CN103616574B - 一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统及检测方法，包括可编程直流电源、可编程交流电源、被测逆变器、自动控制开关柜、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪及其电压、电流探头、高精度功率分析仪及其电压、电流探头及控制台。该系统除能够完成并网逆变器的并网防孤岛效应检测外，还可实现对并网逆变器的逆变效率检测、并网电流谐波检测、过欠压实验、过欠频实验等性能检测，为全面评估逆变器的性能提供实验检测数据。该系统上述的各项性能的检测方法根据ICE-62116-2008以及CGC/GF004：2011《并网光伏发电专用逆变器技术条件》中的实验方法的要求，在上位机上编制自动测试程序，系统根据实验流程自动执行检测，自动导出实验报告。
Description
技术领域
本发明一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统及检测方法。
背景技术
新能源的并网设备都应该具有防孤岛保护功能，孤岛指的是：当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，各个接入点的新能源发电系统未能及时检测出停电状态将自身脱离市电电网，则新能源发电系统和负载形成一个公共电网系统无法控制的自给供电孤岛。一旦孤岛产生以后，将可能对配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：
(1)电力公司输电线路维修人员的安全危害；
(2)影响配电系统上的保护开关动作程序；
(3)电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象；
(4)当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题；
(5)对逆变器并网电能的计量产生影响。
由于并网逆变器并网时候孤岛现场的存在，对于并网点具有防孤岛保护功能是必须的技术条件，防孤岛的方式分为：主动孤岛和被动孤岛,由于每个逆变器生产厂家走的技术路线不同，所以并网逆变器在安装之前都要进行孤岛实验，测试该逆变器的防孤岛保护性能，是以很多机构都在展开并网逆变器的防孤岛保护实验和检测技术的研究。
传统的并网逆变器防孤岛实验过程，先通过手工记录数据，再通过计算得出结果，检测一套并网逆变器需要几天的时间。由于过程比较复杂，检测过程需要专业的技术工程师在现场指导和计算分析，才能得出有效准确的结果。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统及其检测方法，该系统的各个设备通过上位机控制台控制，能够根据预先设置实验条件，自动执行孤岛实验检测，并自动导出实验报告，有效解决测试耗时，及测试结果人为分析的问题。并网逆变器防孤岛的检测方法参考标准：ICE-62116-2008《并网连接式光伏逆变器孤岛防护措施测试方法》以及CGC/GF004：2011《并网光伏发电专用逆变器技术条件》中的实验要求。
本发明采用以下技术方案达到上述目的：一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，包括可编程直流电源、可编程交流电源、被测逆变器、自动控制开关柜、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪高精度功率分析仪以及上位机控制台，具体连接方式是：
所述可编程直流电源的输出端与被测逆变器直流输入端连接，可编程交流电源的输出端通过开关S4与开关S2与被测逆变器输出端相连，电网通过开关S3和开关S2与被测逆变器的输出端，防孤岛实验检测装置通过开关S1与逆变器输出端相连，防孤岛参数测试仪的两对电压、电流探头分别安装在被测逆变器的输出端及开关S2与开关S3之间，高精度功率分析仪的两对电压、电流探头安装在被测逆变器的输入、输出端，上位机控制台的通讯端口与可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛参数测试仪、防孤岛试验检测装置以及高精度功率分析仪的通讯端口相连接。
所述可编程直流电源采用工频隔离变压器、SCR器件及三相全桥12脉冲整流器，输出功率：0-150KVA，电压范围：100-800V，电流0-187A，输出参数可编程。
