CN106841874A - 一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置 - Google Patents

Abstract

一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，包括直流侧（4）、输入侧（3）、输出侧（5）和控制系统。所述电子防孤岛装置串联在光伏并网逆变器（2）与大电网（6）之间，所述电子防孤岛装置从电网侧吸收能量稳定直流侧电压，输入侧逆变形成电压源；并网逆变器检测到稳定频率的电压源后实时跟踪电压输出，并网逆变器功率潮流流向电子防孤岛输入侧，输出侧通过四象限控制策略将能量反馈电网。本发明采用了实时控制技术，可以实时检测光伏逆变器输出的有功和无功并实时计算出需要模拟的负载电阻、电感、电容。孤岛测试时，可以按照国标中要求的负载匹配等各种工况的防孤岛保护测试实验，使防孤岛保护测试实验可以不受现场条件约束。

Description

一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置

技术领域

本发明涉及一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，属光伏发电技术领域。

背景技术

近年来，分布式新能源发电凭借其经济性和有效性一直保持着持续增长的态势，其接入配电网也给电网带来了一系列的难题，其中“孤岛”是目前研究最广泛的课题之一。一旦孤岛发生，可能会造成诸如人身安全、经济效益、电能质量等方面的问题。根据标准要求逆变器并入10KV及以下电压等级配电网应具有防孤岛效应保护功能。若逆变器并入的电网供电中断，逆变器应在2s内停止向电网供电，同时发出警示信号。

目前，随着光伏并网逆变技术的成熟，已经涌现出许多的孤岛检测算法，光伏并网逆变器防孤岛检测方法可以分为两大类：被动式和主动式。其中被动式孤岛检测方法是基于检测电压、频率、谐波含量等参数是否越限来判断孤岛，为检测孤岛期间变化的电网参数实现，常用的策略有过/欠频率、过/欠电压检测法、相角跳变检测法、谐波检测法等，被动检测方法主要的优势在于不会对电能质量产生影响，但存在较大的检测盲区；主动检测方法是向逆变器电流的幅值、频率、相位等注入扰动量，在孤岛发生时引起公共点电压参数发生变化来判别孤岛状态，其主要优势在于减小甚至消除盲区，但随之带来的是恶化电网的电能质量甚至影响电网的稳定性；为光伏逆变器产生小扰动，电网的某一个参数发生变化，包括频率漂移法、无功功率变化法、谐波注入法。

目前光伏并网逆变器防孤岛保护主要采用可调RLC并联模拟负载实验室测试，该测试方法不仅测试流程复杂，同时测试条件苛刻，随着电力电子技术的发展，PWM控制技术越来越成熟，不仅准确控制整流、逆变器实现电压源及电流源，同时可是实现能量的双向传输。

目前光伏并网逆变器防孤岛保护主要采用可调RLC并联模拟负载实验室测试，该测试方法不仅测试流程复杂，同时测试条件苛刻。

传统RLC负载防孤岛保护试验平台主要由直流源、光伏并网逆变器、RLC测试单元、数字示波器、大电网组成，传统实验方法可调的RLC并联负载模拟孤岛负载，通过开关K2调节RLC负载，调节电阻、电感、电容的值，通过数字示波器监测人工调节RLC负载的输入功率接近光伏并网逆变器的并网功率，RLC测试装置缺点不仅体积庞大、造价高，消耗大量的电能，同时难以准确实现功率匹配。

发明内容

本发明的目的是，为了提高光伏并网逆变器防孤岛测试水平，有效解决传统的RLC负载测试条件的限制，针对传统RLC负载防孤岛保护试验平台存在的缺点，本发明公开一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置。

实现本发明的技术方案是，一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，包括直流侧、输入侧、输出侧和控制系统；输入侧通过直流侧连接输出侧；控制系统控制直流侧、输入侧和输出侧的工作参数。

所述电子防孤岛装置串联在光伏并网逆变器与大电网之间，所述电子防孤岛装置从电网侧吸收能量稳定直流侧电压，输入侧逆变形成电压源；并网逆变器检测到稳定频率的电压源后实时跟踪电压输出，并网逆变器功率潮流流向电子防孤岛输入侧，输出侧通过四象限控制策略将能量反馈电网。

