电子负载在逆变器防孤岛检测平台中的应用
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发布者：lunwenchina
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时间：2021年2月01日 16:29
李 晖
（湖南理工职业技术学院 湖南 湘潭 411104 ）
摘要：近年来随着科技技术的发展电能已经成为社会生活的重要能源，电能质量从一定程度上会影响社会生活是否可实现正常运行。随着当前大量中小型分布式电源接入供电系统中，进而使孤岛现象逐渐暴发，如何有效防范孤岛成为当前国内外研究学者高度重视的问题。在本研究中有必要针对分布式电源在并网前进行防孤岛性能检测，当前防孤岛性能检测平台其负载大多采用 RLC 负载，该装置设计简单，但在实际测试过程中其电能消耗较大，此外该装置成本高。基于此，本研究提出了基于电子负载式的防孤岛检测平台，利用电子负载来代替 RLC ，将其作为检测平台的重要负载部分，并进一步证明该检测平台的可行性。
关键词：电子负载；逆变器；防孤岛；检测；平台；应用引言
当前对于分布式电源防孤岛在性能检测过程中采用可调 RLC 负载防孤岛系统检测装置，该装置成本高而且体积较大，此外在测试过程中需要耗费较多的电能，从一定程度上来看，这种检测装置无法作为分布式电源防孤岛系统检测装置。基于此，在本研究中提出电子负载分布式电源防孤岛性能检测平台，该平台采用电子负载作为负载装置，电子负载使用双sVPWM 背靠背结构拓扑电路设计，可分为前、后两个电路，以尽可能降低电能消耗。
1孤岛以及防孤岛相关分析
从其概念上来看，孤岛也被称为是孤岛效应，是指供电线路中电网一侧由于多种原因突然断电之后，线路中电源输出功率与线路中输接入荷载正常运行功率一致，此时有效进入负载与分布式电源的连接状态即孤岛效应。根据受控性可以将孤岛分为人为性以及非人为性孤岛，其中非为人为性孤岛是不受人为控制，而人为性孤岛是按照预先设置的策略，有计划的孤岛。由于考虑人为性孤岛其受控性能较好，可实现人为有效调节，尽可能避免孤岛效应的危害，因此在本研究中主要探讨的是非人为孤岛。
从孤岛的成因来看，主要是由于在维护过程中电网某测点或者进线口位置进行断电处理，由于受到外界因素和人为因素的影响，设备故障，导致突发性系统电源中断，供电配电系统及负载投切。当系统存在孤岛效应时，电网无法有效控制孤岛区域内电压幅值以及电压频率，甚至会出现被供电区域频率及电压不稳，甚至对设备带来一定损伤。除此之外，如果负载容量高于电源容量，此时会使分布电源处于过载运行状态，如果该电源长时间过载会被烧毁或者击穿，发生误导，之后分布式电源输出电量是与电网电量不同步。当恢复电网供电之后，由于线路电流会导致线路再次跳闸，甚至损坏电网设备或逆变器，从一定程度上影响电力系统的正常使用。防孤岛是指通过科学技术的手段，及时检测孤岛，并在一段时间内消除孤岛，在处理过程中常采用的方法是在电网故障或检修停电过程中，可以使用线路特定设备准确进行孤岛检测，之后将孤岛发生区域的发电装置与电网断离。
2设计负载结构以及参数
当前电子负载前级负载模拟变换电路的拓扑结构类型较多，在本研究中可以使用三相轿式电压型拓扑结构，该结构具有良好的适用性。由于将前级负载模拟转变为输出端，输入端，进而可获得后期馈能电路，因此这种拓扑结构也适用于后期馈能电路中。
在确定负载直流侧电压和主电路结构时，如果没有考虑实际运行情况中各电量高频开关分量以及开关变换器死区效应导致的电能损耗，在处于最大占空比状态时，交流侧基波相电压分子是与直流侧母线电压存在下列关系的。
当电子负载处于正常运行状态时，要求其满足前期模拟转换器电路直流侧母线电压高于交流侧电压峰值，能够防止其与 IGBT 并联的续流二极管，在交流侧电压高于直流侧电压时被强制采用整流状态，这种状态会使交流侧电流处于不可控。除此之外，要求在处于最大功率下，变换器直流侧电压可以使负载输入电流四象限运行，结合开关变换器直流侧电压要求其满足下列公式 。
最终综合多个因素可确定电子负载，电路电流，电压和频率为 220 伏，50 赫兹。
在设计直流侧电容参数时，对于直流电直流侧电容来说其主要用于前级模拟变换电路以及后级馈能电路能量缓冲，并能够实现直流侧电压稳定的效果。在直流侧电容参数设计过程中，要求直流侧电容电压波动范围控制到最小，以防止交流电压干扰，获得良好的电流控制效果。考虑电容电压，最大电压波动限制，因此单相电子负载直流侧电容取值如下公式所示。
而对于三相电子负载直流侧电容的取值如下公式所示。
3 构建三相电子负载数学模型
根据三相电子负载前级负载模拟转换过程中的主电路结构，由于前期负载模拟转换以及后级馈能部分电路结构相似，可按照所推导数学模型，将变换器桥臂开关函数设置为下列公式 。
根据该公式，三相电子负载前级负载模拟变换部分主电路数学模型，该模型能够用于不同的频段中，但由于其为数学模型，因此在计算过程中流程复杂，如果将其应用于控制电路时会增加设计难度。为降低设计难度，需要将开关函数处于一个周期内并进行傅里叶分解，最终可获得电路在某一稳定状态下小信号线性数学模型。
4 基于电子负载分布式电源防孤岛检测平台设计
首先需要确定主电路的结构，如下图所示为基于电子负载分布式电源防孤岛检测平台装置运行原理图。
在该图中，整个检测平台是由电子负载，即能够用于不同线性负载模拟，在具体测试过程中可替代 RLC 负载；分布式电源即待测对象；断路开关能够用于电网侧通断控制，模拟电网正常运行以及故障断电运行环境。当存在孤岛时如果未按规定时间消除孤岛，此时会自动断开断路开关，可以起到被动保护效果。
