本發(fā)明涉及一種光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置，屬光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，分布式新能源發(fā)電憑借其經(jīng)濟(jì)性和有效性一直保持著持續(xù)增長的態(tài)勢，其接入配電網(wǎng)也給電網(wǎng)帶來了一系列的難題，其中“孤島”是目前研究最廣泛的課題之一。一旦孤島發(fā)生，可能會造成諸如人身安全、經(jīng)濟(jì)效益、電能質(zhì)量等方面的問題。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求逆變器并入10KV及以下電壓等級配電網(wǎng)應(yīng)具有防孤島效應(yīng)保護(hù)功能。若逆變器并入的電網(wǎng)供電中斷，逆變器應(yīng)在2s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電，同時發(fā)出警示信號。

目前，隨著光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的成熟，已經(jīng)涌現(xiàn)出許多的孤島檢測算法，光伏并網(wǎng)逆變器防孤島檢測方法可以分為兩大類：被動式和主動式。其中被動式孤島檢測方法是基于檢測電壓、頻率、諧波含量等參數(shù)是否越限來判斷孤島，為檢測孤島期間變化的電網(wǎng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)，常用的策略有過/欠頻率、過/欠電壓檢測法、相角跳變檢測法、諧波檢測法等，被動檢測方法主要的優(yōu)勢在于不會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，但存在較大的檢測盲區(qū)；主動檢測方法是向逆變器電流的幅值、頻率、相位等注入擾動量，在孤島發(fā)生時引起公共點(diǎn)電壓參數(shù)發(fā)生變化來判別孤島狀態(tài)，其主要優(yōu)勢在于減小甚至消除盲區(qū)，但隨之帶來的是惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量甚至影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；為光伏逆變器產(chǎn)生小擾動，電網(wǎng)的某一個參數(shù)發(fā)生變化，包括頻率漂移法、無功功率變化法、諧波注入法。

目前光伏并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)主要采用可調(diào)RLC并聯(lián)模擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)室測試，該測試方法不僅測試流程復(fù)雜，同時測試條件苛刻，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，PWM控制技術(shù)越來越成熟，不僅準(zhǔn)確控制整流、逆變器實(shí)現(xiàn)電壓源及電流源，同時可是實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。

目前光伏并網(wǎng)逆變器防孤島保護(hù)主要采用可調(diào)RLC并聯(lián)模擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)室測試，該測試方法不僅測試流程復(fù)雜，同時測試條件苛刻。

傳統(tǒng)RLC負(fù)載防孤島保護(hù)試驗(yàn)平臺主要由直流源、光伏并網(wǎng)逆變器、RLC測試單元、數(shù)字示波器、大電網(wǎng)組成，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法可調(diào)的RLC并聯(lián)負(fù)載模擬孤島負(fù)載，通過開關(guān)K2調(diào)節(jié)RLC負(fù)載，調(diào)節(jié)電阻、電感、電容的值，通過數(shù)字示波器監(jiān)測人工調(diào)節(jié)RLC負(fù)載的輸入功率接近光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)功率，RLC測試裝置缺點(diǎn)不僅體積龐大、造價高，消耗大量的電能，同時難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)功率匹配。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了提高光伏并網(wǎng)逆變器防孤島測試水平，有效解決傳統(tǒng)的RLC負(fù)載測試條件的限制，針對傳統(tǒng)RLC負(fù)載防孤島保護(hù)試驗(yàn)平臺存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明公開一種光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置，包括直流側(cè)、輸入側(cè)、輸出側(cè)和控制系統(tǒng)；輸入側(cè)通過直流側(cè)連接輸出側(cè)；控制系統(tǒng)控制直流側(cè)、輸入側(cè)和輸出側(cè)的工作參數(shù)。

