CN110954763B - 一种基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤岛检测方法，利用FFT算法实时测量PCC处的谐波电压、谐波电流以及系统频率，并将谐波电压和系统频率实时与预定的电压和频率门槛值比较,若超出阈值，则直接判断为孤岛状态；否则，利用谐波电压、谐波电流计算等效谐波阻抗幅值和相角，计算本次谐波阻抗幅值与上一次谐波阻抗幅值比值,判断谐波阻抗幅值比值是否大于比例系数，若大于则判断阻抗相角是否小于零，若小于零则判定为孤岛。本发明利用谐波阻抗的幅值变化和相位变化作为孤岛检测判据，提高了孤岛检测的准确性，无需迫使电压和频率超出门槛值就能实现孤岛检测，具有非破坏性。

Description

一种基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤 岛检测方法

技术领域

本发明涉及孤岛检测技术领域，特别是涉及基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤岛检测方法。

背景技术

孤岛是指当电网侧因为故障或检修等原因断开断路器时，分布式电源依然向负载供电的现象。非计划孤岛的发生不仅会影响电网的稳定运行和用电设备的正常使用，还会危及电网检修人员的人身安全。随着分布式发电技术的日益成熟，新能源接入电网的比例不断提高，非计划孤岛已经成为一个不容忽视的问题。所以，完善和创新孤岛检测方法，实现更准确、更快速的孤岛检测是微电网安全稳定运行的重要前提和必然要求。

现有孤岛检测方法可以划分为三种类型：基于通信的检测法、主动式检测法和被动式检测法。基于通信的检测法主要通过通信设备将电网侧断路器的开合状态发送给分布式电源来判断是否发生孤岛，该方法不存在检测盲区，也不会对电能质量造成影响。但缺点是需要额外的通信设备，成本高，不适合大规模投入。被动式检测法通过检测并网点(PCC)的电压、相位、频率及其变化率是否在允许的变化范围内来判断孤岛是否发生，这种方法无需额外的设备投入，实现简单，不会对系统电能质量造成影响，但存在较大的检测盲区。主动式检测法通常由逆变器在输出的无功或者有功信号上施加微小的扰动，通过检测扰动信号的变化来判断分布式系统的运行状态，该方法能够显著的减小甚至消除检测盲区，但同时也对电能质量造成了一定程度的影响。

目前，接入到低压微电网的分布式电源主要是光伏发电系统、永磁直驱式风力发电系统以及微型燃气轮机发电系统等逆变型分布式电源(IBDG)，如何对其进行非破坏性孤孤岛检测，成为要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有主动式谐波注入检测法的不足，而提供一种基于整数次小幅值谐波电流注入和对应谐波阻抗测量的、适用于含多个逆变型分布式电源IBDG微电网非破坏性孤岛检测方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤岛检测方法，包括以下步骤：

利用FFT算法实时测量PCC处的谐波电压

谐波电流

以及系统频率f，并将谐波电压

和系统频率f实时与预定的电压和频率门槛值比较,若超出阈值，则直接判断为孤岛状态；

否则，利用谐波电压

谐波电流

计算等效谐波阻抗幅值|Zⁿ(m)|和相角

计算本次谐波阻抗幅值与上一次谐波阻抗幅值比值|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|,判断|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|是否大于比例系数k，若大于k，则判断阻抗相角

