CN109031045B - 基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自适应阈值选择的有功‑电压互相关度孤岛检测方法，涉及分布式电源并网技术领域。该方法首先建立逆变器不同状态下输出有功功率与并网点电压之间的关系，确定初始有功扰动量；然后计算有功功率扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度，建立有功电流扰动和电压变化的相关度矩阵；再根据相关度矩阵，确定相关度阈值和最小有功扰动量；最后，对并网逆变器输出有功电流持续施加最小扰动量，实时计算有功扰动‑电压变化互相关度，并将其与设定的阈值进行比较，判断是否有孤岛发生。本发明提供的基于自适应阈值选择的有功‑电压互相关度孤岛检测方法，对电网无影响，无检测盲区，大大缩短了检测时间，并可以防止误检测。

Description

基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及分布式电源并网技术领域，尤其涉及一种基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法。

背景技术

随着智能电网建设的不断发展，分布式电源的大规模接入给传统电网的安全运行和维护带来了一系列巨大的挑战，其中一个挑战就是孤岛效应。当电网由于故障、检修等原因断开与相应节点的连接时，如果并网光伏发电设备没有检测到电网的这一断开状态，就会形成一个“能源孤岛”，持续地向本地负载及相关网络输送电能，这种情况被称为“孤岛效应”。孤岛的存在给检修人员和设备安全运行造成严重的威胁。近几十年来，随着新能源，尤其是太阳能光伏发电的普及，孤岛的危害越来越受到国内外专家学者的重视，如果不能利用现有的技术与理论研究一种安全可靠的孤岛检测方法，不仅会严重制约新能源的发展，还会阻碍智能电网的建设。因此，展开针对于光伏并网设备孤岛检测方法的研究具有重要而深远的意义。

现有的孤岛检测方法主要分为主动检测法与被动检测法。被动检测法直接检测PCC(point of common coupling)节点的相关指标(如电压、频率等)是否超过设定的正常范围，从而判断孤岛是否发生；主动检测法通过向电网施加扰动，从而使并网点电压、频率等检测量在电网断开时不受钳制而迅速偏离出指定范围。被动检测法虽无需向电网注入扰动，但是检测盲区较大，在并网逆变器输出功率与本地负载功率匹配时，容易检测失败；主动式检测法虽然克服了被动式检测法的这一缺陷，但是要让检测量偏移出正常范围，往往需要向电网加入大量扰动，影响逆变器输出，污染电网。

研究发现，互相关函数及其他信号分析领域中的信号处理方法，在分析并处理电力系统相关信号时同样具有良好的适用性和效果，并已经被应用于电力系统及相关领域的研究。互相关函数是描述两个随机或者确知信号之间相关程度的一种函数，它能用来确定输出信号有多大程度来自输入信号。对于并网状态下的逆变器，其并网点电压(即输出端电压)受电网电压钳制，基本保持不变；而对于离网状态下的逆变器，输出有功直接影响输出电压，鉴于并网逆变器多数以单位功率因数运行，输出电流只发出有功功率，从而可以想到，对于并网状态下的逆变器，可以对其输出有功电流进行微量扰动，使其端电压发生变化，然后计算其有功电流和电压的互相关程度。根据分析，并、离网状态下的有功电流和电压相关程度会有明显差异，借此即可在无需使并网点电压超限的情况下成功判断孤岛是否发生，大大减少了检测时间、检测盲区以及对电网的扰动。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，通过判断计算所得的有功-电压相关度是否超过所设定阈值来实现孤岛检测。

基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，包括以下步骤：

步骤1：在并网逆变器输出有功与负载有功匹配，且本地负载的谐振频率与电网频率一致的情况下，根据并网点电压及负载有功确定本地初始负载阻抗值，建立该负载下逆变器并网状态和离网状态输出有功电流与并网点电压之间的关系，分析并网点电压波动情况，确定孤岛检测算法的初始有功电流扰动量；