所述可编程交流电源采用IGBT/PWM脉宽调制方式控制及数字DDS频率合成技术，输出电压范围：单相0-300V，电流范围：0-139A，输出参数可编程。
所述被测逆变器为普通并网型逆变器。
所述自动控制开关柜由开关S1、S2、S3、S4四个自动控制开关组成，其中开关S2为自动断网开关，由防孤岛参数测试仪控制。
所述防孤岛实验检测装置由独立的电阻R、电感L、电容C组成负载回路，三套电能参数测试模块组成RLC参数测量回路，CPU计算并给出指令驱动继电器控制板来控制RLC的加载实现负载的投切。电感电容回路带有寄生量自动补偿功能，阻性功率为：0-68.33KW可调，感性功率为0-68.33Kva可调，容性功率为0-68.33Kva可调，调整步幅为1W，电流：0-100A,加载可以编程，并根据给定值自动加载，防孤岛检测装置用于模拟电网感性负载、容性负载、阻性负载，实现谐振负载电路模拟，同时定义了品质因素Qf来表示LC回路的谐振深度，在并联RLC谐振电路中，负载品质因数Qf为：
式中：PqL－电感L消耗的无功；
PqC－电容C消耗的无功；
P－电阻R消耗的有功。
谐振情况下，PqC=PqL；
令PqC=Pq，由此，得到：Qf=Pq/P。
所述防孤岛参数测试仪包括电能参数测试模块、多通道示波器以及控制板，用电能参数来测试逆变器的并网有功、无功，在谐振状态下测试逆变器的并网无功和基频电流来判断逆变器是否在孤岛状态，多通道示波器测试逆变器的并网电流和输出电流，当电网断开，并网电流为零，此时为逆变器孤岛运行，当测试到逆变器输出电流为零时，逆变器保护，两个电流为零点的时间差即为逆变器防孤岛保护时间，测试电压范围：0-300V，电流范围：0-200A，功率范围：0-100kw，用于测试逆变器的孤岛保护参数以及为自动测试提供控制数据。
所述高精度功率分析仪采用四通道独立的功率分析仪，并配备四套高精度电流传感器，电压检测范围：0-1000V电流检测范围：0-300A，精度0.05%，可以检测电压、电流、有功、无功、0-40次谐波、效率、电量等参数，用于测量逆变器的输入、输出特性。
所述上位机控制台控制可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛实验检测装置、防孤岛测试测试仪、高精度功率分析仪设备，并根据实验要求自动编制实验流程，实现自动测试和自动导出测试报告。
所述上位机控制台是装有WINDOWS操作系统且具备无线网卡的便携式电脑。
一种适用于所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统的检测方法，包括如下步骤：
（1）启动系统，闭合对应的开关，打开上位机控制台连接各个设备；
（2）根据需要测试的条件，设定可编程直流电源的输出、闭合并网开关S2，使被测逆变器按预定的参数运行；
（3）上位机控制台读取高精度功率分析仪上的被测逆变器并网的有功、无功值，并根据品质因数自动计算孤岛状态需要加载的防孤岛实验检测装置的参数，控制防孤岛实验检测装置自动加载；
（4）防孤岛检测装置加载完成，使用防孤岛参数测试仪测试被测逆变器并网端的无功和基频电流，当被测逆变器并网的无功趋于零、基频电流小于被测逆变器输出电流的1%时，提示被测逆变器工作在孤岛状态；
（5）被测逆变器工作在孤岛状态时，由防孤岛参数测试仪控制断开开关S2，并同时记录被测逆变器输出端的电流波形和被测逆变器并网端的电流波形，逆变器保护即完成实验；
（6）实验完成后，防孤岛参数测试仪根据被测逆变器输出端的电流波形和被测并网端的电流波形自动计算被测逆变器并网开关断开时间和被测逆变器保护停止输出时间，自动导出波形及数据，作为本次测试的实验报告。
本发明的突出优点在于：
（1）系统通过上位机控制台实现对系统内可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪、高精度功率分析仪、开关柜自动控制，实现实验检测过程自动控制。
（2）实验检测过程可以根据实际条件，预先编制实验检测流程、过程自动进行，自动测试并自动导出测试报告。
（3）实验过程都是由上位机控制台来判断，自动实现安全保护，测试可以不需要专业人员在场指导即可自动进行。
（4）系统通过编制不同的流程，满足多种型号逆变器的测试。
（5）实验检测过程自动进行，效率高，节省实验时间。
（6）自动导出报告，省去人为计算实验结果，编辑实验报告的工作。
（7）上位机控制台通过改变RLC的加载偏差，可以读出被测逆变器防孤岛不同的保护时间，用来测试被测逆变器防孤岛保护是否有盲区。通过改变防孤岛检测装置LC的谐振深度测试出被测逆变器的防孤岛保护时间，来评估被测逆变器的防孤岛保护能力，即孤岛保护对电网的适用性。
