CN203287406U - 一种防孤岛检测实验负载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了H桥结构防孤岛检测试验负载装置,由直流电源、三相H桥逆变电路、交流滤波器、变压器依次连接构成，所述的直流电源，为H桥结构防孤岛检测实验负载装置的逆变器提供直流电；所述的三相H桥逆变电路，将直流电逆变成交流电，并根据实际孤岛检测的功率要求，控制逆变器输出一定的有功功率和无功功率；所述的交流滤波器，对三相H桥逆变器输出的交流电进行滤波，以降低输出谐波，本装置体积小，不存在热漂移现象和寄生量补偿，能够根据并网功率由程序控制自动调节负载特性，因而精度高，反应快。

Description

一种防孤岛检测实验负载装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别指一种防孤岛检测实验负载装置。 

背景技术

当电网供电因故障事故或停电维修而跳闸时，由于各分布式并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离市电网络，就会形成由分布式发电系统和其相连负载组成一个自给供电的孤岛发电系统。从而会对输电线路维修人员造成安全危害，对一些用电设备也会造成损坏。 

现有的孤岛检测装置：RLC负载箱主回路由阻性负载、感性负载和容性负载三部分组成，三部分负载由负载箱内置开关分段控制，可在远程软件上实现自动、手动加载调节，阻性、感性、容性部分均可自由组合，并对RLC负载中的寄生电容、寄生电感、寄生电阻值进行补偿。 

现有的RLC负载箱通常要具备的功能有：一是精度要求高、加载过程电阻电感电容值不随温度而漂移；二是步进幅度要小、但最重要的是寄生量补偿和远程控制功能一定要有，否则不能适用。检测孤岛的RLC负载，L与C每偏差3%,谐振频率会偏差0.8Hz,传统负载是无法满足,所以RLC负载一定要有寄生量补偿，但是寄生量的补偿难以做到实时精确补偿，会导致实际RLC负载与理论计算值有一定的偏差。还有就是RLC负载本身的谐波量要小于2%。长时间测试时负载箱电阻R发热引起阻值热漂移导致电阻值发生变化，影响RLC负载的精度。由于要做到对不同功率的并网逆变器都能检测出孤岛效应同时为了满足精度要求RLC负载的步进幅度尽量小，所以RLC负载箱的体积通常都非常大。 

这种负载模拟装置的电阻、电容等负载大小采用机械式调整需要很多元器件的组合，所以价格昂贵，且使用寿命低。其中负载的有功功率完全通过电阻消耗，所以在进行大功率并网逆变器检测实验时，会消耗大量电能，造成环境污染。 

采用变流器装置模拟并联RLC负载的特性，对分布式发电并网逆变器进行孤岛检测。该装置采用三相H桥结构逆变电路，根据模拟负载的需要控制逆变器输出一定的有功功率和无功功率。利用有功功率和无功功率及并网点电压可得到该装置对外的R、Ｌ、C特性，因此通过控制三相逆变电路可完全实现电阻、电感、电容的单个或组合特性，从而可取代RLC并联负载对不同功率的并网逆变装置进行孤岛检测。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用变流器来取代RLC负载箱并能体现RLC负载特性的装置。通过控制变流器输出的有功功率和无功功率来精确体现RLC负载的特性，以满足不同功率的并网逆变装置孤岛检测的要求。 

一种防孤岛检测实验负载装置,其特征在于由直流电源、全桥逆变结构逆变桥、交流滤波器依次连接构成，其中： 

所述的直流电源，为防孤岛检测实验负载装置的逆变器提供直流电； 

所述的全桥逆变结构逆变桥，将直流电逆变成交流电，并根据实际孤岛检测的功率要求，控制逆变器输出一定的有功功率和无功功率； 

所述的交流滤波器，对逆变器输出的交流电进行滤波，以减少谐波对电网的污染。 

本实用新型技术方案的控制部分其原理如图4所示： 

4.1采集电网电压e_a、e_b、e_c，将其变换到极坐标下求得电网电压的幅值E； 

$\left(\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=\frac{2}{3}\×\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\×\left(\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right)$    公式（1） 

$E=\sqrt{{e_{\mathrm{\α}}}^2+{e_{\mathrm{\β}}}^2}$    公式（2） 

4.2对电网电压e_a、e_b、e_c进行锁相跟踪得到电网角频率ω；图5所示为锁相环控制框图，输入为e_α,e_β，反馈相位角

，输出得到电网角频率ω；图5中1为Park变换，变换公式如下 

   公式（3） 

2为比例积分调节器，3为积分器，当e_q＝0时，ω为电网的角频率； 

4.3利用电压幅值E、电网频率ω和给定的R、Ｌ、Ｃ值计算防孤岛实验检测负载装置输出的有功功率和无功功率，将该有功功率和无功功率作为控制部分功率环的给定参考值P^*和q^*。 

$i_d=\frac{E}{R}$    公式（4） 

$i_q=\mathrm{E\ωC}-\frac{E}{\mathrm{\ωL}}$    公式（5） 

P^*＝i_d*E   公式（6） 

q^*＝i_q*E   公式（7） 

4.4采集该装置Ｂ逆变桥输出的电流i_a、i_b、i_c，对其进行坐标变换，变换到两相静止坐标系下得到i_a、i_β。对采集的电网电压e_a、e_b、e_c进行相同的坐标变换，得到e_α、e_β，根据公式（8）计算得到实际该装置输出的有功功率P和无功功率q。 

P＝e*i*cosθ＝e*i*cos(θ₁-θ₂)   公式（8） 

q＝e*i*cosθ＝e*i*sin(θ₁-θ₂) 

参见图6，由公式（8）化简得 $\left(\begin{array}{c}P\\ q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{\α}}& e_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}& -e_{\mathrm{\α}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)$    公式（9） 