是否小于零，若小于零，则判定为孤岛。

进一步的，所述利用FFT算法实时测量PCC处的谐波电压

谐波电流

以及系统频率f的步骤之前，还包括以下步骤：

根据品质因数Q_f、谐振频率

以及IBDG额定输出功率P确定每个PCC处IBDG输出谐波电流的次数；

若该PCC处仅有单台IBDG，直接在过零点时刻注入该PCC处对应次数的谐波电流

n＝2,3,…,13，若该PCC处含多个IBDG同时向一个负载供电，则分以下步骤进行；

若该PCC处应注入偶次谐波，则直接在基波过零点时刻注入谐波电流

n＝2,4,…,12，若该PCC处应注入奇次谐波，判断基波电压过零点，若当前为向上过零点，则注入谐波

n＝3,5,…,13，若当前为向下过零点，则注入谐波

其中n＝3,5,…,13。

本发明通过IBDG向PCC注入整数次小幅值谐波电流扰动，提出的适用于含多个IBDG微电网的孤岛检测方法，以PCC处测量计算得到的谐波阻抗幅值和相位变化作为孤岛检测判据，准确性高，不存在检测盲区，而且该方法所需扰动信号的幅值很小，对系统电能质量的影响小，满足IBDG并网标准。

当微电网中不同的并网点含有多个IBDG时，不同并网点的IBDG向PCC注入不同整数次谐波，分别检测不同次的谐波阻抗，各次谐波不会相互抵消，不存在扰动无法保持同步性的问题，从而保证了含有多个IBDG微电网孤岛检测的可靠性和有效性。

本发明方法通过IBDG向并网点注入整数次谐波电流，利用该次谐波阻抗幅值和相角的变化判断是否发生孤岛，扰动幅值小，注入的谐波含量符合IEEE std.1547标准中对各次谐波电流含量的要求，对系统电能质量影响小，无需通信，实现简单。

与现有技术相比，本发明利用谐波阻抗的幅值变化和相位变化作为孤岛检测判据，提高了孤岛检测的准确性，无需迫使电压和频率超出门槛值就能实现孤岛检测，具有非破坏性。其次，本发明所需要注入的扰动信号幅值很小，减小了对系统正常运行时电能质量的影响。同时，该方法不存在检测盲区，适应于多个IBDG同时并网的情况。孤岛检测的可靠性得到提高。同一PCC处不同IBDG的谐波注入策略的提出解决了扰动信号的同步性问题，从而保证了孤岛检测的有效性。

附图说明

图1(a)为标准孤岛测试系统主电路拓扑图；

图1(b)分别为系统并网时和孤岛时的谐波等效电路图；图2为系统等效阻抗在孤岛和并网情况下的幅频特性曲线图；

图3(a)为当负载品质因数为2.5且孤岛谐振频率为50Hz时孤岛和并网阻抗幅值交点横坐标随IBDG输出功率变化的关系图；

图3(b)为当IBDG输出额定功率5kW且孤岛谐振频率为50Hz时孤岛和并网阻抗幅值交点横坐标频率值随负载品质因数变化的关系图；

图3(c)为当IBDG输出额定功率5kW且负载品质因数为2.5时孤岛和并网阻抗幅值交点横坐标频率值随孤岛谐振频率变化的关系图；

图4为系统等效阻抗的阻抗角在孤岛和并网情况下的相频特性曲线图；

图5(a)为当负载品质因数为2.5且孤岛谐振频率为50Hz时并网谐振频率随IBDG输出功率变化的关系图；

图5(b)为当IBDG输出额定功率5kW且孤岛谐振频率为50Hz时孤岛和并网谐振频率随负载品质因数变化的关系图；

图5(c)为当IBDG输出额定功率5kW且负载品质因数为2.5时并网谐振频率随孤岛谐振频率变化的关系图；

图6为所提适用于含多IBDG微电网孤岛检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当发生非计划孤岛时，若IBDG提供的功率等于或者接近负荷消耗所需要的功率，则PCC处电压和频率将在正常运行允许范围之内，被动检测法过压/欠压法(OVP/UVP)和过频/欠频法(OFP/UFP)均无法检测到非计划孤岛的发生，从而进入检测盲区。虽然主动式孤岛检测方法通过引入扰动能够减小甚至消除孤岛检测盲区，但是当其应用在含有多个IBDG的微电网中时，现有大部分主动式孤岛检测方法无法保证扰动的同步性，从而可能无法实现孤岛检测。因此，必须探索一种既适用于单台IBDG并网运行又适用于多台IBDG同时接入微电网运行的孤岛检测方法，不仅能够消除检测盲区，在系统正常运行时引入尽可能小的扰动，而且能够在不借助通信的前提下仅通过本地信息就能保证多个IBDG施加扰动的同步性。

