一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统及其控制方法

摘要

本发明提供一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统及其控制方法，包括能量回馈单元、负荷特性模拟单元、控制模块和控制平台；所述能量回馈单元的交流端接入交流电网，所述能量回馈单元的直流端与负荷特性模拟单元共直流母线，所述负荷特性模拟单元的交流端与并网逆变器连接后接入交流电网；所述控制模块接收控制平台的指令发送给所述能量回馈单元和负荷特性模拟单元；所述能量回馈单元根据控制平台的指令对电网电压进行脉冲宽度调制整流；所述负荷特性模拟单元根据控制平台的指令进行工作模式的选择。本发明提供的技术方案中能量从EUT到负荷特性模拟单元，再由能量回馈单元馈入电网，省去以前RLC防孤岛负载装置中的能耗电阻，节约大量电能，绿色环保。

说明书

技术领域

本发明属于变流控制技术领域，具体涉及一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统及其控制方法。

背景技术

智能电网、含可再生能源的分布式发电技术的近十年来得到了快速发展和普及，由于并网系统直接将可再生能源发出的电能逆变后馈送到电网，因此在工作时必须满足并网的技术要求以确保系统安装者的安全以及电网的可靠运行。对于通常系统工作时可能出现的功率器件过流、功率器件过热、电网过/欠压等故障状态，比较容易通过硬件电路与软件配合进行检测、识别并处理。但对于可再生并网系统来说，还应考虑一种特殊故障状态下的应对方案，即孤岛效应的防止。

根据国际能源机构(IEA)提供的报告：孤岛现象是指用于分布式发电系统连接的电网，由于电网部分电路发生故障或电力工作人员维修而停电时，安装在各个用户端的并网发电系统没有能够及时检测出电网的断开而停止运行，却继续独自向本地负载供电的现象，从而产生如图1所示的不受控制和自给供电的孤立发电系统。

对孤岛效应的研究可以分为两种情况即反孤岛效应和利用孤岛效应。反孤岛效应(可简称为反孤岛)是指禁止非计划孤岛效应的发生，由于这种供电状态是未知的，将造成一系列的不利影响，并且随着电网中分布式发电装置数量的增多，其造成危险的可能性增大，而传统的过/欠压、过/欠频保护已经不再满足安全供电的要求，因此UL1741、IEEEStd.929中规定，发电装置必须采用反孤岛方案来禁止非计划孤岛效应的发生。利用孤岛效应是指按预先配置的控制策略，有计划地发生孤岛效应，具体是指在因电网故障或维修而造成供电中断时，由分布式发电装置继续向周围负载供电，从而减少因停电而带来的损失，提高供电质量和可靠性的情况，因此尽管IEEE Std.1547.1明确规定了反孤岛测试电路和测试方法，但是同时也提出孤岛效应的利用将作为其未来要考虑的主要任务之一，然而必须要求系统中的分布式发电装置能够将电压和频率维持在标准规定的范围内。

防孤岛检测是并网逆变器出厂试验一定要检测的功能，光伏电站的验收也将防孤岛试验列为必测的检测项目。目前防孤岛试验的装置是RLC负载，这对RLC负载的电阻元器件选型要求非常高，为避免长时间测试时电阻R发热引起的阻值热漂移，市场上的产品在每一支路都采用正漂移与负漂移的元器件，以抵消热漂移引起的阻抗变化。另外，电阻R上的寄生电感会导致谐振频率偏差，会影响孤岛测试结果，市场上的产品须采用寄生量补偿功能以避免寄生量过大导致被测设备(EUT)的过欠频保护，而非孤岛保护。而且，RLC负载器件值的配置均为大量元器件通过接触器组合实现，属于有级切换，精度与可靠性差。

因此，需要提供一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统及其控制方法来解决上述不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统及其控制方法，以解决目前防孤岛试验装置的元器件选型要求高、寄生量影响大、精度与可靠性差等问题，可方便灵活地实现各种负载特性模拟，以适应并网逆变器防孤岛检测要求。

一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统，包括：能量回馈单元、负荷特性模拟单元、控制模块和控制平台；

所述能量回馈单元的交流端接入交流电网，所述能量回馈单元的直流端与所述负荷特性模拟单元共直流母线，所述负荷特性模拟单元的交流端与并网逆变器连接后接入交流电网；所述控制模块接收控制平台的指令发送给所述能量回馈单元和负荷特性模拟单元；