步骤1.1：在并网情况下，逆变器输出端电压受到电网电压的钳制，此时无论负载消耗的功率与逆变器输出的功率相差多少，施加在逆变器电流控制单元上的变化均无法使并网点的电压发生明显变化；令并网点电压为U_Lg，电网电压为U_g，则

U_Lg＝U_g

步骤1.2：逆变器处于离网状态时，其输出端电压将受逆变器输出电流和负载阻抗的影响；特别是当负载谐振频率与电网频率一致时，输出电流只产生有功功率；如果逆变器输出与负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，并网点的电压就不会发生变化，此种情况下的孤岛最难检测；若电网的交流电压为U_G，其幅值为U_Gm，电压幅值波动最大值为±x，并网逆变设备所能输出的最大有功功率为p，负载所消耗的功率也为p，此时电网与负载没有功率交换，属于功率相匹配情况；则初始负载阻抗Z_s如下公式所示：

未加扰动时，逆变器输出电流i_L将跟随与电网电压同频同相的正弦给定信号i_g；添加了扰动信号后，电流信号的给定量i_L为正弦给定信号i_g和扰动信号i_r之和，则此时并网点电压U_L如下公式所示：

U_L＝(i_g+i_r)Z_s

步骤1.3：若并网点电压单向波动平均值为

初始有功电流扰动量幅值为△i_s，则：

步骤2：根据并网状态下和离网状态下逆变器输出有功电流的变化量与并网点电压变化量的关系，以随机信号的互相关函数为基础，分别构建并网状态和离网状态下有功电流扰动-电压变化离散互相关函数，计算有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度；

步骤2.1：对于并网逆变器的输出有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u，采用互相关函数来描述这两个不同的信号之间的相关性，如下公式所示：

其中，R_△i△u为互相关函数，t为时间，τ为两个信号在时间轴上的差值，T为两个函数的周期；

由于实际控制时采样频率只能是有限值，因此在实际处理的时候，将并网逆变器闭环控制器的有功电流输出以及输出端电压当作离散信号来处理；

对于有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u的离散信号△i_i，△u_i，i＝1、2…、N，N为离散信号总数，其互相关函数为：

其中，i为离散信号节点数，j为两信号在时间轴上的偏移量；

步骤2.2：分别在并网状态和离网状态下对逆变器输出有功电流幅值持续加入如下公式所示的有功电流扰动量△I_s：

△I_s＝C|△i_s|

其中，C为0:1之间的随机数序列；

得到初始有功扰动序列△I_sn，n＝1、2、…、N，令并网状态和离网状态下电压变化的离散化序列分别为△u_n，△u_1n，则并网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_b(j)如下公式所示：

离网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_l(j)如下公式所示：

当逆变器并网运行时，其输出端电压与电网电压相同，几乎不受电流扰动影响，导致并网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_b非常小，接近于零；而当逆变器离网运行时，输出端电压不再受电网电压钳制，离网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_l将迅速增大；

步骤3：根据并网状态和离网状态下有功电流扰动与输出电压变化离散互相关度，分析不同大小的有功电流扰动和不同的负载阻抗对互相关度的影响，并建立不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动和电压变化的相关度矩阵R_KH；

步骤3.1：在离网状态下，从初始负载阻抗Z_s开始，等间隔减小测试负载的阻抗至Z_K，对每一种负载阻抗下的并网逆变器，施加初始有功扰动序列△I_sn，得到不同负载阻抗下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R₁、R₂、…、R_K；

步骤3.2：对每一种阻抗下的并网逆变器，在初始有功电流扰动量△i_s的基础上，等间隔增加初始有功电流扰动量的幅值至△i_sH，得到一组相应的PCC节点电压变化量△u_kh，k＝1、2、…、K；h＝1、2、…、H，计算此时有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R₁₁、R₁₂、…、R_KH，得到在离网状态下，不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动-输出端电压变化的相关度矩阵R_KH，如下公式所示：