由此，本发明方法采用FFT算法实时测量并网点的谐波电压和谐波电流，进而计算出对应的谐波阻抗幅值和相位，利用阻抗幅值和相位的变化进行孤岛检测。即，本发明通过实时测量采集IBDG输出谐波电流和PCC处谐波电压等信息，计算系统的等效谐波阻抗，通过比较谐波阻抗幅值与整定阈值的大小以及阻抗角的变化，能够准确快速的判断出系统是否发生非计划孤岛。

特别是，当微电网中同一PCC含有多个IBDG时，通过相应的谐波注入策略能够避免不同扰动信号之间相互抵消，保证了孤岛检测的可靠性和有效性。

1.针对多个IBDG接入微电网的谐波注入策略

当微电网中多个IBDG同时运行时，多个IBDG可能分布在不同PCC处，也可能在同一PCC处。已有主动式孤岛检测方法大多只考虑了单台IBDG并网运行的情况，没有考虑到同一PCC处多台IBDG施加的扰动如何保持同步性的问题。另外，不同PCC处的IBDG之间施加的扰动也存在因无法保证同步性而被稀释的情况。本发明充分考虑了上述两种情况，提出了能够保证不同IBDG注入谐波电流扰动信号同步性的策略。

当系统中位于不同PCC处的多个IBDG同时接入微电网时，若所有IBDG都注入相同的扰动信号，则每个PCC处扰动信号为所有IBDG注入的扰动信号在该PCC处的叠加，但同一时刻并入系统的IBDG个数无法确定，而且在不借助通信的条件下不同扰动之间的相位难以保持同步，进而使得各个PCC处谐波叠加情况变得非常复杂，可能造成扰动稀释效应，严重时甚至会导致孤岛检测失败。为解决上述问题，每个PCC处IBDG进行孤岛检测的原理是，在每个PCC处分别测量不同次数的谐波电流和谐波电压，然后计算不同次数的谐波阻抗。若某一IBDG注入3次谐波信号，则该IBDG测量该PCC处的3次谐波阻抗，若该IBDG注入5次谐波信号，则测量5次谐波阻抗。若不同IBDG注入的扰动信号次数不一样，在每个PCC处，分别测量对应的谐波电压、电流分量，进而计算出谐波阻抗，就不会出现同次的谐波电流在各个PCC处互相抵消的问题，无需考虑不同扰动信号的同步性。

当系统中同一PCC接入多个IBDG时，所有IBDG都向同一个负载供电，所有IBDG都注入相同次数的整数次谐波，测量相应次数的谐波阻抗即可进行孤岛检测。为了保证不同IBDG注入的谐波信号在PCC处叠加时不会相互抵消，本发明提出一种谐波电流注入策略，该策略以并网点电压基波分量的电压过零点作为扰动信号的注入时刻，当注入奇次谐波时，若当前时刻为基波电压的向上过零点，则注入的奇次谐波可以表示为：

n为谐波的次数,I_m是IBDG输出电流基波分量的幅值,λ为谐波分量幅值占基波分量幅值的百分比。若当前时刻为基波电压的向下过零点，则谐波表达式为：

当注入偶次谐波时，无需判断基波电压的过零点是向上或向下，在每个过零点时刻注入表达式(1)的偶数次谐波即可保证不同扰动之间的同步性。

两种方案都以基波电压的过零点作为谐波注入时刻的参考点，每个IBDG只需检测基波电压的过零点，无需检测其他IBDG注入谐波的相位信息，原理简单且易于实现。该谐波注入策略仅在基波过零点时刻允许注入谐波，当同一PCC处的多个IBDG依次接入微电网时，不同IBDG注入谐波的最短时间间隔为半个基波周期10ms。