所述能量回馈单元根据控制平台的指令对电网电压进行脉冲宽度调制整流；

所述负荷特性模拟单元根据控制平台的指令进行工作模式的选择。

进一步的，所述控制模块包括能量回馈控制单元和负荷特性模拟控制单元；

所述能量回馈控制单元采用直流电压外环、逆变电流内环的双闭环控制；

所述负荷特性模拟控制单元采用单电流闭环控制。

进一步的，所述能量回馈控制单元包括：第一比较器、第一PI控制器、第二比较器和第一电流重复控制器；控制平台的指令和直流母线上电容电压分别连接第一比较器的输入端，第一比较器的输出端连接第一PI控制器的输入端，第一PI控制器的输出端输出的并网电流指令和能量回馈单元的输出电流分别连接第二比较器的输入端，第二比较器的输出端连接第一电流重复控制器的输入端，第一电流重复控制器的输出端输出能量回馈单元中变流器的电压调制波。

进一步的，所述负荷特性模拟控制单元包括：第三比较器、第二PI控制器、第四比较器和第二电流重复控制器；控制平台的指令和直流母线上电容电压分别连接第三比较器的输入端，第三比较器的输出端连接第二PI控制器的输入端，第二PI控制器的输出端和控制平台的指令分别连接限幅器的输入端，限幅器的输出端输出的限幅后的电流指令和负荷特性模拟单元的输出电流分别连接第四比较器的输入端，第四比较器的输出端连接第二电流重复控制器的输入端，第二电流重复控制器的输出端输出负荷特性模拟单元中变流器的电压调制波。

进一步的，所述能量回馈单元包括第一电容器C1、第一电抗器L1和第一三相变流器；

所述第一电容器C1与第一电抗器L1形成LC滤波器；所述第一电抗器L1的另一端与所述第一三相变流器的三相桥臂；所述第一三相变流器与所述负载特性模拟单元的直流端相连。

进一步的，所述第一电容器C1和第一电抗器L1的数量均为3。

进一步的，所述负荷特性模拟单元包括第二电容器C2、第二电抗器L2和第二三相变流器；

所述第二电容器C2与第二电抗器L2形成LC滤波器；所述第二电抗器L2的另一端与所述第二三相变流器的三相桥臂；所述第二三相变流器与所述能量回馈单元的直流端相连。

进一步的，所述第二电容器C2和第二电抗器L2的数量均为3。

进一步的，所述负荷特性模拟单元的工作模式包括：阻性负荷特性模拟模式、容性负荷特性模拟模式、感性负荷特性模拟模式、阻容性负荷特性模拟模式、阻感性负荷特性模拟模式。

一种用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统的控制方法，包括：

控制模块接收控制平台下发的指令，并传递给能量回馈单元和负荷特性模拟单元；

所述能量回馈单元根据所述指令与直流母线电容电压进行比较对电网电压进行脉冲宽度调制整流；

所述负荷特性模拟单元根据所述指令与所述直流母线电容电压比较后进行工作模式的选择，为并网逆变器的防孤岛检测提供条件。

进一步的，所述控制模块包括能量回馈控制单元和负荷特性模拟控制单元；

所述能量回馈控制单元采用直流电压外环、逆变电流内环的双闭环控制；

所述负荷特性模拟控制单元采用单电流闭环控制。

进一步的，所述能量回馈单元根据所述指令与直流母线电容电压进行比较对电网电压进行脉冲宽度调制整流包括：

所述能量回馈单元接收的指令与直流母线上电容电压均发送至所述能量回馈控制单元的第一比较器进行比较，其差值经过所述能量回馈控制单元的第一PI控制器输出并网电流指令；

所述能量回馈单元的输出电流与所述并网电流指令均发送至所述能量回馈控制单元的第二比较器进行比较，其差值经过所述能量回馈控制单元的第一电流重复控制器输出能量回馈单元中变流器的电压调制波，对电网电压进行脉冲宽度调制整流。

进一步的，所述负荷特性模拟单元根据所述指令与所述直流母线电容电压比较后进行工作模式的选择包括：

所述负荷特性模拟单元接收的指令与直流母线上电容电压均发送至所述负荷特性模拟控制单元的第三比较器进行比较，其差值经过所述负荷特性模拟控制单元的第二PI控制器输出，输出值对控制平台的指令进行限幅；