（8）防孤岛实验检测装置为高精度的RLC负载，可以应用在逆变器的并网电量计量上，RLC可以改变加载的功率因数，模拟不同的电能质量，来考量在不同的电能质量情况下，并网电能表的计量精度是否发生改变。同时可以模拟冲击负载对电能计量的影响，研究宽范围的负载变化情况下，电能表的计量精度。
（9）能够实现并网逆变器的防孤岛实验和检测技术研究；对并网逆变器的并网电能的计量进行研究；可以和充电机检测平台配合进行双向电能表的计量研究，还可以扩展到逆变器整体性能的检测和鉴定。
附图说明
图1为本发明所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统的结构示意图。
图2为本发明所述的并网逆变器防孤岛检测测试流程图。
图3为本发明所述的并网逆变器防孤岛保护时间图。
图中标记为:
1可编程直流电源，2电流探头，3被测逆变器，4电压探头，5防孤岛参数测试仪，6电网配电柜，7可编程交流电源，8防孤岛试验检测装置，9上位机控制台,10高精度功率分析仪。
开关说明：S1为防孤岛试验检测装置和被测逆变器输出端的连接开关，S2为逆变器并网开关，S3为接入电网市电开关，S4为接入可编程交流电源输出端开关，S3和S4互锁，不能同时开启。
具体实施方式
如图1所示,本发明所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统,包括可编程直流电源、可编程交流电源、被测逆变器、自动控制开关柜、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪及其电压、电流探头、高精度功率分析仪及其电压、电流探头、上位机控制台，具体连接方式如下：
（1）可编程直流电源的输出与被测逆变器直流输入端连接。
（2）可编程交流电源的输出通过开关S4和S2与被测逆变器输出端连接。
（3）电网通过开关S3和开关S2与被测逆变器输出端连接。
（4）防孤岛实验检测装置通过开关S1与被测逆变器输出端连接。
（5）防孤岛参数测试仪的两对电压、电流探头分别安装在被测逆变器的输出端及开关S2与S3之间。
（6）高精度功率分析仪的两对电压、电流探头安装在被测逆变器的输入、输出端。
（7）上位机控制台的通讯端口与可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛参数测试仪、防孤岛试验检测装置以及高精度功率分析仪的通讯端口相连接。
如图2所示，电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统的检测方法，包括如下步骤：
1、按图1连接好检测系统，启动检测系统，让系统自检，检查各个设备是否正常，如有报警检查报警项，并处理。说明：被测逆变器并网点可以是可编程交流电源输出端也可以是电网，通过开关S3和开关S4选择，由于电网从被测逆变器吸收有功功率和无功功率的不确定性，该项试验使用实际电网比模拟电网更具有说服力。
2、根据被测逆变器的参数以及要检测的项目，设定参数，编制试验检测流程。
3、根据以下表格选择防孤岛效应保护的试验条件。
4、闭合开关S2、开关S3启动被测逆变器。通过调节可编程直流电源输出，使被测逆变器的输出有功功率PEUT等于测试条件的交流输出功率，并测量被测逆变器输出的无功功率QEUT
5、通过上位机控制台读取高精度功率分析仪上被测逆变器的输出有功功率PEUT和无功功率QEUT，并自动预置给防孤岛实验检测装置。
6、防孤岛实验检测装置根据被测逆变器的输出有功功率PEUT、无功功率QEUT、品质因素Qf=1.0±0.05计算需要加载的RLC量，感性无功满足关系式：QL=Qf*PEUT=1.0*PEUT，容性无功满足关系式：QC+QL=-QEUT阻性有功满足关系式：P=PEUT。
7、启动防孤岛实验检测装置加载，加载顺序为先加载感性无功QL，再加载容性无功QC，最后加载阻性有功P，防孤岛实验检测装置在加载感性无功QL和容性无功QC时自动进行电感和电容的寄生量补偿，寄生量为电感、电容回路中的有功。
8、防孤岛实验检测装置加载完成后，防孤岛参数测试仪自动测试被测逆变器并网端无功和基频电流，并判断基频电流是否小于稳态时被测逆变器额定输出电流的1%，如果不满足，则控制防孤岛实验检测装置进行微调，直到满足条件并提示达到孤岛条件。
9、防孤岛参数测试仪控制开关S2断开，同时记录被测逆变器输出端电流和被测逆变器并网端电流，断开并网开关时间和逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的1%以下的时间差为本次试验检测的被测逆变器孤岛保护时间。