2.等效谐波阻抗的幅频特性

IEEE Std.929和IEEE Std.1547中规定的分布式电源和并网逆变器的标准孤岛测试系统如图1(a)所示。图1(b)是与之对应的谐波等效电路，电网侧视为理想情况，无谐波分量。并网时，系统等效阻抗为负载阻抗与电网侧阻抗的并联，孤岛时，系统等效阻抗等于负载阻抗：

Z^nor(jw)＝Z_l(jw)||Z_g(jw) (3)

Z^isl(jw)＝Z_l(jw) (4)

其中，系统阻抗和负载阻抗都是关于频率的函数，分别为：

Z_l(jw)＝jwLR/(-w²RLC+jwL+R) (5)

Z_g(jw)＝R_g+jwL_g (6)

联立式(3)-(5)可得：

分析式(7)-(8)可知，等效阻抗的幅值分别在并网时和孤岛时的谐振角频率

处取得最大值，令式(7)和式(8)的虚部为零，可得：

其中，

所以有：

电网侧阻抗与电网容量有关，IBDG的容量远远小于电网容量，电网的等效阻抗很小，L_g远远小于L有：

IEEE std.1547和IEEE std.929标准对孤岛检测负载的品质因数Q_f作了明确的规定，如式(13)所示，当负载的品质因数Q_f为2.5时，孤岛检测难度最高。图2为Q_f等于2.5，孤岛谐振频率等于50Hz时，系统等效阻抗分别在孤岛和并网情况下随频率变化的幅频特性曲线，图中两条曲线最高点对应的横坐标分别为系统在孤岛和并网状态下的谐振频率

在

和

之间，存在一个能使二者幅值相等的频率f^equ，当频率在区间

内时，系统等效阻抗满足不等式(14)：

|Z^nor(jw)|<|Z^isl(jw)| (14)

由式(14)可知，处于区间

内的任意次整数谐波都可用来进行孤岛检测，但区间右端点的横坐标f^equ不是定值，它与RLC负载的参数均有关，需要找出交点横坐标随不同参数变化的最小值，进而确定适用于各种情况的最小区间。令孤岛和并网情况下阻抗的幅值相等，可以得到一个以角频率w为未知数的方程，如式(15)所示，参数R、L、C可以改变：

令w＝2πf，式(15)就成为一个关于f的高次方程。虽然无法求出该方程具体的解析解，但方程的解为关于RLC三个变量的函数。即f^equ＝f(R,L,C)，通过控制变量，可以分析出交点频率在各种情况下的变化规律，进而找出最小值。IBDG通常整功率因数运行，输出无功为零，只输出有功率。正常情况下IBDG额定功率运行，如果负载的电阻R发生变化，IBDG的输出功率也会随之改变，所以有功功率P为反应负载电阻R变化的参数。孤岛发生后，当负载的谐振频率

稳定在[49.3,50.5]内时，被动法OFP/UFP进入检测盲区，无法检测出孤岛，而

只与负载的L和C有关，用负载谐振频率

可以很好的反应L和C的变化。同时，负载的品质因数Q_f是RLC三个参数的集中体现，直接反映了孤岛检测的难度，当Q_f等于2.5时，最难实现孤岛检测。通过改变P、

Q_f三个变量，可以全面地分析出f^equ的变化规律。

图3(a)为交点频率f^equ随逆变器输出功率P变化的曲线，负载品质因数Q_f等于2.5，谐振频率

等于50Hz，f^equ随着有功功率输出的增加而减小，当IBDG输出达到额定功率5kW时，f^equ有最小值680Hz，在该工况下，满足式(14)的最小频率范围是[50Hz,680Hz]。