所述负荷特性模拟单元的输出电流与所述限幅后得到的电流指令均发送至所述负荷特性模拟控制单元的第四比较器进行比较，其差值经过所述负荷特性模拟控制单元的第二电流重复控制器输出负荷特性模拟单元中变流器的电压调制波，用于所述负荷特性模拟单元进行工作模式的选择。

进一步的，所述负荷特性模拟单元进行工作模式的选择包括：

负荷特性模拟单元根据所述电流指令计算得到等效的R、L、C并联的导纳角；

所述负荷特性模拟单元根据所述导纳角进行工作模式的选择。

进一步的，所述负荷特性模拟单元根据所述导纳角进行工作模式的选择包括：

当φ_Y＝0°时，负荷特性模拟单元的工作模式为阻性负荷特性模拟模式，负荷特性模拟单元等效为纯阻性负载；

当φ_Y＝90°时，负荷特性模拟单元的工作模式为容性负荷特性模拟模式，负荷特性模拟单元等效为纯容性负载；

当φ_Y＝-90°时，负荷特性模拟单元的工作模式为感性负荷特性模拟模式，负荷特性模拟单元等效为纯感性负载；

当0°＜φ_Y＜90°时，负荷特性模拟单元的工作模式为阻容性负荷特性模拟模式，负荷特性模拟单元等效为阻容性负载；

当-90°＜φ_Y＜0°时，负荷特性模拟单元的工作模式为阻感性负荷特性模拟模式，负荷特性模拟单元等效为阻感性负载；

其中，φ_Y为用于防孤岛检测的RLC负载模拟系统等效的R、L、C并联的导纳角。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案能量从EUT到负荷特性模拟单元，再由能量回馈单元馈入电网，省去以前RLC防孤岛负载装置中的能耗电阻，节约大量电能，绿色环保。

本发明提供的技术方案基于三相VSR拓扑，采用灵活的电流控制技术，模拟RLC负荷特性，解决了以前RLC防孤岛负载装置中电阻R寄生电感过大导致谐振频率偏差的问题，以及长时间测试时电阻R发热引起阻值热漂移的问题。

本发明提供的技术方案解决了以前RLC防孤岛负载装置中依靠接触器切换获得R、L、C值的有级变化问题，实现负载功率高精度无级调节，能够更好地满足并网逆变器的防孤岛特性测试研究的需要。

附图说明

图1为分布式发电系统孤岛运行示意图；

图2为并网逆变器防孤岛检测方案；

图3为防孤岛RLC负载模拟器拓扑；

图4为能量回馈控制单元的控制框图；

图5为负荷特性模拟控制单元的控制框图；

图6为本发明实施例中负载特性模拟单元电流参考指令获取原理图；

图7为防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

并网逆变器防孤岛检测方案如图2，并网逆变器是被测装置(EUT)，EUT在节点U,V,W处并入电网，防孤岛RLC负载也连接在U,V,W点，电网电压源A,B,C可以通过空气开关K1与U,V,W点脱离。首先，空气开关K1闭合，EUT和电网同时给负载供电；然后调节防孤岛RLC负载模拟器的功率P_ld、Q_ld，使EUT的输出功率P_o、Q_o分别与P_ld、Q_ld相等，断开空气开关K1，将EUT与电网脱离，用录波仪测试EUT的防孤岛保护时间。

图2中防孤岛RLC负载模拟器的拓扑如图3所示，与电网侧相连的三相电压型PWM整流器(VSR)称为能量回馈单元；与被测设备(EUT)相连的三相电压型PWM变流器(VSR)称为负荷特性模拟单元。能量回馈单元与负荷特性模拟单元共直流母线。

1.能量回馈单元

本实施例中能量回馈单元包括三相VSR变流器及其控制器。

(1)三相VSR变流器

本实施例中能量回馈单元主电路采用三相VSR拓扑，如图3所示，隔离变压器的原边绕组接电网，隔离变压器的副边绕组接第一电容器C1，第一电容器C1与第一电抗器L1形成LC滤波器，第一电抗器L1接入三相逆变桥的三相桥臂。第一变压器和第一电容器的数量均为3。三相VSR变流器的直流端与负载特性模拟单元的直流母线连接，向其提供直流电源。