10、防孤岛参数测试仪自动记录两个电流波形和逆变器的工作状态参数，自动保存，并可以到处测试报告，本次实验完成。
11、当开关S2断开，如被测逆变器不具有主动防孤岛保护功能，此时应该继续运行，具有主动防孤岛保护功能，应能在2秒内自动跳出孤岛，实现防孤岛的保护，由于主动孤岛保护的策略每个厂家不一样，防孤岛的保护时间也是不一样的。
12、由于主动孤岛保护都是用被测逆变器输出的无功扰动来实现防孤岛保护，其扰动有大小的方向，是以防孤岛保护实验需要在以下表格实验调节内进行31次测试，以检测孤岛扰动的幅度和是否存在盲区，表格如下：
| 序号 | 逆变器输出功 | 加载的无功 | 加载的有功偏 | 加载的无功偏5 --> |
| 1 | 100% | 100% | 0 | 0 |
| 2 | 100% | 100% | -5 | -5 |
| 3 | 100% | 100% | -5 | 0 |
| 4 | 100% | 100% | -5 | 5 |
| 5 | 100% | 100% | 0 | -5 |
| 6 | 100% | 100% | 0 | 5 |
| 7 | 100% | 100% | 5 | -5 |
| 8 | 100% | 100% | 5 | 0 |
| 9 | 100% | 100% | 5 | 5 |
| 11 | 66% | 66% | 0 | -5 |
| 12 | 66% | 66% | 0 | -4 |
| 13 | 66% | 66% | 0 | -3 |
| 14 | 66% | 66% | 0 | -2 |
| 15 | 66% | 66% | 0 | -1 |
| 16 | 66% | 66% | 0 | 1 |
| 17 | 66% | 66% | 0 | 2 |
| 18 | 66% | 66% | 0 | 3 |
| 19 | 66% | 66% | 0 | 4 |
| 20 | 66% | 66% | 0 | 5 |
| 21 | 33% | 33% | 0 | 0 |
| 22 | 33% | 33% | 0 | -5 |
| 23 | 33% | 33% | 0 | -4 |
| 24 | 33% | 33% | 0 | -3 |
| 25 | 33% | 33% | 0 | -2 |
| 26 | 33% | 33% | 0 | -1 |
| 27 | 33% | 33% | 0 | 1 |
| 28 | 33% | 33% | 0 | 2 |
| 29 | 33% | 33% | 0 | 3 |
| 30 | 33% | 33% | 0 | 4 |
| 31 | 33% | 33% | 0 | 5 |
13、依据以上条件，逐条测试，把每次测试结果都记录下来，即为逆变器防孤岛实验检测的结果。
如图3所示，被测逆变器孤岛保护时间具体如下：
（1）X轴为两个电流的波形振幅，Y轴为时间
（2）波形1为逆变器的输出电流、波形2为逆变器的并网电流。
（3）当电网断开逆变器的并网电流为0，如图3中的电网断开点
（4）当逆变器保护是，逆变器输出电流为0，如图3中的逆变器保护点
（5）电网断开点和逆变器保护点的时间差为逆变器的保护时间，图3中的保护时间为：250ms-90ms=160ms。
Claims (8)
1.一种电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，包括可编程直流电源、可编程交流电源、被测逆变器、自动控制开关柜、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪、高精度功率分析仪以及上位机控制台，具体连接方式是：
所述可编程直流电源的输出端与被测逆变器直流输入端连接，可编程交流电源的输出端通过开关S4与开关S2与被测逆变器输出端相连，电网通过开关S3和开关S2与被测逆变器的输出端相连，防孤岛实验检测装置通过开关S1与被测逆变器输出端相连，防孤岛参数测试仪的两对电压及电流探头分别安装在被测逆变器的输出端及开关S2与开关S3之间，高精度功率分析仪的两对电压及电流探头安装在被测逆变器的输入和输出端，上位机控制台的通讯端口与可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛参数测试仪、防孤岛实验检测装置以及高精度功率分析仪的通讯端口相连接，