图3(b)为交点频率f^equ随品质因数Q_f变化的曲线，谐振频率

等于50Hz，IBDG额定功率运行，P＝5kW。该曲线同样为一单调递减曲线，当负载品质因数Q_f等于2.5时，此时最符合负载的实际情况，f^equ取到最小值680Hz，满足式(14)的最小频段为[50Hz,680Hz]。

图3(c)为交点频率f^equ随负载谐振频率

变化的轨迹，Q_f＝2.5，IBDG输出额定功率5kW，f^equ随着负载谐振频率的增加而增加，当负载的谐振频率落在[49.3,50.5]区间内，孤岛发生后，系统频率不会超出IEEE std.929和IEEE std.1547规定的频率阈值，被动法失效，存在检测盲区。所以取该频率范围内f^equ的最小值，当

时，f^equ为675Hz，此时，满足式(14)的最小频段为[49.3Hz,675Hz]。

综上所述，逆变器输出功率P和负载的品质因数Q_f都与交点频率f^equ呈负相关，

与f^equ呈正相关，当P、

Q_f三个变量的取值分别为5kW(额定功率)、49.3Hz和2.5时，可得到满足式(13)的最小频率范围，为[50Hz,675Hz]。在该频段内的任意次整数谐波都满足式(14)，可以使用的整数谐波为n＝2，3，…13。

3.等效谐波阻抗的相频特性

本发明在已有理论基础上进一步完善了基于谐波阻抗的孤岛检测法，对并网和孤岛两种情况下系统等效阻抗的幅值大小进行了详细的理论分析，在最恶劣的孤岛检测环境情况下(Q_f＝2.5)，分析出适用于孤岛检测的谐波次数，为基于谐波注入的孤岛检测法中谐波次数的选择提供了更具说服力的理论依据。

现在已有基于阻抗的孤岛检测法大多根据并网和孤岛时测量得到的系统阻抗值的不同来进行孤岛检测，虽然原理简单易于实现，但如果阻抗整定值不合适，在孤岛检测的准确性上并不会有很好的表现。而且，由附图2可观察到，不同次谐波对应的等效阻抗幅值在并网前和并网后大不相同，随着谐波次数的增加，并网时与孤岛时等效阻抗幅值的差值不断减小，这为整定值的计算带来了新的困难，无疑增加了该方法的复杂性。

为了进一步提高孤岛检测的准确性，本发明继续对等效阻抗的相频特性作进一步挖掘，意在寻找出能与阻抗幅值变化相配合的相位变化判据。由式(7)-(8)可得并网时和孤岛时等效阻抗的阻抗角：

由上述两个公式可知，孤岛发生后，若系统频率大于负载的谐振频率

阻抗角

并网时，若系统频率小于并网时的谐振频率

阻抗角

由上述内容对式(9)-(11)的分析可知，并网时的谐振频率

一定大于孤岛时的谐振频率

所以，一定存在某个频段使得这个频段内对应的等效阻抗的阻抗角在并网时大于零，而在孤岛时小于零，阻抗角的这种变化特性正好可以作为孤岛检测的判据。附图4为并网时和孤岛时系统阻抗角随频率变化的轨迹。并网和孤岛时阻抗角的变化验证了对式(16)-(17)的分析，系统的并网谐振频率

和孤岛时的谐振频率

分别为并网时和孤岛时系统阻抗角的过零点。当频率在

区间内时，系统的阻抗角在并网时大于零，孤岛后小于零。为了得到具有普适性的规律，与研究阻抗的幅频特性相等点的横坐标f^equ的方法一样，通过控制变量，探究适用于所有情况的的最小频段。