其中，同一行的互相关度所关联的负载阻抗相同，所施加的有功电流扰动逐渐增加；同一列的互相关度所关联的负载阻抗逐渐减小，所施加的有功电流扰动相同；

步骤4：根据得到的相关度矩阵R_KH，在逆变器最大输出功率P_m与负载所需功率匹配的情况下，寻找有功电流扰动量与有功电流扰动-输出端电压变化互相关度的最优组合值，确定相关度阈值R_f与最小有功电流扰动量△I_min；

步骤4.1：当逆变器接入不同稳定强度的电网时，计算并网状态下的有有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R_b，将其与矩阵R_KH中的最小值比较，若R_b大于矩阵R_KH中的最小值，则将初始有功电流扰动量幅值△i_s增加1％，直到R_b小于R_KH中的最小值；

步骤4.2：对于所建立的相关度矩阵R_KH每一行，选取其最大值R_kmax，若R_kmax<2R_b，则执行步骤3.2，直到R_kmax>2R_b；

步骤4.3：对于最大输出功率为P_m的并网逆变器，在其输出功率与负载功率平衡时，根据逆变器所接入网络的端电压，计算其初始负载阻抗Z_s，若Z_s<Z_K，则将相关度矩阵R_KH中的相应阻抗等间隔减小至Z_s，建立新的相关度矩阵；

步骤4.4：并网情况下，本地负载工作在电网电压下，阻抗小意味着负载消耗的功率大，而在最困难检测情况下，逆变器输出功率与负载消耗功率相匹配，负载消耗的功率大，意味着逆变器输出功率大，对于初始负载阻抗Z_s，其对应的逆变器输出最大功率为P_m，则当并网逆变器以功率P_m输出时，在建立的相关度矩阵中的最后一行，找到所有大于2R_b的相关度，并在其中选取一个最小的，将其所在列对应的有功电流扰动记为△I_min，并将相关度阈值R_f设为1.5R_b，则当相关度阈值R_f为1.5R_b时，△I_min即为实现成功检测所需要的最小有功电流扰动量；扰动量△I_min对于任何输出功率小于P_m的并网逆变器均可实现成功检测；

步骤5：对于所有输出功率小于P_m的并网逆变器，在并网状态时，对其输出的有功电流持续施加所确定的最小有功电流扰动量△I_min，并实时计算有功电流扰动-输出端电压变化互相关度，并将其与设定的相关度阈值R_f进行比较，判断是否有孤岛发生；

步骤5.1：判断逆变器输出功率是否小于最大输出功率P_m，若小于，则在其并网运行时，对输出有功电流持续施加有功电流扰动量△I_min；并执行步骤5.2及5.3；否则重新执行步骤4，重新计算并设定相关度阈值；

步骤5.2：实时计算有功电流扰动-输出端电压变化的互相关度R_out；

步骤5.3：将计算的互相关度R_out与相关度阈值R_f比较，若R_out≥R_f，则判断孤岛已经发生；若R_out<R_f，则重新执行步骤5.2，继续检测是否有孤岛发生。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，(1)对电网无影响，大幅降低了对分布式电源的扰动：在逆变器最大输出功率为34.1kW时，本发明方法仅需要加入逆变器输出有功0.76％的扰动量，而且这个比率随着逆变器输出功率的提高会进一步降低；(2)无检测盲区：对于最大输出功率已知的并网逆变器，只要按照本发明所提出的方法自适应选择检测阈值与扰动量，即可实现无盲区孤岛检测；(3)大大缩短了检测时间：在相关度计算扰动样本次数为20次时，就可在最大0.404s内成功实现孤岛检测，远远小于国家标准规定的2s；(4)可以防止误检测，由于一次计算需要采集检测点前后点多个电压周期的数据，因此可以防因止电压闪变、瞬时故障等而造成的误检测，是一种可靠有效的孤岛检测方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的采用本发明的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法进行并网逆变器孤岛检测的检测及控制系统；