所述電子防孤島裝置串聯(lián)在光伏并網(wǎng)逆變器與大電網(wǎng)之間，所述電子防孤島裝置從電網(wǎng)側(cè)吸收能量穩(wěn)定直流側(cè)電壓，輸入側(cè)逆變形成電壓源；并網(wǎng)逆變器檢測到穩(wěn)定頻率的電壓源后實(shí)時跟蹤電壓輸出，并網(wǎng)逆變器功率潮流流向電子防孤島輸入側(cè)，輸出側(cè)通過四象限控制策略將能量反饋電網(wǎng)。

所述裝置采用實(shí)時功率匹配的三相四線制背靠背結(jié)構(gòu)電力電子防孤島保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)與光伏并網(wǎng)逆變器功率的實(shí)時匹配，自動生成R、L、C參數(shù)，智能計算有功功率、無功功率與額定值的偏差百分比，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器防孤島功能的自動化測試，同時將全過程測試能量反饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

所述裝置輸入側(cè)模擬交流電壓源實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器與測試裝置在有功功率、無功功率的高精度匹配；輸出側(cè)將從輸入側(cè)吸收的有功功率高效逆變反饋電網(wǎng)，控制系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PI控制。

所述自適應(yīng)模糊PI控制，以常規(guī)PI控制為前提，采用模糊推理思想，將誤差e和誤差變化率e_c作為模糊控制器的兩個輸入量，通過模糊控制器的輸出變量，利用模糊規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時整定，從而使PID參數(shù)最優(yōu)；

模糊控制是對2個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時整定，以滿足不同輸入誤差量e和誤差變化率e_c，確保被控對象有良好的動、靜態(tài)性能；首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的值，然后通過模糊推理得到修正值△k_p、△k_i，由經(jīng)驗(yàn)值和修正值得到最優(yōu)k_p和k_i；

上式中為系統(tǒng)的經(jīng)典PI參數(shù)，△k_p、△k_i為模糊推理得到的調(diào)整值；

根據(jù)自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對PI參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)PI的控制算式：

△e(t)＝e^*(t)-e(t)

式中，k_p為比例系數(shù)；k_i為積分系數(shù)。

所述輸入側(cè)及輸出側(cè)均由四橋臂IGBT和濾波電抗器組成；每一相的濾波電抗器連接四橋臂IGBT中的一個橋臂；濾波電抗器的另一端連接到并網(wǎng)逆變器的各相；四H橋臂IGBT的輸出端連接直流側(cè)電容器兩端。

同樣，輸出側(cè)結(jié)構(gòu)與輸入側(cè)相同，輸出側(cè)四橋臂IGBT的各橋臂分別連接輸出側(cè)濾波電抗器的一端；輸出側(cè)濾波電抗器的另一端連接大電網(wǎng)各相；輸出側(cè)四橋臂IGBT的輸出端連接直流側(cè)的電容器兩端。

所述控制系統(tǒng)包括計算模塊、電壓鎖相環(huán)、PI控制器、控制模塊和四象限控制模塊；輸入側(cè)的各相電壓分別連接計算模塊的電壓輸入端口及電壓鎖相環(huán)的輸入端；輸入側(cè)的各相電抗器的輸出端連接計算模塊的電流輸入端口，向計算模塊輸入各相電流；電壓鎖相環(huán)輸出的電壓和頻率信號經(jīng)實(shí)時計算出有功指令P^*與無功指令和Q^*，通過自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)計算出需要輸出電壓大小與頻率，經(jīng)過脈沖生成模塊產(chǎn)生16路脈沖控制輸入側(cè)四橋臂IGBT工作；輸出側(cè)的輸出電壓連接四象限控制模塊的電壓輸入端口；輸出側(cè)四橋臂IGBT的各相輸出電流連接四象限控制模塊的電流輸入端口；四象限控制模塊的輸出端連接控制模塊的輸入端以控制輸出側(cè)四橋臂IGBT的工作。