所述防孤岛实验检测装置由独立的电阻R、电感L及电容C组成负载回路，三套电能参数测试模块组成RLC参数测量回路，CPU计算并给出指令驱动继电器控制板来控制RLC的加载实现负载的投切，电感电容回路带有寄生量自动补偿功能，阻性功率为：0-68.33KW可调，感性功率为0-68.33Kva可调，容性功率为0-68.33Kva可调，调整步幅为1W，电流：0-100A,加载可以编程，并根据给定值自动加载，防孤岛实验检测装置用于模拟电网感性负载、容性负载及阻性负载，实现谐振负载电路模拟，同时定义了品质因素Qf来表示LC回路的谐振深度，在并联RLC谐振电路中，品质因数Qf为：
式中：PqL－电感L消耗的无功；
PqC－电容C消耗的无功；
P－电阻R消耗的有功；
谐振情况下，PqC＝PqL；
令PqC＝Pq，由此，得到：Qf＝Pq/P，
所述防孤岛参数测试仪包括电能参数测试模块、多通道示波器以及控制板，用电能参数测试模块来测试逆变器的并网有功或无功，在谐振状态下测试逆变器的并网无功和基频电流来判断逆变器是否在孤岛状态，多通道示波器测试逆变器的并网电流和输出电流，当电网断开，并网电流为零，此时为逆变器孤岛运行，当测试到被测逆变器输出电流为零时，逆变器保护，两个电流为零点的时间差即为逆变器防孤岛保护时间，测试电压范围：0-300V，电流范围：0-200A，功率范围：0-100kw，用于测试逆变器的孤岛保护参数以及为自动测试提供控制数据。
2.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述可编程直流电源采用工频隔离变压器、SCR器件及三相全桥12脉冲整流器，输出功率：0-150KVA，电压范围：100-800V，电流0-187A，输出参数可编程。
3.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述可编程交流电源采用IGBT/PWM脉宽调制方式控制及数字DDS频率合成技术，输出电压范围：单相0-300V，电流范围：0-139A，输出参数可编程。
4.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述被测逆变器为普通并网型逆变器。
5.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述自动控制开关柜由开关S1、S2、S3及S4四个自动控制开关组成，其中开关S2为自动断网开关，由防孤岛参数测试仪控制。
6.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述高精度功率分析仪采用四通道独立的功率分析仪，并配备四套高精度电流传感器，电压检测范围：0-1000V，电流检测范围：0-300A，精度0.05％，可以检测电压、电流、有功、无功、0-40次谐波、效率或电量参数，用于测量逆变器的输入及输出特性。
7.根据权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统，其特征在于，所述上位机控制台控制可编程直流电源、可编程交流电源、防孤岛实验检测装置、防孤岛参数测试仪及高精度功率分析仪设备，并根据实验要求自动编制实验流程，实现自动测试和自动导出测试报告。
8.一种适用于权利要求1所述的电动汽车储能并网逆变器防孤岛检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)启动系统，闭合对应的开关，打开上位机控制台连接各个设备；
(2)根据需要测试的条件，设定可编程直流电源的输出并闭合并网开关S2，使被测逆变器按预定的参数运行；
(3)上位机控制台读取高精度功率分析仪上的被测逆变器并网的有功和无功值，并根据品质因数自动计算孤岛状态需要加载的防孤岛实验检测装置的参数，控制防孤岛实验检测装置自动加载；
(4)防孤岛实验检测装置加载完成，使用防孤岛参数测试仪测试被测逆变器并网端的无功和基频电流，当被测逆变器并网的无功趋于零或基频电流小于被测逆变器输出电流的1％时，提示被测逆变器工作在孤岛状态；
(5)被测逆变器工作在孤岛状态时，由防孤岛参数测试仪控制断开并网开关S2，并同时记录被测逆变器输出端的电流波形和被测逆变器并网端的电流波形，逆变器保护即完成实验；
(6)实验完成后，防孤岛参数测试仪根据被测逆变器输出端的电流波形和被测并网端的电流波形自动计算被测逆变器并网开关断开时间和被测逆变器保护停止输出时间，自动导出波形及数据，作为本次测试的实验报告。
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