图2为本发明实施例提供的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例采用如图1所示的检测及控制系统进行并网逆变器孤岛检测。该系统包括电压控制器、电流控制器、扰动生成控制器和孤岛检测控制器。其中，电压控制器主要用来在并网状态下控制输入侧直流母线电压；电流控制器主要用来控制并网逆变器的输出有功电流；扰动生成控制器主要用来生成有功电流扰动信号并加入电流控制单元；孤岛检测控制器主要用来进行相关度计算并与检测阈值比较，判断孤岛是否发生。

基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：在并网逆变器输出有功与负载有功匹配，且本地负载的谐振频率与电网频率一致的情况下，根据并网点电压及负载有功确定本地初始负载阻抗值，建立该负载下逆变器并网状态和离网状态输出有功电流与并网点电压之间的关系，分析并网点电压波动情况，确定孤岛检测算法的初始有功电流扰动量；

步骤1.1：在并网情况下，逆变器输出端电压受到电网电压的钳制，此时无论负载消耗的功率与逆变器输出的功率相差多少，施加在逆变器电流控制单元上的变化均无法使并网点的电压发生明显变化；令并网点电压为U_Lg，电网电压为U_g，则

U_Lg＝U_g

步骤1.2：逆变器处于离网状态时，其输出端电压将受逆变器输出电流和负载阻抗的影响；特别是当负载谐振频率与电网频率一致时，输出电流只产生有功功率；如果逆变器输出与负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，并网点的电压就不会发生变化，此种情况下的孤岛最难检测；若电网的交流电压为U_G，其幅值为U_Gm，电压幅值波动最大值为±x，并网逆变设备所能输出的最大有功功率为p，负载所消耗的功率也为p，此时电网与负载没有功率交换，属于功率相匹配情况；则初始负载阻抗Z_s如下公式所示：

未加扰动时，逆变器输出电流i_L将跟随与电网电压同频同相的正弦给定信号i_g；添加了扰动信号后，电流信号的给定量i_L为正弦给定信号i_g和扰动信号i_r之和，则此时并网点点电压U_L如下公式所示：

U_L＝(i_g+i_r)Z_s

本实施例中，交流母线电压为AC220V，50Hz，电压幅值波动为±5V，并网逆变设备所能输出的最大有功功率为20KW，设此功率即为负载所消耗的功率，此时电网与负载没有功率交换，属于功率相匹配情况。取一组并联的RLC测试负载，则初始负载阻抗大小应为：

步骤1.3：若并网点电压单向波动平均值为

初始有功电流扰动量幅值为△i_s，则：

本实施例中，取样本数目M＝100，则并网点电压单向波动平均值为：

在离网状态下，对逆变器的输出有功电流进行微量扰动，正向和负向均可。当检测到输出电压变化量的绝对值等于或接近于时2.5V，将此时的扰动量幅值△i_s，记为初始电流扰动量幅值，则：

步骤2：根据并网状态下和离网状态下逆变器输出有功电流的变化量与并网点电压变化量的关系，以随机信号的互相关函数为基础，分别构建并网状态和离网状态下有功电流扰动-输出端电压变化离散互相关函数，计算有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度；

步骤2.1：对于并网逆变器的输出有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u，采用互相关函数来描述这两个不同的信号之间的相关性，如下公式所示：

其中，R_△i△u为互相关函数，t为时间，τ为两个信号在时间轴上的差值，T为两个函数的周期；

由于实际控制时采样频率只能是有限值，因此在实际处理的时候，将并网逆变器闭环控制器的有功电流输出以及输出端电压当作离散信号来处理；

对于有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u的离散信号△i_i，△u_i，i＝1、2…、N，N为离散信号总数，其互相关函数为：

