瑟 D=[sin(n啄)]
cos
-
n仔 2
[a
sin(棕0t+椎)-1]
。
同理，当逆变器输出电流处于负半周时，误差电
压为驻un
邑
移 驻un=Udc
[
啄 2仔
1 n仔
{sin(n啄)sin(n兹)+cos(n啄)cos(n兹)}
而载波电压uc和理想输出电压ur为
1+ 扇设
设 设 设 设
2 仔
棕ct,-仔臆棕ct约0
Uc=
设 缮设 设
设 设1-
设 墒设
2 仔
棕ct,0臆棕ct约仔
ur =asin(棕0t+椎)
式中，棕0为理想输出电压角频率。
由公式（4）和（5）可以解得
如图2(b)所示，当电流大于零时，相对于理想电 压波形，控制死区效应产生一系列误差电压脉冲。在 V1器件工作的一个周期内，控制死区效应产生了一个 是宽度为Td（控制死区时间）、幅值为Ud的负脉。此时 相对于理想电压波形，实际输出电压的正向脉冲宽 度减少了Td，而实际输出电压的反向脉冲宽度增加了 Td。同理，当电流小于零时，可以得出相反的结论。