所述控制系統(tǒng)可由一個控制器集成，實(shí)現(xiàn)對電子防孤島測試裝置的控制。

所述電子防孤島測試裝置有兩個工況，電壓源啟動模式后轉(zhuǎn)為電子防孤島模式，其中電壓源模式時，輸出側(cè)檢測電網(wǎng)電壓、頻率參數(shù)后，吸收電網(wǎng)側(cè)能量穩(wěn)定直流側(cè)電壓，輸入側(cè)逆變?nèi)嚯妷?，待光伏并網(wǎng)逆變器在輸入側(cè)輸送能量后，為了維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，輸出側(cè)將能量逆變回電網(wǎng)。

所述電子防孤島測試裝置的測試方法如下：

(1)光伏變流器進(jìn)行孤島檢測前，裝置先作為交流源運(yùn)行，輸出穩(wěn)定的電壓幅值與頻率，光伏并網(wǎng)逆變器檢測到穩(wěn)定的電壓后正常并網(wǎng)運(yùn)行；

(2)電子防孤島裝置實(shí)時檢測設(shè)備輸入的有功、無功、電壓、頻率、諧波、相位參數(shù)，依據(jù)檢測量，以及需要的品質(zhì)因數(shù)Q_f，實(shí)時計算出需要模擬的負(fù)載電阻，負(fù)載電感L，負(fù)載電容C；

通過上述公式，計算模擬的負(fù)載電阻，負(fù)載電感L，負(fù)載電容C；

(3)在接收到孤島模式指令命令后，控制系統(tǒng)利用模擬R,L,C參數(shù),通過自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)計算指令，閉環(huán)控制輸出電壓幅值、頻率、相位和諧波；

(4)光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置同時具備主動檢測方法與被動檢測方法，被動檢測方法-電子防孤島測試裝置輸入側(cè)通過周期性調(diào)節(jié)電壓的頻率、電壓幅值、相角跳變、疊加電壓諧波等功能模擬電網(wǎng)孤島期間電網(wǎng)參數(shù)的變化引起的電壓、頻率、相位角的突變，以此檢測光伏并網(wǎng)逆變器被動防孤島功能；主動防孤島-通過電子防孤島測試裝置進(jìn)入電子防孤島模式，實(shí)時檢測光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓、有功功率、無功功率、電流、頻率、諧波和相位參數(shù)，通過計算出電子防孤島測試裝置輸入側(cè)電壓幅值、頻率、相位、諧波修改指令，通過閉環(huán)控制將修改指令疊加到原來的指令上，從而實(shí)現(xiàn)電壓幅值、頻率、相位和諧波的改變，以此檢測光伏并網(wǎng)逆變器主動防孤島功能。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用了實(shí)時控制技術(shù)，可以實(shí)時檢測光伏逆變器輸出的有功和無功并實(shí)時計算出需要模擬的負(fù)載電阻、電感、電容。孤島測試時，可以按照國標(biāo)中要求的負(fù)載匹配等各種工況的防孤島保護(hù)測試實(shí)驗(yàn)，使防孤島保護(hù)測試實(shí)驗(yàn)可以不受現(xiàn)場條件約束。

本發(fā)明依托電力電子技術(shù)開發(fā)電力電子防孤島裝置，在控制策略上采用自適應(yīng)模糊PI控制器，不僅克服了傳統(tǒng)的PI控制器無法保證有功指令或無功指令對穩(wěn)態(tài)精度以及動態(tài)性能的問題，并且在參數(shù)因?yàn)榄h(huán)境等而發(fā)生變化等因素具有較好的抑制能力；裝置拓?fù)鋭?chuàng)新的采用背靠背三相四線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與光伏并網(wǎng)逆變器功率的實(shí)時匹配，自動生成R、L、C參數(shù)，智能計算有功功率、無功功率與額定值的偏差百分比，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器防孤島功能的自動化測試，同時將全過程測試能量反饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用，克服了傳統(tǒng)測試的種種限制弊端，提高了測試精度，規(guī)范了測試流程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電子防孤島保護(hù)試驗(yàn)平臺示意圖；

