CN112578217B

CN112578217B - 高精度高速率防孤岛测试装置

Info

Publication number: CN112578217B
Application number: CN202110210995.4A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Jiangsu Kingtro Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Kingtro Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2041-02-25
Also published as: CN112578217A

Abstract

本发明提供一种高精度高速率防孤岛测试装置，用于对待测物电压输出及模拟RLC负载，功率转换单元分别连接待测物和电网；参数检测单元耦接于功率转换单元与待测物之间，获取并输出采样电压和采样电流给数字信号处理单元；数字信号处理单元实现电网模拟器模式和防孤岛测试模式的切换；模拟RLC负载，获取参数检测单元所得采样电压和采样电流，演算得出一参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，由该参考电压对功率转换单元进行控制，以实现防孤岛测试。该装置能够用于电压输出和模拟负载RLC运行的无缝切换，无需切换控制环路，能够避免控制环路从零开始计算所产生的控制误差。

Description

高精度高速率防孤岛测试装置

技术领域

本发明涉及一种高精度高速率防孤岛测试装置。

背景技术

目前市场对替代能源的需求正在稳定增长中，因此对于并网型分散式电源的配置，需要依照相应已制定的规范进行测试。

现有的电子防孤岛测试装置仅能实现模拟RLC负载使用，同时，目前市场上的交流电源，主要作为电网模拟电源使用，但难以模拟RLC负载使用，在需要进行模拟RLC负载时，需要切换控制环路，导致存在误差，不利于测试使用。

此外，现有电子防孤岛测试用的PQ控制算法中，功率中包含有基波功率和谐波功率，但是调节电压和频率时，都是基波电压和频率，并不能真实的反应RLC特性。现有电子防孤岛测试装置使用的半导体器件为IGBT，受限于器件因素，装置的开关频率不能过高，因此环路带宽很低，在逆变器含有谐波电流时，流过RLC负载时，会产生谐波电压，现有设备不能模拟到50次谐波电压的情况。

上述问题是在高精度高速率防孤岛测试装置的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供解决现有技术中存在的如何实现电网模拟器模式与模拟RLC负载的无缝切换，以降低误差，并利于测试使用的一种高精度高速率防孤岛测试装置。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度高速率防孤岛测试装置，用于对待测物电压输出及模拟RLC负载，包括功率转换单元、参数检测单元和数字信号处理单元，

一功率转换单元，分别连接待测物和电网，具有一双向可调变电流的机制，用于将电网的电压转换输出给待测物或对待测物进行模拟RLC负载测试；

一参数检测单元，耦接于功率转换单元与待测物之间，获取并输出采样电压和采样电流给数字信号处理单元；

一数字信号处理单元，实现电网模拟器模式和防孤岛测试模式的切换；模拟RLC负载，获取参数检测单元所得采样电压和采样电流，演算得出一参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，由该参考电压对功率转换单元进行控制，以实现防孤岛测试。

进一步地，功率转换单元包括顺次连接AC-DC模块、DC-DC隔离模块、DC-AC模块和LC滤波电路，AC-DC模块和DC-DC隔离模块为双向模块， AC-DC模块连接电网，DC-AC模块通过LC滤波电路连接待测物，DC-AC模块为双向可调模块，DC-AC模块连接数字信号处理单元的输出端。

进一步地，参数检测单元包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块连接于功率转换单元与待测物之间，电流采样模块串联于功率转换单元与待测物之间。

进一步地，数字信号处理单元包括功率计算模块、电网模拟器控制模块和防孤岛模拟模块，

一功率计算模块，分别连接参数检测单元和防孤岛模拟模块，获取并输出采样电压和采样电流，计算出电网、待测物和模拟RLC电路不同支路的功率；

一电网模拟器控制模块，在电网模拟器模式下，将预设电压作为输出电压，对功率转换单元进行对应的PWM控制；

一防孤岛模拟模块，根据采样电流和采样电压，计算出的电流和确定模拟RLC电路的各参数R、L、C下的电压值，此电压作为参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压作为输出电压，对功率转换单元进行对应的PWM控制。

进一步地，防孤岛模拟模块中，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压直接替换预设电压作为输出电压，共用模拟RLC电路的各参数R、L、C参数，在切换瞬间，只是更改了参考电压，并不涉及到环路切换，完全实现无缝切换。

进一步地，在确定模拟RLC电路的各参数R、L、C后，根据R、L、C的数值，计算模拟RLC电路等效阻抗的传递函数，根据该传递函数，结合采样电压计算出电流值；按照切换前计算所得电流值及当前获取的采样电流，计算出参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，由该参考电压作为切换后原电压环路的参考值。