所述装置采用实时功率匹配的三相四线制背靠背结构电力电子防孤岛保护策略，实现与光伏并网逆变器功率的实时匹配，自动生成R、L、C参数，智能计算有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比，实现光伏并网逆变器防孤岛功能的自动化测试，同时将全过程测试能量反馈电网，实现能量的循环利用。

所述装置输入侧模拟交流电压源实现光伏并网逆变器与测试装置在有功功率、无功功率的高精度匹配；输出侧将从输入侧吸收的有功功率高效逆变反馈电网，控制系统采用自适应模糊PI控制。

所述自适应模糊PI控制，以常规PI控制为前提，采用模糊推理思想，将误差e和误差变化率e_c作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对PID参数进行实时整定，从而使PID参数最优；

模糊控制是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量e和误差变化率e_c，确保被控对象有良好的动、静态性能；首先根据经验值设定的值，然后通过模糊推理得到修正值△k_p、△k_i，由经验值和修正值得到最优k_p和k_i；

上式中为系统的经典PI参数，△k_p、△k_i为模糊推理得到的调整值；

根据自适应模糊PID控制结构，实现对PI参数的优化，根据PI的控制算式：

△e(t)＝e^*(t)-e(t)

式中，k_p为比例系数；k_i为积分系数。

所述输入侧及输出侧均由四桥臂IGBT和滤波电抗器组成；每一相的滤波电抗器连接四桥臂IGBT中的一个桥臂；滤波电抗器的另一端连接到并网逆变器的各相；四H桥臂IGBT的输出端连接直流侧电容器两端。

同样，输出侧结构与输入侧相同，输出侧四桥臂IGBT的各桥臂分别连接输出侧滤波电抗器的一端；输出侧滤波电抗器的另一端连接大电网各相；输出侧四桥臂IGBT的输出端连接直流侧的电容器两端。

所述控制系统包括计算模块、电压锁相环、PI控制器、控制模块和四象限控制模块；输入侧的各相电压分别连接计算模块的电压输入端口及电压锁相环的输入端；输入侧的各相电抗器的输出端连接计算模块的电流输入端口，向计算模块输入各相电流；电压锁相环输出的电压和频率信号经实时计算出有功指令P^*与无功指令和Q^*，通过自适应模糊PI调节计算出需要输出电压大小与频率，经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制输入侧四桥臂IGBT工作；输出侧的输出电压连接四象限控制模块的电压输入端口；输出侧四桥臂IGBT的各相输出电流连接四象限控制模块的电流输入端口；四象限控制模块的输出端连接控制模块的输入端以控制输出侧四桥臂IGBT的工作。

所述控制系统可由一个控制器集成，实现对电子防孤岛测试装置的控制。

所述电子防孤岛测试装置有两个工况，电压源启动模式后转为电子防孤岛模式，其中电压源模式时，输出侧检测电网电压、频率参数后，吸收电网侧能量稳定直流侧电压，输入侧逆变三相电压，待光伏并网逆变器在输入侧输送能量后，为了维持直流侧电压稳定，输出侧将能量逆变回电网。

所述电子防孤岛测试装置的测试方法如下：

(1)光伏变流器进行孤岛检测前，装置先作为交流源运行，输出稳定的电压幅值与频率，光伏并网逆变器检测到稳定的电压后正常并网运行；

(2)电子防孤岛装置实时检测设备输入的有功、无功、电压、频率、谐波、相位参数，依据检测量，以及需要的品质因数Q_f，实时计算出需要模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C；

通过上述公式，计算模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C；

(3)在接收到孤岛模式指令命令后，控制系统利用模拟R,L,C参数,通过自适应模糊PI调节计算指令，闭环控制输出电压幅值、频率、相位和谐波；

(4)光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置同时具备主动检测方法与被动检测方法，被动检测方法-电子防孤岛测试装置输入侧通过周期性调节电压的频率、电压幅值、相角跳变、叠加电压谐波等功能模拟电网孤岛期间电网参数的变化引起的电压、频率、相位角的突变，以此检测光伏并网逆变器被动防孤岛功能；主动防孤岛-通过电子防孤岛测试装置进入电子防孤岛模式，实时检测光伏并网逆变器输出电压、有功功率、无功功率、电流、频率、谐波和相位参数，通过 计算出电子防孤岛测试装置输入侧电压幅值、频率、相位、谐波修改指令，通过闭环控制将修改指令叠加到原来的指令上，从而实现电压幅值、频率、相位和谐波的改变，以此检测光伏并网逆变器主动防孤岛功能。