圖中，1是光伏電池板/直流源；2是并網(wǎng)逆變器；3是輸入側(cè)；4是直流側(cè)；5是輸出側(cè)；6是大電網(wǎng)；

圖2是本發(fā)明防孤島保護(hù)測試裝置控制系統(tǒng)；

圖3是本發(fā)明防孤島保護(hù)測試裝置自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)；

圖4為20kW光伏并網(wǎng)逆變器100％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖；

圖5為20kW光伏并網(wǎng)逆變器60％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖；

圖6為20kW光伏并網(wǎng)逆變器33％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖；

圖7為10kW光伏并網(wǎng)逆變器100％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖；

圖8為10kW光伏并網(wǎng)逆變器60％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖；

圖9為10kW光伏并網(wǎng)逆變器33％功率條件下防孤島響應(yīng)趨勢對比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施方式如圖1和圖2所示。

本實(shí)施例一種光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置，包括直流側(cè)4、輸入側(cè)3、輸出側(cè)5和控制系統(tǒng)；輸入側(cè)通過直流側(cè)4連接輸出側(cè)5；控制系統(tǒng)控制直流側(cè)4、輸入側(cè)3和輸出側(cè)5的工作參數(shù)。

本實(shí)施例電子防孤島裝置串聯(lián)在光伏并網(wǎng)逆變器2與大電網(wǎng)6之間，所述電子防孤島裝置從大電網(wǎng)6側(cè)吸收能量穩(wěn)定直流側(cè)電壓，輸入側(cè)3逆變形成電壓源；并網(wǎng)逆變器2檢測到穩(wěn)定頻率的電壓源后實(shí)時跟蹤電壓輸出，并網(wǎng)逆變器2功率潮流流向電子防孤島輸入側(cè)3，輸出側(cè)5通過四象限控制策略將能量反饋電網(wǎng)。

本實(shí)施例電子防孤島裝置的控制系統(tǒng)包括計算模塊、電壓鎖相環(huán)、PI控制器、控制模塊和四象限控制模塊；輸入側(cè)的各相電壓分別連接計算模塊的電壓輸入端口及電壓鎖相環(huán)的輸入端；輸入側(cè)的各相電抗器的輸出端連接計算模塊的電流輸入端口，向計算模塊輸入各相電流；電壓鎖相環(huán)輸出的電壓和頻率信號經(jīng)實(shí)時計算出有功指令P^*與無功指令和Q^*，通過自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)計算出需要輸出電壓大小與頻率，經(jīng)過脈沖生成模塊產(chǎn)生16路脈沖控制輸入側(cè)四橋臂IGBT工作；輸出側(cè)的輸出電壓連接四象限控制模塊的電壓輸入端口；輸出側(cè)四橋臂IGBT的各相輸出電流連接四象限控制模塊的電流輸入端口；四象限控制模塊的輸出端連接控制模塊的輸入端以控制輸出側(cè)四橋臂IGBT的工作。

本實(shí)施例電子防孤島裝置采用的自適應(yīng)模糊PI系統(tǒng)是以常規(guī)PI控制為前提，采用模糊推理思想，將誤差e和誤差變化率e_c作為模糊控制器的兩個輸入量，通過模糊控制器的輸出變量，利用模糊規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時整定，從而使PID參數(shù)最優(yōu)，自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本實(shí)施例自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計如下：

采集電子防孤島輸入側(cè)交流電母線上三相電壓U_a，U_b，U_c，計算出電壓的幅值與頻率，依據(jù)需要模擬的RLC負(fù)載參數(shù)實(shí)時計算出有功指令與無功指令P^*和Q^*，通過自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)計算出需要輸出電壓大小與頻率經(jīng)過脈沖生成模塊產(chǎn)生16路脈沖控制四橋臂IGBT工作。逆變器的輸出功率跟隨交流電壓和RLC參數(shù)變化而變化，在基頻上響應(yīng)與真實(shí)RLC負(fù)載一致，如圖2所示該過程包括有功比較單元和無功比較單元。