图5(a)为当负载的品质因数Q_f等于2.5，孤岛的谐振频率

等于50Hz时，并网时的谐振频率

随IBDG输出功率P变化的曲线。IBDG有功功率P的变化体现了负载R参数的变化，在不同的输出功率下，并网时的谐振频率也随之改变。图5(a)中，随着IBDG的输出功率向额定功率增加，并网时的谐振频率不断减小，并在IBDG输出额定功率5kW时达到最小为960Hz。该频率为当IBDG输出功率发生变化时，并网谐振频率的最小值。所以当频率属于[50Hz,960Hz]时，系统等效阻抗的阻抗角在孤岛前后异号。

图5(b)为当IBDG的输出功率为额定功率5kW，孤岛的振频率

时。并网时的谐振频率

随着品质因数变化Q_f的曲线。当IBDG一直输出额定功率时，负载中L和C参数的变化会使孤岛的谐振频率发生变化，若孤岛的谐振频率不在[49.3,50.5]区间内，传统的OFP/UFP被动法即可快速判断出发生孤岛。但当孤岛的谐振频率为50Hz时，孤岛发生后被动法出现检测盲区，无法检测出孤岛状态。在该工况下，

随着品质因数的增大，孤岛的检测难度也不断上升，对应的并网时谐振频率不断下降，当Q_f＝2.5时达到最小，此时系统的并网谐振频率为960Hz，满足孤岛前后阻抗角异号条件的频段同样为[50Hz，960Hz]。

图5(c)为当负载品质因数Q_f等于2.5输出功率为额定功率5kW时，并网时的谐振频率

随孤岛谐振频率

变化的规律。若孤岛发生后，系统的谐振频率

大于50.5Hz或小于49.3Hz，则传统的被动法会直接识别出孤岛。当孤岛的谐振频率落在[49.3Hz,50.5Hz]内，被动法失效，启动阻抗法检测孤岛状态，如图5(c)所示，在[49.3Hz,50.5Hz]内，并网的谐振频率与孤岛的谐振频率的增大单调递增，应取并网谐振频率的最小值953Hz，对应的频段为[49.3Hz,953Hz]。

总结上述分析可以得出结论，在一定的频段内，系统阻抗角在并网时大于零，孤岛发生后小于零。通过对品质因数Q_f、IBDG输出有功功率P与孤岛谐振频率

的变化对并网谐振频率影响的研究，得出适用于各种工况下的最小频段为[50Hz,953Hz]，对应的整次谐波次数为n＝2，3，…，19。

结合阻抗的幅频特性和相频特性的分析结果，同时满足条件的谐波次数n＝2，3，…，13。当孤岛发生时，系统等效谐波阻抗幅值增大且阻抗角小于零，则证明发生孤岛，方法简单，易于实施。

非计划孤岛发生后，IBDG与负载之间的有供不匹配会引起PCC处电压的变化，无功的不匹配会导致系统频率的变化，传统的OVP/UVP和OFP/UFP方法虽然存在较大检测盲区，但在有功不匹配或无功不匹配很大的情况，依然能够快速的实现孤岛检测。因此，结合传统被动法，形成如附图6所示的基于写波阻抗幅值和相位角变化的、适用于含多IBDG微电网的孤岛检测方法。