本发明的有益效果是，本发明采用了实时控制技术，可以实时检测光伏逆变器输出的有功和无功并实时计算出需要模拟的负载电阻、电感、电容。孤岛测试时，可以按照国标中要求的负载匹配等各种工况的防孤岛保护测试实验，使防孤岛保护测试实验可以不受现场条件约束。

本发明依托电力电子技术开发电力电子防孤岛装置，在控制策略上采用自适应模糊PI控制器，不仅克服了传统的PI控制器无法保证有功指令或无功指令对稳态精度以及动态性能的问题，并且在参数因为环境等而发生变化等因素具有较好的抑制能力；装置拓扑创新的采用背靠背三相四线制拓扑结构，实现与光伏并网逆变器功率的实时匹配，自动生成R、L、C参数，智能计算有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比，实现了光伏并网逆变器防孤岛功能的自动化测试，同时将全过程测试能量反馈电网，实现能量的循环利用，克服了传统测试的种种限制弊端，提高了测试精度，规范了测试流程。

附图说明

图1为本发明电子防孤岛保护试验平台示意图；

图中，1是光伏电池板/直流源；2是并网逆变器；3是输入侧；4是直流侧；5是输出侧；6是大电网；

图2是本发明防孤岛保护测试装置控制系统；

图3是本发明防孤岛保护测试装置自适应模糊PID控制结构；

图4为20kW光伏并网逆变器100％功率条件下防孤岛响应趋势对比图；

图5为20kW光伏并网逆变器60％功率条件下防孤岛响应趋势对比图；

图6为20kW光伏并网逆变器33％功率条件下防孤岛响应趋势对比图；

图7为10kW光伏并网逆变器100％功率条件下防孤岛响应趋势对比图；

图8为10kW光伏并网逆变器60％功率条件下防孤岛响应趋势对比图；

图9为10kW光伏并网逆变器33％功率条件下防孤岛响应趋势对比图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1和图2所示。

本实施例一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，包括直流侧4、输入侧3、输出侧5和控制系统；输入侧通过直流侧4连接输出侧5；控制系统控制直流侧4、输入侧3和输出侧5的工作参数。

本实施例电子防孤岛装置串联在光伏并网逆变器2与大电网6之间，所述电子防孤岛装置从大电网6侧吸收能量稳定直流侧电压，输入侧3逆变形成电压源；并网逆变器2检测到稳定频率的电压源后实时跟踪电压输出，并网逆变器2功率潮流流向电子防孤岛输入侧3，输出侧5通过四象限控制策略将能量反馈电网。

本实施例电子防孤岛装置的控制系统包括计算模块、电压锁相环、PI控制器、控制模块和四象限控制模块；输入侧的各相电压分别连接计算模块的电压输入端口及电压锁相环的输入端；输入侧的各相电抗器的输出端连接计算模块的电流输入端口，向计算模块输入各相电流；电压锁相环输出的电压和频率信号经实时计算出有功指令P^*与无功指令和Q^*，通过自适应模糊PI调节计算出需要输出电压大小与频率，经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制输入侧四桥臂IGBT工作；输出侧的输出电压连接四象限控制模块的电压输入端口；输出侧四桥臂IGBT的各相输出电流连接四象限控制模块的电流输入端口；四象限控制模块的输出端连接控制模块的输入端以控制输出侧四桥臂IGBT的工作。

本实施例电子防孤岛装置采用的自适应模糊PI系统是以常规PI控制为前提，采用模糊推理思想，将误差e和误差变化率e_c作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对PID参数进行实时整定，从而使PID参数最优，自适应模糊PID控制结构如图3所示。

本实施例自适应PI调节器设计如下：

采集电子防孤岛输入侧交流电母线上三相电压U_a，U_b，U_c，计算出电压的幅值与频率，依据需要模拟的RLC负载参数实时计算出有功指令与无功指令P^*和Q^*，通过自适应模糊PI调节计算出需要输出电压大小与频率经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制四桥臂IGBT工作。逆变器的输出功率跟随交流电压和RLC参数变化而变化，在基频上响应与真实RLC负载一致，如图2所示该过程包括有功比较单元和无功比较单元。