进一步地，计算出参考电压，具体为，

其中：B₀、B₁、B₂、A₁、A₂为控制参数，均为与电阻值R、电感值L、电容值C及控制频率fs相关的函数，B₀=(L∗R∗2∗fs)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，B₁=0，B₂=−B_0，A₁=(2∗(R−L∗R∗C∗(2∗fs)^2))/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，A₂=(L∗R∗C∗(2∗fs)^2−L∗2∗fs+R)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)；I(k)为本时刻采样电流，I(k-1)为上一周期电流，I(k-2)为上二周期的电流；Vref2为本时刻参考电压，Vref2(k-1)为上一周期参考电压，Vref2(k-2)为上二周期参考电压。

进一步地，模拟RLC电路的各参数R、L、C采用手动设置或是自动匹配确定。

进一步地，根据待测物输出的有功功率

和无功功率

，采用如下步骤调整模拟RLC电路中R、L、C的数值，使品质因数

处于设定范围内，其中，品质因数

:

1）利用关系式电感功率

，使模拟RLC电路达到谐振所需的电感量；

2）将电感作为模拟RLC电路的首先接入元件，将电感量调整到电感功率

；

3）将电容器接入，与电感并联连接，将电容量调整至

，其中，

为电容容量；

4）接入电阻器，使模拟RLC电路中消耗的功率等于

；

5）调整R、L、C，使流向电网的每一相电流的基频分量为设定范围值。

进一步地，在无功功率或有功功率有偏差时，按照该功率的偏差重新调整RLC的数值，使流向电网的该功率满足偏差要求。

本发明的有益效果是：该种高精度高速率防孤岛测试装置，对需要进行源载切换的待测设备，能够提供测试电源和RLC负载，能够用于电压输出和模拟负载RLC运行的无缝切换。该种高精度高速率防孤岛测试装置，无需切换控制环路，能够避免控制环路从零开始计算所产生的控制误差，从而更贴近实际的模拟RLC负载的特性。

附图说明

图1是本发明实施例高精度高速率防孤岛测试装置的说明示意图。

图2是实施例高精度高速率防孤岛测试装置的一个具体示例的说明示意图。

图3是实施例中数字信号处理单元的说明示意图。

图4是实施例中防孤岛模拟模块计算参考电压的说明示意图。

图5是实施例中实现无缝切换负载模式的说明示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种高精度高速率防孤岛测试装置，用于对待测物电压输出及模拟RLC负载，如图1，包括功率转换单元、参数检测单元和数字信号处理单元，

该种高精度高速率防孤岛测试装置，对需要进行源载切换的待测设备，能够提供测试电源和RLC负载，能够用于电压输出和模拟负载RLC并联运行的无缝切换。该种高精度高速率防孤岛测试装置，无需切换控制环路，能够避免控制环路从零开始计算所产生的控制误差，从而更贴近实际的模拟RLC负载的特性。

在一个实施方式中，如图2，功率转换单元包括顺次连接AC-DC模块、DC-AC模块和LC滤波电路，AC-DC模块为双向模块，AC-DC模块连接电网，DC-AC模块通过LC滤波电路连接待测物，DC-AC模块为双向可调模块，DC-AC模块连接数字信号处理单元的输出端。

在另一实施方式中，功率转换单元还包括DC-DC隔离模块， AC-DC模块还可以通过DC-DC隔离模块连接DC-AC模块，实现整流+ DC-DC隔离+逆变三个模块的形式。

该种高精度高速率防孤岛测试装置中，参数检测单元包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块连接于功率转换单元与待测物之间，电流采样模块串联于功率转换单元与待测物之间。

该种高精度高速率防孤岛测试装置中，如图3，数字信号处理单元包括功率计算模块、电网模拟器控制模块和防孤岛模拟模块，

一防孤岛模拟模块，根据采样电流和采样电压，计算出当前电流和确定模拟RLC电路的各参数R、L、C下的电压值，此电压作为参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压作为输出电压，对功率转换单元进行对应的PWM控制。

该种高精度高速率防孤岛测试装置，通过两种运行模式（电网模拟器模式或防孤岛测试模式），介于电网和待测物之间，在交流电网模拟器模式下，能量可以双向流动，作为四象限电源使用；此时设置RLC参数（手动），可以通过示波显示单元连接数字信号处理单元，来显示电网侧、负载侧，待测物之间的功率曲线，也可以根据待测物的功率曲线，按照行业测试标准，自动匹配RLC参数。当需要测试待测物的防孤岛功能时，可以启动防孤岛测试按钮，设备由电网模拟器模式切换为防孤岛测试模式，根据手动设置的RLC参数或是自动匹配的RLC参数，按照待测物输入的电流运行，此切换过程可以实现完全无缝切换，更精确的模拟无源器件RLC并联时的运行特性。