設(shè)有功指令P^*＝U²/R，

無功指糊令Q*＝U²·2πf·C-U²/2πf·L，

反饋有功計算：P＝u_α·i_α+u_β·i_β，

反饋無功計算：Q＝u_α·i_α+u_β·i_β。

其P^*、Q^*和P、Q的差作為自適應(yīng)模PI調(diào)節(jié)器的輸入，

本實(shí)施例對模糊控制的基本思想是對2個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時整定，以滿足不同輸入誤差量e和誤差變化率e_c，確保被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的值，然后通過模糊推理得到修正值△k_p、△k_i，由經(jīng)驗(yàn)值和修正值得到最優(yōu)k_p和k_i。

上式中為系統(tǒng)的經(jīng)典PI參數(shù)，△k_p、△k_i為模糊推理得到的調(diào)整值。根據(jù)圖3實(shí)現(xiàn)了對PI參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)PI的控制算式可得：

△e(t)＝e^*(t)-e(t)

式中，k_p為比例系數(shù)；k_i為積分系數(shù)。

本實(shí)施例電子防孤島測試裝置的測試方法如下：

(1)光伏變流器進(jìn)行孤島檢測前，裝置先作為交流源運(yùn)行，輸出穩(wěn)定的電壓幅值與頻率，光伏并網(wǎng)逆變器檢測到穩(wěn)定的電壓后正常并網(wǎng)運(yùn)行；

(2)電子防孤島裝置實(shí)時檢測設(shè)備輸入的有功、無功、電壓、頻率、諧波、相位參數(shù)，依據(jù)檢測量，以及需要的品質(zhì)因數(shù)Q_f，實(shí)時計算出需要模擬的負(fù)載電阻，負(fù)載電感L，負(fù)載電容C；

通過上述公式，計算模擬的負(fù)載電阻，負(fù)載電感L，負(fù)載電容C；

(4)在接收到孤島模式指令命令后，控制系統(tǒng)利用模擬R,L,C參數(shù),通過自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)計算指令，閉環(huán)控制輸出電壓幅值、頻率、相位和諧波；

(4)光伏并網(wǎng)逆變器電子防孤島測試裝置同時具備主動檢測方法與被動檢測方法，被動檢測方法-電子防孤島測試裝置輸入側(cè)通過周期性調(diào)節(jié)電壓的頻率、電壓幅值、相角跳變、疊加電壓諧波等功能模擬電網(wǎng)孤島期間電網(wǎng)參數(shù)的變化引起的電壓、頻率、相位角的突變，以此檢測光伏并網(wǎng)逆變器被動防孤島功能；主動防孤島-通過電子防孤島測試裝置進(jìn)入電子防孤島模式，實(shí)時檢測光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓、有功功率、無功功率、電流、頻率、諧波和相位參數(shù)，通過計算出電子防孤島測試裝置輸入側(cè)電壓幅值、頻率、相位、諧波修改指令，通過閉環(huán)控制將修改指令疊加到原來的指令上，從而實(shí)現(xiàn)電壓幅值、頻率、相位和諧波的改變，以此檢測光伏并網(wǎng)逆變器主動防孤島功能。

本實(shí)施例對不同容量逆變器，在不同功率下的采用電子防孤島及傳統(tǒng)RLC防孤島測試對比實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了20kW光伏并網(wǎng)逆變器100％功率下實(shí)驗(yàn)、60％功率下實(shí)驗(yàn)、33％功率下實(shí)驗(yàn)；10kW光伏并網(wǎng)逆變器100％功率下實(shí)驗(yàn)、60％功率下實(shí)驗(yàn)、33％功率下實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)施例電子防孤島與傳統(tǒng)RLC孤島測試對比試驗(yàn)進(jìn)行了10kW、20kW不同容量光伏并網(wǎng)逆變器，在100％功率實(shí)驗(yàn)、60％功率實(shí)驗(yàn)、33％功率實(shí)驗(yàn)3種功率情況下，分別進(jìn)行了有功功率與無功功率偏差的9種工況實(shí)驗(yàn)，通過各種工況可以發(fā)現(xiàn)RLC傳統(tǒng)測試方法與電子防孤島測試結(jié)果一致均滿足國標(biāo)要求。