设有功指令P^*＝U²/R，

无功指糊令Q*＝U²·2πf·C-U²/2πf·L，

反馈有功计算：P＝u_α·i_α+u_β·i_β，

反馈无功计算：Q＝u_α·i_α+u_β·i_β。

其P^*、Q^*和P、Q的差作为自适应模PI调节器的输入，

本实施例对模糊控制的基本思想是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量e和误差变化率e_c，确保被控对象有良好的动、静态性能。首先根据经验值设定的值，然后通过模糊推理得到修正值△k_p、△k_i，由经验值和修正值得到最优k_p和k_i。

上式中为系统的经典PI参数，△k_p、△k_i为模糊推理得到的调整值。根据图3实现了对PI参数的优化，根据PI的控制算式可得：

△e(t)＝e^*(t)-e(t)

式中，k_p为比例系数；k_i为积分系数。

本实施例电子防孤岛测试装置的测试方法如下：

(1)光伏变流器进行孤岛检测前，装置先作为交流源运行，输出稳定的电压幅值与频率，光伏并网逆变器检测到稳定的电压后正常并网运行；

(2)电子防孤岛装置实时检测设备输入的有功、无功、电压、频率、谐波、相位参数，依据检测量，以及需要的品质因数Q_f，实时计算出需要模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C；

通过上述公式，计算模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C；

(4)在接收到孤岛模式指令命令后，控制系统利用模拟R,L,C参数,通过自适应模糊PI调节计算指令，闭环控制输出电压幅值、频率、相位和谐波；

(4)光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置同时具备主动检测方法与被动检测方法，被动检测方法-电子防孤岛测试装置输入侧通过周期性调节电压的频率、电压幅值、相角跳变、叠加电压谐波等功能模拟电网孤岛期间电网参数的变化引起的电压、频率、相位角的突变，以此检测光伏并网逆变器被动防孤岛功能；主动防孤岛-通过电子防孤岛测试装置进入电子防孤岛模式，实时检测光伏并网逆变器输出电压、有功功率、无功功率、电流、频率、谐波和相位参数，通过 计算出电子防孤岛测试装置输入侧电压幅值、频率、相位、谐波修改指令，通过闭环控制将修改指令叠加到原来的指令上，从而实现电压幅值、频率、相位和谐波的改变，以此检测光伏并网逆变器主动防孤岛功能。

本实施例对不同容量逆变器，在不同功率下的采用电子防孤岛及传统RLC防孤岛测试对比实验，分别进行了20kW光伏并网逆变器100％功率下实验、60％功率下实验、33％功率下实验；10kW光伏并网逆变器100％功率下实验、60％功率下实验、33％功率下实验。

本实施例电子防孤岛与传统RLC孤岛测试对比试验进行了10kW、20kW不同容量光伏并网逆变器，在100％功率实验、60％功率实验、33％功率实验3种功率情况下，分别进行了有功功率与无功功率偏差的9种工况实验，通过各种工况可以发现RLC传统测试方法与电子防孤岛测试结果一致均满足国标要求。

Claims (9)

1.一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述装置包括直流侧、输入侧、输出侧和控制系统；输入侧通过直流侧连接输出侧；控制系统控制直流侧、输入侧和输出侧的工作参数；

所述电子防孤岛装置串联在光伏并网逆变器与大电网之间，所述电子防孤岛装置从电网侧吸收能量稳定直流侧电压，输入侧逆变形成电压源；并网逆变器检测到稳定频率的电压源后实时跟踪电压输出，并网逆变器功率潮流流向电子防孤岛输入侧，输出侧通过四象限控制策略将能量反馈电网。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述装置采用实时功率匹配的三相四线制背靠背结构电力电子防孤岛保护策略，实现与光伏并网逆变器功率的实时匹配，自动生成R、L、C参数，智能计算有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比，实现光伏并网逆变器防孤岛功能的自动化测试，同时将全过程测试能量反馈电网，实现能量的循环利用。

3.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述装置输入侧模拟交流电压源实现光伏并网逆变器与测试装置在有功功率、无功功率的高精度匹配；输出侧将从输入侧吸收的有功功率高效逆变反馈电网，控制系统采用自适应模糊PI控制。

4.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述输入侧及输出侧均由四桥臂IGBT和滤波电抗器组成；每一相的滤波电抗器连接四桥臂IGBT中的一个桥臂；滤波电抗器的另一端连接到并网逆变器的一相；四桥臂IGBT的输出端连接直流侧电容器两端。