在一个实施方式中，如图4和图5，在确定模拟RLC电路的各参数R、L、C后，根据R、L、C的数值，计算并联模拟RLC电路等效阻抗的传递函数：

G=L*R*s/(L*C*R*s^2+L*s+R)，其中s是传递函数的自变量，根据该传递函数，结合采样电压计算出电流值；按照切换前计算所得电流值及当前获取的采样电流，计算出参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，由该参考电压作为切换后原电压环路的参考值。图5中，Zrlc为负载阻抗，Isamp为电流采样，Vsamp为电压采样，Vrer1为预设电压，Vref2为通过负载阻抗和采样电流相乘后的参考电压，该参考电压Vref2与Vref1通过选择器SEL选择作为环路控制的参考电压。

在一个实施方式中，根据待测物输出的有功功率

和无功功率

处于设定范围内，优选

，其中，品质因数

为孤岛测试负载谐振强度的一种表示，

:

1）利用关系式电感功率

，使模拟RLC电路达到谐振所需的电感量；

；

3）将电容器接入，与电感并联连接，将电容量调整至

，其中，

为电容容量；

4）接入电阻器，使模拟RLC电路中消耗的功率等于

；

5）调整R、L、C，使流向电网的每一相电流的基频分量为设定范围值，优选为0A，允许误差为逆变器恒定状态时额定电流的

。

当无功功率或有功功率有偏差时，按照功率的偏差调节RLC的数值，使流向电网的功率满足偏差要求，按照上述步骤重新调整RLC的参数。

当RLC参数确定后，根据RLC的数值，计算其阻抗的传递函数，根据其传递函数，按照采样电压计算出RLC上的电流数值，当由电网模拟器模式切换为RLC负载防孤岛模式的切换瞬间，按照切换前计算的RLC电流数值及当前RLC采样的电流值，计算出电压参考，由此电压参考值，作为原来的电压环路的参考值，本处：原来的电压环路为切换前电网模拟器的电压控制环路。此处，电压环路一直在运行，已经处于稳态，并不需要从零初始态的建立时间，只是电压参考有变化，按照检测标准要求，有功功率和无功功率最多是10%的变化，电压的参考数值不会变化很大，按照100kHz环路控制速度，电压完全可以响应。

根据电阻R、电感L、电容C的各种串并联组合可以形成多种模拟RLC电路模型，实施例以RLC并联的电路模型为例，计算切换成RLC负载后的参考电压Vref2的公式如下：

其中：B₀、B₁、B₂、A₁、A₂为控制参数，均为与电阻值R、电感值L、电容值C及控制频率fs相关的函数，优选为：B₀=(L∗R∗2∗fs)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，B₁=0，B₂=−B_0，A₁=(2∗(R−L∗R∗C∗(2∗fs)^2))/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，A₂=(L∗R∗C∗(2∗fs)^2−L∗2∗fs+R)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)；I(k)为本时刻采样电流，I(k-1)为上一周期电流，I(k-2)为上二周期的电流；Vref2为本时刻参考电压，Vref2(k-1)为上一周期参考电压，Vref2(k-2)为上二周期参考电压。

需要说明的是，本公式中，在RLC负载的防孤岛模拟模式时，I(k-1)为上一周期采样电流，I(k-2)为上二周期的采样电流，在切换瞬间，I(k-1)为上一周期计算电流，I(k-2)为上二周期的计算电流。

该种高精度高速率防孤岛测试装置，用于电压输出和模拟负载RLC并联运行的无缝切换，对于需要进行源载切换的待测设备提供测试电源和RLC负载。该种高精度高速率防孤岛测试装置中，前端为三相可控整流，可以实现能量的双向流动，后级DC/AC模块由数字信号处理单元控制。可以按照待测物的无功功率和有功功率，自动匹配相适应的RLC负载的数值，使其满足流入电网中的电流接近零。用户也可以计算RLC的数值后，调整流入电网的电流数值大小，按照行业标准的要求，调整RLC的数值，使其满足测试要求。

该种高精度高速率防孤岛测试装置中，该交流电源单模组为单相交流源，可以多模组并联运行，也可以多模组组成三相交流电源运行，输出电压范围从0~350V，可以实现四象限运行。该交流源集成了R/L/C并联模拟功能，可以手动输入R、L、C的数值，也可以自动计算出R、L、C的数值，该设备可以从电网模拟器模式无缝切换到防孤岛测试模式。该设备使用同一环路，不存在环路切换瞬态的变换，能够准确模拟断电瞬间R/L/C的负载特性。