其中，i为离散信号节点数，j为两信号在时间轴上的偏移量；

本实施例中取N＝20，j＝0；

步骤2.2：分别在并网状态和离网状态下对逆变器输出有功电流幅值持续加入如下公式所示的有功电流扰动量△I_s：

△I_s＝C|△i_s|

其中，C为0:1之间的随机数序列；

得到初始有功扰动序列△I_sn，n＝1、2、…、N，令并网状态和离网状态下电压变化的离散化序列分别为△u_n，△u_1n，则并网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_b(j)如下公式所示：

离网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_l(j)如下公式所示：

当逆变器并网运行时，其输出端电压与电网电压相同，几乎不受电流扰动影响，导致并网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_b非常小，接近于零；而当逆变器离网运行时，输出端电压不再受电网电压钳制，离网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_l将迅速增大；

本实施例中，△i_s为1.03A，C为0:1之间的随机序列，n＝1、2、…、20，则并网状态下有功电流扰动-输出端电压变化之间的相关程度函数为：

离网状态下有功电流扰动-输出端电压变化之间的相关程度函数为：

步骤3：根据并网状态和离网状态下有功电流扰动-输出端电压变化离散互相关度，分析不同大小的有功功率扰动和不同的负载阻抗对互相关度的影响，并建立不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动和电压变化的相关度矩阵R_KH；

步骤3.1：由于基于并网点电压变化的孤岛检测方法成功与否只与负载阻抗有关，与负载的阻性、容性、感性、谐振负载品质因数等无关。因此，在确定负载对有功扰动和电压变化的互相关度影响时，主要考虑负载阻抗变化带来的影响。而阻抗越小，成功检测所需要的扰动量就越大。据此，在离网状态下，从初始负载阻抗Z_s开始，等间隔减小测试负载的阻抗至Z_K，对每一种负载阻抗下的并网逆变器，施加初始有功扰动序列△I_sn，得到不同负载阻抗下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R₁、R₂、…、R_K；

本实施例中，在离网状态下，以等间隔0.1Ω减小初始负载的阻抗至1.42Ω，对每一种负载阻抗下的并网逆变器，施加初始扰动量△I_sn，得到不同负载阻抗下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R₁，R₂，…，R₁₀为：

[2.461 2.331 2.253 2.187 2.025 1.973 1.813 1.706 1.632 1.506]^T

步骤3.2：对每一种阻抗下的并网逆变器，在初始有功电流扰动量△i_s的基础上，等间隔增加初始有功电流扰动量的幅值至△i_sH，得到一组相应的PCC节点电压变化量△u_kh，k＝1、2、…、K；h＝1、2、…、H，计算此时有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R₁₁、R₁₂、…、R_KH，得到在离网状态下，不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动-输出端电压变化的相关度矩阵R_KH，如下公式所示：

其中，同一行的互相关度所关联的负载阻抗相同，所施加的有功电流扰动逐渐增加；同一列的互相关度所关联的负载阻抗逐渐减小，所施加的有功电流扰动相同；

本实施例中，对每一种阻抗下的并网逆变器，在初始有功电流扰动量基础上，进行一组幅值连续增加的有功电流扰动△i_sH，每次增加初始值的5％，得到一组相应的PCC节点电压变化量△u_kh(k＝1、2、…、10；h＝1、2、…、10)，计算此时有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R₁₁，R₁₂，…，R_10-10，就可以得到在离网状态下，不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动-输出端电压变化的相关度矩阵R_KH：

步骤4：根据得到的相关度矩阵R_KH，在逆变器最大输出功率P_m与负载所需功率匹配的情况下，寻找有功电流扰动量与有功电流扰动-输出端电压变化互相关度的最优组合值，确定相关度阈值R_f与最小有功电流扰动量△I_min；

步骤4.1：当逆变器接入不同稳定强度的电网时，计算并网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R_b，将其与矩阵R_KH中的最小值比较，若R_b大于矩阵R_KH中的最小值，则将初始有功电流扰动量幅值△i_s增加1％，直到R_b小于R_KH中的最小值；