5.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述控制系统包括计算模块、电压锁相环、自适应PI控制器、控制模块和四象限控制模块；输入侧的各相电压分别连接计算模块的电压输入端口及电压锁相环的输入端；输入侧的各相电抗器的输出端连接计算模块的电流输入端口，向计算模块输入各相电流；电压锁相环输出的电压和频率信号经实时计算出有功指令P^*与无功指令和Q^*，通过自适应PI控制器调节计算出需要输出电压大小与频率，经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制输入侧四桥臂IGBT工作；输出侧的输出电压连接四象限控制模块的电压输入端口；输出侧四桥臂IGBT的各相输出电流连接四象限控制模块的电流输入端口；四象限控制模块的输出端连接控制模块的输入端以控制输出侧四桥臂IGBT的工作。

6.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述电子防孤岛测试装置有两个工况，电压源启动模式后转为电子防孤岛模式，其中电压源模式时，输出侧检测电网电压、频率参数后，吸收电网侧能量稳定直流侧电压，输入侧逆变三相电压，待光伏并网逆变器在输入侧输送能量后，为了维持直流侧电压稳定，输出侧将能量逆变回电网。

7.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述装置的测试方法如下：

(1)光伏变流器进行孤岛检测前，装置先作为交流源运行，输出稳定的电压幅值与频率，光伏并网逆变器检测到稳定的电压后正常并网运行；

(2)电子防孤岛装置实时检测设备输入的有功、无功、电压、频率、谐波和相位参数，依据检测量，以及需要的品质因数Qf，实时计算出需要模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C：

$Q_f=R\sqrt{C/L}$

$R=\frac{U^2}{P}$

$L=\frac{Q_f\·R}{2\mathrm{\π}f}$

$2{\mathrm{\πfCU}}^2-\frac{U^2}{2\mathrm{\π}fL}=Q$

$2{\mathrm{\πfCU}}^2-\frac{U^2}{Q_{f}R}=Q$

$C=\frac{1}{2\mathrm{\π}f}(\frac{Q}{U^2}+\frac{1}{Q_f\·R})$

通过上述公式，计算模拟的负载电阻，负载电感L，负载电容C；

(3)在接收到孤岛模式指令命令后，控制系统利用模拟R,L,C参数,通过自适应模糊PI调节计算指令，闭环控制输出电压幅值、频率、相位和谐波；

(4)光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置同时具备主动检测方法与被动检测方法，被动检测方法-电子防孤岛测试装置输入侧通过周期性调节电压的频率、电压幅值、相角跳变、叠加电压谐波等功能模拟电网孤岛期间电网参数的变化引起的电压、频率、相位角的突变，以此检测光伏并网逆变器被动防孤岛功能；主动防孤岛-通过电子防孤岛测试装置进入电子防孤岛模式，实时检测光伏并网逆变器输出电压、有功功率、无功功率、电流、频率、谐波和相位参数，通过 计算出电子防孤岛测试装置输入侧电压幅值、频率、相位、谐波修改指令，通过闭环控制将修改指令叠加到原来的指令上，从而实现电压幅值、频率、相位和谐波的改变，以此检测光伏并网逆变器主动防孤岛功能。

8.根据权利要求3所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述自适应模糊PI控制，以常规PI控制为前提，采用模糊推理思想，将误差e和误差变化率e_c作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对PID参数进行实时整定，从而使PID参数最优；

模糊控制是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量e和误差变化率e_c，确保被控对象有良好的动、静态性能；首先根据经验值设定的值，然后通过模糊推理得到修正值△k_p、△k_i，由经验值和修正值得到最优k_p和k_i；

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p=k_p^{*}+{\mathrm{\Δk}}_p\\ k_i=k_i^{*}+{\mathrm{\Δk}}_i\end{array}\right.$

上式中为系统的经典PI参数，△k_p、△k_i为模糊推理得到的调整值；

根据自适应模糊PID控制结构，实现对PI参数的优化，根据PI的控制算式：

△e(t)＝e^*(t)-e(t)

$u\left(t\right)=k_p\mathrm{\Δ}e\left(t\right)+k_i{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}e\left(t\right)dt$

式中，k_p为比例系数；k_i为积分系数。

9.根据权利要求5所述的一种光伏并网逆变器电子防孤岛测试装置，其特征在于，所述控制系统可由一个控制器集成。