電子負(fù)載在逆變器防孤島檢測平臺中的應(yīng)用

李暉

摘要：近年來隨著科技技術(shù)的發(fā)展電能已經(jīng)成為社會生活的重要能源，電能質(zhì)量從一定程度上會影響社會生活是否可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。隨著當(dāng)前大量中小型分布式電源接入供電系統(tǒng)中，進(jìn)而使孤島現(xiàn)象逐漸暴發(fā)，如何有效防范孤島成為當(dāng)前國內(nèi)外研究學(xué)者高度重視的問題。在本研究中有必要針對分布式電源在并網(wǎng)前進(jìn)行防孤島性能檢測，當(dāng)前防孤島性能檢測平臺其負(fù)載大多采用RLC負(fù)載，該裝置設(shè)計(jì)簡單，但在實(shí)際測試過程中其電能消耗較大，此外該裝置成本高。基于此，本研究提出了基于電子負(fù)載式的防孤島檢測平臺，利用電子負(fù)載來代替RLC，將其作為檢測平臺的重要負(fù)載部分，并進(jìn)一步證明該檢測平臺的可行性。

關(guān)鍵詞：電子負(fù)載;逆變器;防孤島;檢測;平臺;應(yīng)用

引言

當(dāng)前對于分布式電源防孤島在性能檢測過程中采用可調(diào)RLC負(fù)載防孤島系統(tǒng)檢測裝置，該裝置成本高而且體積較大，此外在測試過程中需要耗費(fèi)較多的電能，從一定程度上來看，這種檢測裝置無法作為分布式電源防孤島系統(tǒng)檢測裝置?；诖?，在本研究中提出電子負(fù)載分布式電源防孤島性能檢測平臺，該平臺采用電子負(fù)載作為負(fù)載裝置，電子負(fù)載使用雙sVPWM背靠背結(jié)構(gòu)拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)，可分為前、后兩個電路，以盡可能降低電能消耗。

1孤島以及防孤島相關(guān)分析

從其概念上來看，孤島也被稱為是孤島效應(yīng)，是指供電線路中電網(wǎng)一側(cè)由于多種原因突然斷電之后，線路中電源輸出功率與線路中輸接入荷載正常運(yùn)行功率一致，此時有效進(jìn)入負(fù)載與分布式電源的連接狀態(tài)即孤島效應(yīng)。根據(jù)受控性可以將孤島分為人為性以及非人為性孤島，其中非為人為性孤島是不受人為控制，而人為性孤島是按照預(yù)先設(shè)置的策略，有計(jì)劃的孤島。由于考慮人為性孤島其受控性能較好，可實(shí)現(xiàn)人為有效調(diào)節(jié)，盡可能避免孤島效應(yīng)的危害，因此在本研究中主要探討的是非人為孤島。

從孤島的成因來看，主要是由于在維護(hù)過程中電網(wǎng)某測點(diǎn)或者進(jìn)線口位置進(jìn)行斷電處理，由于受到外界因素和人為因素的影響，設(shè)備故障，導(dǎo)致突發(fā)性系統(tǒng)電源中斷，供電配電系統(tǒng)及負(fù)載投切。當(dāng)系統(tǒng)存在孤島效應(yīng)時，電網(wǎng)無法有效控制孤島區(qū)域內(nèi)電壓幅值以及電壓頻率，甚至?xí)霈F(xiàn)被供電區(qū)域頻率及電壓不穩(wěn)，甚至對設(shè)備帶來一定損傷。除此之外，如果負(fù)載容量高于電源容量，此時會使分布電源處于過載運(yùn)行狀態(tài)，如果該電源長時間過載會被燒毀或者擊穿，發(fā)生誤導(dǎo)，之后分布式電源輸出電量是與電網(wǎng)電量不同步。當(dāng)恢復(fù)電網(wǎng)供電之后，由于線路電流會導(dǎo)致線路再次跳閘，甚至損壞電網(wǎng)設(shè)備或逆變器，從一定程度上影響電力系統(tǒng)的正常使用。防孤島是指通過科學(xué)技術(shù)的手段，及時檢測孤島，并在一段時間內(nèi)消除孤島，在處理過程中常采用的方法是在電網(wǎng)故障或檢修停電過程中，可以使用線路特定設(shè)備準(zhǔn)確進(jìn)行孤島檢測，之后將孤島發(fā)生區(qū)域的發(fā)電裝置與電網(wǎng)斷離。

2設(shè)計(jì)負(fù)載結(jié)構(gòu)以及參數(shù)

當(dāng)前電子負(fù)載前級負(fù)載模擬變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型較多，在本研究中可以使用三相轎式電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的適用性。由于將前級負(fù)載模擬轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龆耍斎攵?，進(jìn)而可獲得后期饋能電路，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也適用于后期饋能電路中。

在確定負(fù)載直流側(cè)電壓和主電路結(jié)構(gòu)時，如果沒有考慮實(shí)際運(yùn)行情況中各電量高頻開關(guān)分量以及開關(guān)變換器死區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致的電能損耗，在處于最大占空比狀態(tài)時，交流側(cè)基波相電壓分子是與直流側(cè)母線電壓存在下列關(guān)系的。