本实施例中，R_b＝1.005<min(R_KH)＝1.056。

步骤4.2：对于所建立的相关度矩阵R_KH每一行，选取其最大值R_kmax，若R_kmax<2R_b，则执行步骤3.2，直到R_kmax>2R_b；

本实施例中，R_b＝1.005，并且矩阵中所有行的最大值均大于2R_b。

步骤4.3：对于最大输出功率为P_m的并网逆变器，在其输出功率与负载功率平衡时，根据逆变器所接入网络的端电压，计算其初始负载阻抗Z_s，若Z_s<Z_K，则将相关度矩阵R_KH中的相应阻抗等间隔减小至Z_s，建立新的相关度矩阵；

本实施例中，并网逆变器的初始负载阻抗Z_s＝1.42Ω，最大输出功率P_m＝34.1kW。

步骤4.4：并网情况下，本地负载工作在电网电压下，阻抗小意味着负载消耗的功率大，而在最困难检测情况下，逆变器输出功率与负载消耗功率相匹配，负载消耗的功率大，意味着逆变器输出功率大，对于初始负载阻抗Z_s，若其对应的逆变器最大输出功率为P_m，则当并网逆变器以功率P_m输出时，在建立的相关度矩阵中的最后一行，找到所有大于2R_b的相关度，并在其中选取一个最小的，将其所在列对应的有功电流扰动记为△I_min，并将相关度阈值R_f设为1.5R_b，则当相关度阈值R_f为1.5R_b时，△I_min即为实现成功检测所需要的最小有功电流扰动量；扰动量△I_min对于任何输出功率小于P_m的并网逆变器均可实现成功检测；

本实施例中，R_f＝1.51，△i_m＝1.18A。

步骤5：对于所有输出功率小于P_m的并网逆变器，在并网状态时，对其输出有功电流持续施加所确定的最小有功电流扰动量△I_min，并实时计算有功电流扰动-输出端电压变化互相关度，并将其与设定的阈值R_f进行比较，判断是否有孤岛发生；

步骤5.1：判断逆变器输出功率是否小于最大输出功率P_m，若小于，则在其并网运行时，对输出有功电流持续施加有功电流扰动量△I_min；并执行步骤5.2及5.3；否则重新执行步骤4，重新计算并设定相关度阈值；

步骤5.2：实时计算有功电流扰动-输出端电压变化的互相关度R_out；

步骤5.3：将计算的互相关度R_out与相关度阈值R_f比较，若R_out≥R_f，则判断孤岛已经发生；若R_out<R_f，则重新执行步骤5.2，继续检测是否有孤岛发生。

本实施例中，将加入的扰动量和检测到的电压变化送入孤岛检测控制器，实时计算电流扰动与电压变化相关度，当取一次计算的扰动序列长度为20时，所计算的相关度为：

将所计算的有功电流扰动-输出端电压变化相关度R_out在孤岛检测控制器中与阈值R_f＝1.51不断比较；

本实施例中，当电网断开0.40S后，所计算的相关度R_out＝1.54>R_f，孤岛效应被成功检测。

本实施例中，并网逆变器的初始负载阻抗Z_m＝1.42Ω，最大输出功率P_m＝34.1kW，加入的有功扰电流动占逆变器输出电流的百分比为

可见，在相关度计算扰动样本次数为20次，逆变器最大输出功率为34.1kW时，本发明的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，仅需要对逆变器输出的有功电流加入其最大值0.76％的扰动量(且逆变器输出功率越大，这个比例就越小)，就可在0.40s内成功实现孤岛检测，远远小于国家标准规定的2s，且通过对扰动样本次数进行调节，可以进一步减少检测时间，以适应不同检测场景的要求。并且该检测方法对34.1kW以下的逆变器无检测盲区。每次计算都会采集多个周期的扰动信号和电压信号，完全防止了误检测情况的发生，是一种有效可靠的检测办法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在并网逆变器输出有功与负载有功匹配，且本地负载的谐振频率与电网频率一致的情况下，根据并网点电压及负载有功确定本地初始负载阻抗值，建立该负载下逆变器并网状态和离网状态输出有功电流与并网点电压之间的关系，分析并网点电压波动情况，确定孤岛检测算法的初始有功电流扰动量；