4.5图7分别计算有功功率给定参考值P^*与实际有功功率ｐ的差值、无功功 

率给定参考值q^*与实际无功功率ｑ的差值，将这两个差值分别送入PI调节 

器得到U_d，U_q。图7中1和2为误差比较器，3和4为比例积分调节器。 

4.6经过一个两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换得到U_a，U_b，U_c即 

   公式（10） 

最后经过SPWM调制得到每一相的驱动波，经过分解得到十二路驱动脉冲送入三相H桥逆变器中的各个功率管。 

4.7防孤岛保护试验方法 

表1防孤岛效应保护的试验条件 

表2试验条件A情况下的负载不匹配状况 

表3试验条件B和试验条件C情况下的负载不匹配状况 

试验中负载消耗的有功功率、无功功率与额定值的偏差百分比（%）
	0，-5
0，-4
	0，-3
0，-2
	0，-1
0，1
	0，2
0，3
	0，4
0，5

图1给出了防孤岛效应保护试验平台，空气开关K1为被测逆变器的网侧分离开关，K2为被测逆变器的负载分离开关。负载采用三相H桥逆变结构。试验应在表1规定的条件下进行，试验步骤如下： 

a)闭合K1，断开K2,启动待测逆变器，通过调节直流输入源，使逆变器的输出功率P等于额定交流输出功率，并测量逆变器输出的无功功率q； 

b)使逆变器停机，断开K1； 

c)通过防孤岛检测实验负载装置的上位机设置R、L、C的值，使得负载品质因素Q_f=1.0±0.05； 

d)闭合K2接入防孤岛检测实验负载装置，闭合K1，启动待测逆变器，确认其输出功率符合步骤a)的规定，通过防孤岛检测实验负载装置界面，设置的R、L、C的值，直到流过K1的基频电流小于稳态时逆变器额定输出电流的1%； 

e)断开K1，记录K1断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的1%以下之间的时间； 

f)调节防孤岛检测实验负载装置上位机上的R值和任一L或C值，以获得下表2中阴影部分参数表示的负载不匹配状况；表2中的参数表示的是偏差的百分比，符号表示的是图1中流经开关K1的有功功率流和无功功率流的方向，正号表示功率流从逆变器至电网；每次调节后，都应记录K1断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的1%以下之间的时间；若记录的时间有任何一项超过上步骤e)中记录的时间，则表2中非阴影部分参数也应进行试验。 

g)对于试验条件B和C，调节任一L或C值，使之按表2的规定每次变化1%。表3中的参数表示的是图1中流经开关K1的无功功率流的方向，正号表示功率流从逆变器到电网；每次调节后，记录K1断开至逆变器输出电流下降并维持在额定输出电流的1%以下之间的时间；若记录的时间呈上升趋势，则应继续以1%的增量扩大调节范围，直至记录的时间呈下降趋势。 

相对于现有的RLC负载箱，本实用新型具有以下特点： 

a.该防孤岛检测实验负载装置的电阻值、电感值、电容值可根据实际需要在上位机上自行设定，操作方便。 

b.该装置以将有功能量回馈电网，大量减少实验过程中的能量损耗；并且由于摈弃了机械方式的负载调整，提高了实验设备的使用寿命，减少了实验设备的维护成本；另外在体积与重量方面也将会有明显的优势。 

c.用变流器取代RLC负载箱，并准确实现RLC的单个特性或组合特性。控制调节比调整实际的电阻、电感和电容来控制电流、电压方向要更方便，精度更准确，速度也更快。 

d.因为没有实际物理的大功率电阻等器件消耗能量并产生大量热量，因此，绿色节能。 

e.半导体器件应用技术 

本实用新型有益效果：a.孤岛装置体积较小，重量较轻，R、L、C加载方便，只需通过人为设定就可精确实现。 

b.不存在热漂移，不需要寄生量补偿，因而精度更高。 

c.因为用变流器取代RLC负载箱，不需根据功率需求进行RLC负载箱内开关投切，因而响应快。 

d.控制灵活，操作方便。 

附图说明

图1.系统原理框图； 

图2.全桥逆变电路图； 

图3.交流滤波器电路图； 

图4.本实用新型控制流程图； 

图5.锁相环控制框图； 

图6.电流电压矢量图； 

图7.PI调节器。 

附图标记1、光伏电池板；2、直流滤波器；3、逆变桥；4、交流滤波器；5、电网；6、防孤岛检测负载装置；7、直流电源；8、park变换；9、比例积分调节器；10、积分器；11、误差比较器。 

具体实施方式

结合附图，对本实用新型作进一步阐述，图1为本发明技术方案的系统原理框图，用变流器模拟RLC负载特性，在实际中取代RLC负载箱来检测光伏发电并网装置的孤岛效应。本装置的主电路图主要有三部分：S直流电源，为孤岛装置的逆变器提供直流电；B逆变桥为全桥逆变结构，电路图如图2所示，该部分将直流电逆变成交流电，并根据实际孤岛检测的功率要求，控制逆变器输出一定的有功功率和无功功率；C交流滤波器，电路图如图3所示，该部分对B逆变器输出的交流电进行滤波，以减少谐波对电网的污染。 

Claims (1)

1.一种防孤岛检测实验负载装置,其特征在于由直流电源、全桥逆变结构逆变桥、交流滤波器依次连接构成，其中：

所述的直流电源，为防孤岛检测实验负载装置的逆变器提供直流电；

所述的全桥逆变结构逆变桥，将直流电逆变成交流电，并根据实际孤岛检测的功率要求，控制逆变器输出一定的有功功率和无功功率；

所述的交流滤波器，对逆变器输出的交流电进行滤波，以减少谐波对电网的污染。

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