具体的，本发明的基于写波阻抗幅值和相位角变化的、适用于含多IBDG微电网的孤岛检测方法的具体步骤如下，参见图6所示：

第一步：首先根据品质因数Q_f、谐振频率

以及IBDG额定输出功率P确定每个PCC处IBDG输出谐波电流的次数，本发明最多允许12个PCC处的IBDG同时并入微电网。

第二步：IBDG检测基波电压过零点，准备注入谐波电流。若该PCC处仅有单台IBDG，则无需考虑扰动的同步性问题，直接在过零点时刻注入该PCC处对应次数的谐波电流

其中n＝2,3,…,13。若该PCC处含多个IBDG同时向一个负载供电，则转入下一步。

第三步：为了保证同一PCC处不同IBDG注入扰动的同步性，若该PCC处应注入偶次谐波，则直接在基波过零点时刻注入谐波电流

n＝2,4,…,12。若该PCC处应注入奇次谐波，则转入下一步进一步判断基波电压过零点。

第四步：若当前为向上过零点，则注入谐波

n＝3,5,…,13。若当前为向下过零点，则注入谐波

其中n＝3,5,…,13。

第五步：利用FFT算法实时测量PCC处的

以及系统频率f，并将

和系统频率f实时的与被动检测法OVP/UVP和OFP/UFP法中的电压和频率门槛值进行比较。若超出阈值，则直接判断为孤岛状态；否则，转入下一步。

第六步：利用上一步所测得的谐波电压和电流计算出谐波阻抗的幅值和相角，并计算本次谐波阻抗幅值与上一次谐波阻抗幅值的比值|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|。判断|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|是否大于比例系数k，若大于k，则转入下一步；若小于或等于零，转回第五步。

第七步：进一步判断阻抗角

是否小于零，若小于零，则判定为孤岛；若大于零，则转回第五步。

本发明中，为了保证不同IBDG注入的扰动不会发生稀释效应，提出了保证扰动信号同步性的谐波注入策略，该谐波注入策略统一以基波电压的过零点作为扰动的注入时刻，分别给出了不同PCC处的多个IBDG和同一PCC处的多个IBDG两种情况下谐波电流的注入策略：

当不同PCC处含有多个IBDG接入微电网时，为了避免多个IBDG的扰动在不同PCC处相互抵消，本发明提出不同IBDG注入不同次谐波电流的解决办法，每个IBDG都注入初相位为零的谐波电流

但不同IBDG之间注入的谐波次数n互不相同。当IBDG接入微电网后，每个IBDG检测基波电压的过零点，在过零点时刻注入谐波。其中λ为谐波电流幅值占基波电流幅值I_m的百分比，本发明中注入的所有整次谐波λ的取值都为0.5％，满足IEEE std.1547对各次谐波电流含量的规定。

当同一PCC处含有多个IBDG并入微电网时，同一PCC处的所有IBDG都注入相同次数的谐波电流。为了保证所有IBDG注入的谐波电流在PCC处叠加时不会抵消，分两种情况保证不同扰动信号相位的同步性。若同一PCC处的所有IBDG都注入相同次数的奇次谐波时，此时需要再对过零点的情况作进一步判断，如果在向上过零点(过零点后，电压幅值大于零)时刻注入，则IBDG注入初相位为零的正弦谐波电流

如果在向下过零点(过零点后，电压幅值小于零)时刻注入，则IBDG注入初相位为π的谐波电流

其中n为奇数。若同一PCC处的所有IBDG都输出相同次数的偶次谐波时，所有IBDG只要在基波过零点时刻注入初相位为零的谐波电流

即可，其中n为偶数，无需进一步判断是否为向上或向下过零点。

值得注意的是，本发明的方法需要提前确定有多少个不同PCC且根据负载的品质因数Q_f、IBDG额定输出功率P以及负载的谐振频率

确定不同PCC处IBDG输出谐波电流的次数。

通过对并网时和孤岛时系统等效谐波阻抗的幅频特性和相频特性的分析，本发明得出了适用于基于阻抗幅值和相位变化的孤岛检测方法可用的整次谐波次数n＝2，3，…，13。即本发明可应用于最多12个不同PCC的多个IBDG同时接入微电网中的情况。当有更多IBDG并网运行时，需将IBDG并入已有并网点。

本发明同时测量PCC处电压有效值V_pcc和系统频率f，IEEE std.1547和IEEEstd.929标准规定正常运行时并网点电压和系统频率的范围分别为[0.88V_N,1.1V_N]、[49.3Hz，50.5Hz]。V_N为并网点额定电压，若V_pcc和系统频率f超出阈值，被动法可直接判断出孤岛。若孤岛时V_pcc和系统频率f都在正常范围内，则进一步对阻抗幅值和相角的变化进行判断。