步骤2：根据并网状态下和离网状态下逆变器输出有功电流的变化量与并网点电压变化量的关系，以随机信号的互相关函数为基础，分别构建并网状态和离网状态下有功电流扰动-输出端电压变化离散互相关函数，计算有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度；

步骤3：根据并网状态和离网状态下有功电流扰动与输出电压变化离散互相关度，分析不同大小的有功电流扰动和不同的负载阻抗对互相关度的影响，并建立不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动和电压变化的相关度矩阵；

步骤4：根据得到的相关度矩阵，在逆变器最大输出功率P_m与负载所需功率匹配的情况下，寻找有功电流扰动量与有功电流扰动-输出端电压变化互相关度的最优组合值，确定相关度阈值R_f与最小有功电流扰动量△I_min；

步骤5：对于所有输出功率小于P_m的并网逆变器，在并网状态时，对其输出的有功电流持续施加所确定的最小有功电流扰动量△I_min，并实时计算有功电流扰动-输出端电压变化互相关度，并将其与设定的相关度阈值R_f进行比较，判断是否有孤岛发生。

2.根据权利要求1所述的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：

步骤1.1：在并网情况下，逆变器输出端电压受到电网电压的钳制，此时无论负载消耗的功率与逆变器输出的功率相差多少，施加在逆变器电流控制单元上的变化均无法使并网点的电压发生明显变化；令并网点电压为U_Lg，电网电压为U_g，则

U_Lg＝U_g

步骤1.2：逆变器处于离网状态时，其输出端电压将受逆变器输出电流和负载阻抗的影响；特别是当负载谐振频率与电网频率一致时，输出电流只产生有功功率；如果逆变器输出与负载消耗的功率相匹配，那么在不添加扰动情况下电网断电时，并网点的电压就不会发生变化，此种情况下的孤岛最难检测；若电网的交流电压为U_G，其幅值为U_Gm，电压幅值波动最大值为±x，并网逆变设备所能输出的最大有功功率为p，负载所消耗的功率也为p，此时电网与负载没有功率交换，属于功率相匹配情况；则初始负载阻抗Z_s如下公式所示：

未加扰动时，逆变器输出电流i_L将跟随与电网电压同频同相的正弦给定信号i_g；添加了扰动信号后，电流信号的给定量i_L为正弦给定信号i_g和扰动信号i_r之和，则此时并网点电压U_L如下公式所示：

U_L＝(i_g+i_r)Z_s

步骤1.3：若并网点电压单向波动平均值为

初始有功电流扰动量幅值为△i_s，则：

3.根据权利要求2所述的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1：对于并网逆变器的输出有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u，采用互相关函数来描述这两个不同的信号之间的相关性，如下公式所示：

其中，R_△i△u为互相关函数，t为时间，τ为两个信号在时间轴上的差值，T为两个函数的周期；

由于实际控制时采样频率只能是有限值，因此在实际处理的时候，将并网逆变器闭环控制器的有功电流输出以及输出端电压当作离散信号来处理；

对于有功电流扰动量△i和并网点电压变化量△u的离散信号△i_i，△u_i，i＝1、2…、N，N为离散信号总数，其互相关函数为：

其中，i为离散信号节点数，j为两信号在时间轴上的偏移量；

步骤2.2：分别在并网状态和离网状态下对逆变器输出有功电流幅值持续加入如下公式所示的有功电流扰动量△I_s：

△I_s＝C|△i_s|

其中，C为0:1之间的随机数序列；

得到初始有功扰动序列△I_sn，n＝1、2、…、N，令并网状态和离网状态下电压变化的离散化序列分别为△u_n，△u_1n，则并网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_b(j)如下公式所示：