实施例中，防孤岛模拟模块中，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压直接替换预设电压作为输出电压，共用模拟RLC电路的各参数R、L、C参数，在切换瞬间，只是更改了参考电压，并不涉及到环路切换，完全实现无缝切换。在一个实施方式中，预设电压是可由用户在界面设定的输出电压；参考电压是设备作为防孤岛模拟时，根据设定的RLC的数值和电流值计算出来的。在电网模拟器模式工作时，防孤岛模式的参考电压一直在计算，但是并不作为环路的参考。在切换瞬间，只是更改为参考电压作为输出电源，从而避免了选择防孤岛模拟功能时，需要从零开始运行，导致不能实现无缝切换的情形。

该种高精度高速率防孤岛测试装置中，电压、电流采样精度较高，模拟RLC的精度也相应提高；通过采用SiC器件，开关频率较高，设计的环路带宽较高，可以模拟谐波电流在RLC上产生的谐波电压（50Hz基波下，可以达到50次谐波电压）。功率计算精度较高，在调节有功功率和无功功率时，不仅可以满足行业测试标准1%的要求精度；还可以显示电网侧、负载侧、待测物不同支路的功率曲线。

Claims

1.一种高精度高速率防孤岛测试装置，用于对待测物电压输出及模拟RLC负载，其特征在于：包括功率转换单元、参数检测单元和数字信号处理单元，

一功率转换单元，分别连接待测物和电网，具有双向交流变直流、直流变交流四象限运行机制，用于将电网的电压转换输出给待测物或对待测物进行模拟RLC负载测试；

一数字信号处理单元，实现电网模拟器模式和防孤岛测试模式的切换；模拟RLC负载，获取参数检测单元所得采样电压和采样电流，演算得出一参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，由该参考电压对功率转换单元进行控制，以实现防孤岛测试, 数字信号处理单元包括功率计算模块、电网模拟器控制模块和防孤岛模拟模块，

一防孤岛模拟模块，根据采样电流和采样电压，计算出的电流和确定模拟RLC电路的各参数R、L、C下的电压值，此电压作为参考电压，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压作为输出电压，对功率转换单元进行对应的PWM控制;

在确定模拟RLC电路的各参数R、L、C后，根据R、L、C的数值，计算模拟RLC电路等效阻抗的传递函数，根据该传递函数，结合采样电压计算出电流值；在切换为防孤岛测试模式时，按照切换前计算所得电流值及当前获取的采样电流，计算出参考电压，由该参考电压作为切换后原电压环路的参考值。

2.如权利要求1所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：功率转换单元包括顺次连接AC-DC模块、DC/DC隔离模块、DC-AC模块和LC滤波电路，AC-DC模块和DC/DC隔离模块为双向模块， AC-DC模块连接电网，DC-AC模块通过LC滤波电路连接待测物，DC-AC模块为双向可调模块，DC-AC模块连接数字信号处理单元的输出端。

3.如权利要求1所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：参数检测单元包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块连接于功率转换单元与待测物之间，电流采样模块串联于功率转换单元与待测物之间。

4.如权利要求1所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：防孤岛模拟模块中，在切换为防孤岛测试模式时，将参考电压直接替换预设电压作为输出电压，共用模拟RLC电路的各参数R、L、C参数，在切换瞬间，只是更改了参考电压，并不涉及到环路切换，完全实现无缝切换。

5.如权利要求1所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：计算出参考电压，具体为，

Vref2=B0*I(k)+B1*I(k-1)+B2*I(k-2)-A1*Vref2(k-1)-A2*Vref2(k-2)

其中：B0、B1、B2、A1、A2为控制参数，均为与电阻值R、电感值L、电容值C及控制频率fs相关的函数，B0=(L∗R∗2∗fs)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，B1=0，B2=−B0，A1=(2∗(R−L∗R∗C∗(2∗fs)^2))/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)，A2=(L∗R∗C∗(2∗fs)^2−L∗2∗fs+R)/(L∗R∗C∗(2∗fs)^2+L∗2∗fs+R)；I(k)为本时刻采样电流，I(k-1)为上一周期电流，I(k-2)为上二周期的电流；Vref2为本时刻参考电压，Vref2(k-1)为上一周期参考电压，Vref2(k-2)为上二周期参考电压。

6.如权利要求1、4、5任一项所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：模拟RLC电路的各参数R、L、C采用手动设置或是自动匹配确定。

7.如权利要求1所述的高精度高速率防孤岛测试装置，其特征在于：根据待测物输出的有功功率