本实施例中逆变桥模块中的功率开关器件采用IGBT，满足其高压、大功率的要求。

(2)能量回馈单元控制器

能量回馈单元控制器根据直流母线电压指令对电网电压进行PWM整流。能量回馈单元主要起到稳定直流母线电压和控制并网功率因数的作用，保证输出稳定直流电压作为后级输入。如图4所示，能量回馈单元控制器采用直流电压外环、逆变电流内环的双闭环控制，其中电流内环采用重复控制策略改善稳态性能，提高并网电流的波形质量，以满足并网控制的性能要求。直流母线电压指令u_dc1^*，与直流母线电容上的电压u_dc进行比较，其差值经过电压PI控制器输出并网电流指令i₁^*，该电流指令与输出电流i₁进行比较，其差值经过电流重复控制器(RP)输出，输出VSR变流器的电压调制波。

2、负载特性模拟单元

本实施例中负载特性模拟单元包括三相VSR变流器及其控制部分。

(1)三相VSR变流器

三相VSR变流器的直流端接入能量回馈单元三相VSR变流器的直流端；逆变桥的输出端经第二电抗器L2后接入第二电容器C2；第二电抗器与第二电容器形成第二LC滤波器。第二电抗器和第二电容器的数量均为3。

本实施例中逆变桥模块中的功率开关器件采用IGBT，满足其高压、大功率的要求。

(2)负载特性模拟单元控制器

该负载特性模拟单元控制器与控制平台通信，接收控制平台下发的电流指令，依据该电流指令对第二电抗器上的电流进行反馈控制，工作于负荷特性模拟模式。负荷特性模拟单元主要起到模拟RLC负荷的作用，为EUT提供必要的测试条件。

如图5所示，负载特性模拟单元控制器采用单电流闭环控制，为避免能量回馈单元突然停止(断开、或故障停机、或损坏)时直流母线电压不受控制，电容电压被充电导致直流母线过压，负荷特性模拟单元控制结构中增加一个直流电压保护环，参与直流母线电压的自适应控制，避免直流母线过压。设定直流母线电压指令u_dc2^*，与直流母线电容上的电压u_dc进行比较，其差值经过电压PI控制器输出，用于对接收到的电流指令i_ref进行限幅，得到限幅后的交流电流指令i₂^*，该电流指令与输出电流i₂进行比较，其差值经过电流重复控制器输出调制波。

3、控制平台

控制平台是一个上位机，该上位机可以实现人机交互功能。通过在上位机中设定检测装置需要模拟的阻性、容性、感性、阻容性、阻感性负荷特性，向控制器下发相应的电流幅值和相位指令。

4、负载特性模拟单元的工作模式

本实施例中该工作模式包括阻性、容性、感性、阻容性、阻感性负荷特性模拟模式。

如图2所示，防孤岛RLC电子模拟器可等效为R、L、C并联，其导纳Y为：

导纳角为：

LC并联谐振的角频率为：

通过设置不同的导纳角，可以获得不同的负荷特性。

设电网角频率为ω，三相电网电压的瞬时值为：

u_A＝U_m>

在上位机控制平台中设置R、L、C值，根据图6负载特性模拟单元电流参考指令获取原理图，计算负载特性模拟单元控制器中的电流参考指令值：

i_refU＝u_AY＝u_A|Y|∠φ_Y

i_refV＝u_BY＝u_B|Y|∠φ_Y

i_refW＝u_CY＝u_C|Y|∠φ_Y

其中，|Y|是导纳Y的模。

(1)阻性负荷特性模拟模式

当φ_Y＝0°时，即LC并联谐振的角频率ω_r等于电网角频率为ω时，负载特性模拟单元可等效为纯阻性负载R，此时防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量如图7(a)所示。

(2)容性负荷特性模拟模式

当φ_Y＝90°时，负载特性模拟单元可等效为纯容性负载C，此时防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量如图7(b)所示。

(3)感性负荷特性模拟模式

当φ_Y＝-90°时，负载特性模拟单元可等效为纯感性负载L，此时防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量如图7(c)所示。

(4)阻容性负荷特性模拟模式

当0°＜φ_Y＜90°时，负载特性模拟单元可等效为阻容性负载，此时防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量如图7(d)所示。

(5)阻感负荷特性模拟模式

当-90°＜φ_Y＜0°时，负载特性模拟单元可等效为阻感性负载，此时防孤岛RLC电子模拟器的交流电压和交流电流矢量如图7(e)所示。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。