离网状态下有功电流扰动与输出端电压变化之间的离散互相关度R_l(j)如下公式所示：

当逆变器并网运行时，其输出端电压与电网电压相同，几乎不受电流扰动影响，导致并网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_b非常小，接近于零；而当逆变器离网运行时，输出端电压不再受电网电压钳制，离网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化互相关度R_l将迅速增大。

4.根据权利要求3所述的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1：在离网状态下，从初始负载阻抗Z_s开始，等间隔减小测试负载的阻抗至Z_K，对每一种负载阻抗下的并网逆变器，施加初始有功扰动序列△I_sn，得到不同负载阻抗下的有功电流扰动-电输出端压变化互相关度R₁、R₂、…、R_K；

步骤3.2：对每一种阻抗下的并网逆变器，在初始有功电流扰动量△i_s的基础上，等间隔增加初始有功电流扰动量的幅值至△i_sH，得到一组相应的PCC节点电压变化量△u_kh，k＝1、2、…、K；h＝1、2、…、H，计算此时有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R₁₁、R₁₂、…、R_KH，得到在离网状态下，不同负载阻抗和不同扰动强度下有功电流扰动-电输出端压变化的相关度矩阵R_KH，如下公式所示：

其中，同一行的互相关度所关联的负载阻抗相同，所施加的有功电流扰动逐渐增加；同一列的互相关度所关联的负载阻抗逐渐减小，所施加的有功电流扰动相同。

5.根据权利要求4所述的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

步骤4.1：当逆变器接入不同稳定强度的电网时，计算并网状态下的有功电流扰动-输出端电压变化的相关度R_b，将其与矩阵R_KH中的最小值比较，若R_b大于矩阵R_KH中的最小值，则将初始有功电流扰动量幅值△i_s增加1％，直到R_b小于R_KH中的最小值；

步骤4.2：对于所建立的相关度矩阵R_KH每一行，选取其最大值R_kmax，若R_kmax<2R_b，则执行步骤3.2，直到R_kmax>2R_b；

步骤4.3：对于最大输出功率为P_m的并网逆变器，在其输出功率与负载功率平衡时，根据逆变器所接入网络的端电压，计算其初始负载阻抗Z_s，若Z_s<Z_K，则将相关度矩阵R_KH中的相应阻抗等间隔减小至Z_s，建立新的相关度矩阵；

步骤4.4：并网情况下，本地负载工作在电网电压下，阻抗小意味着负载消耗的功率大，而在最困难检测情况下，逆变器输出功率与负载消耗功率相匹配，负载消耗的功率大，意味着逆变器输出功率大，对于初始负载阻抗Z_s，其对应的逆变器最大输出功率为P_m，则当并网逆变器以功率P_m输出时，在建立的相关度矩阵中的最后一行，找到所有大于2R_b的相关度，并在其中选取一个最小的，将其所在列对应的有功电流扰动记为△I_min，并将相关度阈值R_f设为1.5R_b，则当相关度阈值R_f为1.5R_b时，△I_min即为实现成功检测所需要的最小有功电流扰动量；扰动量△I_min对于任何输出功率小于P_m的并网逆变器均可实现成功检测。

6.根据权利要求5所述的基于自适应阈值选择的有功-电压互相关度孤岛检测方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：

步骤5.1：判断逆变器输出功率是否小于最大输出功率P_m，若小于，则在其并网运行时，对输出有功电流持续施加有功电流扰动量△I_min；并执行步骤5.2及5.3；否则重新执行步骤4，重新计算并设定相关度阈值；

步骤5.2：实时计算有功电流扰动-输出端电压变化的互相关度R_out；

步骤5.3：将计算的互相关度R_out与相关度阈值R_f比较，若R_out≥R_f，则判断孤岛已经发生；若R_out<R_f，则重新执行步骤5.2，继续检测是否有孤岛发生。

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