本发明方法每隔一个基波周期20ms对谐波阻抗的幅值和相角进行一次测量，当前测量所得的阻抗幅值和相角分别为|Zⁿ(m)|和

前一次测量的阻抗幅值为|Zⁿ(m-1)|，引入比例系数k。因为在注入的谐波所对应的频率下，系统孤岛时的谐波等效阻抗大于并网时的等效阻抗。所以，若本次测量阻抗与上一次测量阻抗的比值|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|大于某个大于零的常数k，则证明发生孤岛。其中，比例系数k的取值对谐波次数的选取也存在一定的影响，k值越大，说明孤岛后谐波阻抗的变化越大，孤岛检测准确性也越高，但同时对应的谐波频率也不断降低，可用的整次谐波也会变少。

本发明中k取1.1，即当谐波等效阻抗幅值增大超过10％后，孤岛检测程序判断系统可能发生孤岛。当k取1.1时，可用谐波次数依然为n＝2，3，…，13。IBDG并网运行时，电网侧故障或者负载的变化也可能导致测量阻抗的幅值增大，但实际上没有发生孤岛，所以还需要对等效阻抗的相角变化作进一步判断。

并网运行时，谐波阻抗的相角大于零。孤岛发生后，由于本发明选用的谐波次数都为基波频率的整数倍，大于系统发生孤岛时负载的谐振频率50Hz，所以负载的阻抗角为负值。孤岛时和并网时谐波阻抗角差距明显，分别接近-90°和+90°，可直接通过判断孤岛前后阻抗角的正负确定是否发生孤岛。当上一步判断出谐波阻抗幅值变化大于1.1后，若

也大于零，则判别为伪孤岛，程序返回，继续测量下一次的谐波阻抗。若

小于零，则判定为孤岛状态，逆变器发出跳闸信号，与负载断开。

可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)不存在孤岛检测盲区；

2)扰动信号幅值小，该方法注入谐波的目的是为了能够利用稳定的谐波电流计算相应的谐波阻抗，不以PCC的谐波电压变化为孤岛检测判据，无需大幅值扰动信号迫使PCC电压超出阈值；

3)当同一PCC含有多个IBDG时，通过优化谐波的注入策略，解决了不同IBDG输出的同次谐波扰动可能会相互抵消的问题；

4)当不同PCC含有多个IBDG时，不同IBDG注入不同次数的谐波电流，每个IBDG利用对应次数的谐波阻抗进行孤岛检测，不同IBDG输出的谐波电流不会相互影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于谐波电流注入和谐波阻抗测量的微电网非破坏性孤岛检测方法，其特征在于，包括以下步骤；

根据品质因数Q_f、谐振频率

以及IBDG额定输出功率P确定每个PCC处IBDG输出谐波电流的次数；

若该PCC处仅有单台IBDG，直接在过零点时刻注入该PCC处对应次数的谐波电流

n＝2,3,…,13，若该PCC处含多个IBDG同时向一个负载供电，则分以下步骤进行；

若该PCC处应注入偶次谐波，则直接在基波过零点时刻注入谐波电流

n＝2,4,…,12，若该PCC处应注入奇次谐波，判断基波电压过零点，若当前为向上过零点，则注入谐波

n＝3,5,…,13，若当前为向下过零点，则注入谐波

其中n＝3,5,…,13；

利用FFT算法实时测量PCC处的谐波电压

谐波电流

以及系统频率f，并将谐波电压V_PCC(m)和系统频率f实时与预定的电压和频率门槛值比较,若超出阈值，则直接判断为孤岛状态；

否则，利用谐波电压

谐波电流

计算等效谐波阻抗幅值|Zⁿ(m)|和相角

计算本次谐波阻抗幅值与上一次谐波阻抗幅值比值|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|,判断|Zⁿ(m)|/|Zⁿ(m-1)|是否大于比例系数k，若大于k，则判断阻抗相角

是否小于零，若小于零，则判定为孤岛。

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