當(dāng)電子負(fù)載處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，要求其滿足前期模擬轉(zhuǎn)換器電路直流側(cè)母線電壓高于交流側(cè)電壓峰值，能夠防止其與IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管，在交流側(cè)電壓高于直流側(cè)電壓時被強(qiáng)制采用整流狀態(tài)，這種狀態(tài)會使交流側(cè)電流處于不可控。除此之外，要求在處于最大功率下，變換器直流側(cè)電壓可以使負(fù)載輸入電流四象限運(yùn)行，結(jié)合開關(guān)變換器直流側(cè)電壓

最終綜合多個因素可確定電子負(fù)載，電路電流，電壓和頻率為220伏，50赫茲。

在設(shè)計(jì)直流側(cè)電容參數(shù)時，對于直流電直流側(cè)電容來說其主要用于前級模擬變換電路以及后級饋能電路能量緩沖，并能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定的效果。在直流側(cè)電容參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，要求直流側(cè)電容電壓波動范圍控制到最小，以防止交流電壓干擾，獲得良好的電流控制效果?？紤]電容電壓，最大電壓波動限制，因此單相電子負(fù)載直流側(cè)電容取值如下公式所示。

而對于三相電子負(fù)載直流側(cè)電容的取值如下公式所示。

3 構(gòu)建三相電子負(fù)載數(shù)學(xué)模型

根據(jù)三相電子負(fù)載前級負(fù)載模擬轉(zhuǎn)換過程中的主電路結(jié)構(gòu)，由于前期負(fù)載模擬轉(zhuǎn)換以及后級饋能部分電路結(jié)構(gòu)相似，可按照所推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，將變換

根據(jù)該公式，三相電子負(fù)載前級負(fù)載模擬變換部分主電路數(shù)學(xué)模型，該模型能夠用于不同的頻段中，但由于其為數(shù)學(xué)模型，因此在計(jì)算過程中流程復(fù)雜，如果將其應(yīng)用于控制電路時會增加設(shè)計(jì)難度。為降低設(shè)計(jì)難度，需要將開關(guān)函數(shù)處于一個周期內(nèi)并進(jìn)行傅里葉分解，最終可獲得電路在某一穩(wěn)定狀態(tài)下小信號線性數(shù)學(xué)模型。

4 基于電子負(fù)載分布式電源防孤島檢測平臺設(shè)計(jì)

首先需要確定主電路的結(jié)構(gòu)，如下圖所示為基于電子負(fù)載分布式電源防孤島檢測平臺裝置運(yùn)行原理圖。

在該圖中，整個檢測平臺是由電子負(fù)載，即能夠用于不同線性負(fù)載模擬，在具體測試過程中可替代RLC負(fù)載;分布式電源即待測對象;斷路開關(guān)能夠用于電網(wǎng)側(cè)通斷控制，模擬電網(wǎng)正常運(yùn)行以及故障斷電運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)存在孤島時如果未按規(guī)定時間消除孤島，此時會自動斷開斷路開關(guān)，可以起到被動保護(hù)效果。U/i采樣模塊能夠用于采集線路，電流電壓指數(shù)據(jù)處理模塊主要對采集模塊采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，負(fù)載參數(shù)控制模塊也被稱為是負(fù)載控制回路，根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)控制電子負(fù)載模擬其所需的RLC負(fù)載，電壓檢測模塊能夠用于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的檢測，觀察電壓波形進(jìn)而判斷該電源防孤島系統(tǒng)是否滿足相關(guān)要求。

5 設(shè)計(jì)負(fù)載部分控制回路策略

在設(shè)計(jì)過程中主要針對將電子負(fù)載置入檢測平臺之后，需要對負(fù)載部分控制回路進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。相對來說，電子負(fù)載控制回流中后級饋能控制策略是與單獨(dú)電子負(fù)載后級饋能策略設(shè)計(jì)一致的，因此在針對后級電路設(shè)計(jì)過程中可以參考單獨(dú)電子負(fù)載后級電路控制，但在無功功率或給定有功條件下獲取方式有一定差別。具體來看，對于單獨(dú)電子負(fù)載來說獲取給定有功功率參考值，首先需要將給定值只有電壓與實(shí)際電壓進(jìn)行比較作差，將該差值基因調(diào)節(jié)器與實(shí)際電壓乘積獲得給定功率參考值，而針對給定無功率參考值，在獲取過程中是無功功率參考值與實(shí)際無功功率之差，將該差值經(jīng)過調(diào)節(jié)器獲得給定無功功率調(diào)節(jié)范圍。對于檢測平臺中電子負(fù)載來說，在獲取給定有功功率過程中是將給定直流電壓和實(shí)際電壓做差之后，將開始進(jìn)行調(diào)節(jié)器與實(shí)際電壓乘積，將乘積獲得的數(shù)據(jù)與分布式電源輸出功率做差，最后將? 該差值經(jīng)過調(diào)解器調(diào)解之后獲得給定有功功率參考值。對于分布式電源，防孤島性能從一定程度上是電網(wǎng)并網(wǎng)逆變器孤島檢測方法，通常采用主、被動結(jié)合的原則，為考慮孤島檢測優(yōu)缺點(diǎn)，在本研究中采取基于電壓有功和頻率無功，正反饋算法進(jìn)行孤島檢測。

小結(jié)

總而言之，在本研究中以分布式電源防孤島性能檢測作為研究對象，設(shè)計(jì)背靠背結(jié)構(gòu)電子負(fù)載，利用該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對分布式電源防孤島系統(tǒng)的相關(guān)檢測。

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