CN115951142A - 基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置，属于逆变器孤岛检测技术领域，包括：通过各逆变器向电网注入周期性的无功扰动电流，在一个扰动周期中包括四个扰动模态，每个扰动模态持续N个额定电网周期，且正、负无功扰动电流的幅值不相等；对于各逆变器执行：(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点的电压负序分量向量，并判断是否需要进行扰动重置；(S2)更新当前扰动模态的额定电网周期数AI_CNT，若AI_CNT≠0，则转入(S1)，否则，转入(S3)；(S3)将当前及上一扰动模态的电压负序分量向量变化量点乘；(S4)根据点乘运算结果，判断是否满足孤岛检测判据。本发明能提高单相或两相孤岛检测的准确度，并能适用于多机并网工况。

Description

基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置

技术领域

本发明属于逆变器孤岛检测技术领域，更具体地，涉及基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置。

背景技术

并网逆变器在电网发生故障等情况下，未能及时检测出掉电状态从而停机，继续向本地负荷供电的一种自给供电现象，称为孤岛效应。孤岛效应对敏感性负载、维修人员的人身安全均存在一定的威胁。因此，并网逆变器在正常运行过程中需持续检测并网发电系统中是否存在孤岛效应，IEC62116Ed.2(2014)中孤岛检测相关标准规定孤岛检测时间必须小于2s。。

常用的孤岛检测方法包括被动式与主动式检测方法，相较于被动式方法，主动式方法具备更小的检测盲区与更高的检测准确率，被更多地运用于实际的工业产品中。主动式方法包括主动移频、主动移相、负序分量注入、谐波分量注入、有功扰动、无功扰动等。其中，无功扰动因为其对电网电能质量影响小、不会影响电网稳定性、实现方式简单等优势被广泛地应用。当并网发电系统处于孤岛状态时，该方法通过注入无功功率扰动，使系统的频率发生偏移。扰动幅值越大，偏移量也就越大，最终触发欠频、过频等相关保护，从而实现对孤岛状态的检测。但是，这些方法在并网系统发生单相、两相孤岛时，会存在检测失效的问题，需添加额外的单相、两相孤岛检测方法。

有方法通过注入无功功率扰动，检测三相电压彼此之间的相角差值是否发生变化来进行判断。但在实际情况中，电网存在一定的波动，容易造成过零点检测出的相角不准，且各相都需要得到对应的相角，计算量较大。有方法在此基础上进行改进，通过检测三相电压负序分量是否发生变化来进行判断，具体地，若检测到三相电压负序分量超过一定大小，则判定发生单相或两相孤岛检测。但是在电网不平衡或者严重畸变时，也可能会产生三相电压负序分量，因此，该方法容易发生误判。此外，对于光伏、风电等分布式发电系统，随着发电功率的日益增加，单台并网逆变器的容量已无法满足需求，需要通过多台并网逆变器并联来扩充容量，而上述方法均未涉及多机并网工况。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置，其目的在于，提高单相或两相孤岛检测的准确度，并能适用于多机并网工况。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，包括：

通过各逆变器向电网注入周期性的无功扰动电流，并对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；无功扰动电流在一个扰动周期中包括四个扰动模态，依次为正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动，每个扰动模态持续N个额定电网周期，且正、负无功扰动的电流幅值不相等；3≤N≤5；

对于任意一台逆变器，孤岛检测步骤包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod N更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否同时满足T(0)≥N_th、T(1)≤-N_th、T(2)≥N_th且T(3)≤-N_th；若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否则，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，并在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果；N_th为预设的孤岛判据阈值。

进一步地，周期性的无功扰动电流中，正无功扰动的幅值

与负无功扰动的幅值

分别如下：

其中，i_dref表示逆变器输出的d轴电流参考值；K₁和K₂为无功扰动系数，K₁>0，K₂>0，且K₁≠K₂；T(n)表示最近一个完整扰动模态下的点乘运算结果；η≥0。

进一步地，η＝0.02。

进一步地，K₁＝0.015，K₂＝0.0075；或者，K₁＝0.0075，K₂＝0.015。

进一步地，

其中，k为无功扰动系数K₁和K₂中的较小值，U_pccd为公共耦合点额定电压在d轴上的大小。

进一步地，N＝4。

进一步地，步骤(S1)还包括：在得到当前额定电网周期内电压负序分量向量之后，判断是否满足预设的扰动重置判据，若是，则将各逆变器中当前注入的无功扰动电流置为相同的状态以进行扰动重置；

扰动重置判据为：

|SUM1_now-SUM2_now|≥M_th

其中，SUM1 _now和SUM2_now分别表示当前额定电网周期内计算的第一累加负序分量和第二累加负序分量；第一累加负序分量为第i-8N+1～i-4N个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；第二累加负序分量为第i-4N+1～i个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；M_th为预设的扰动重置阈值，M_th>0；i为当前额定电网周期的序号。

进一步地，

其中，SUM1_next和SUM2_next分别当前额定电网周期的下一额定电网周期内的第一累加负序分量第二累加负序分量；a[]表示对应额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值。

进一步地，扰动重置判据还包括：当前时间距离上一次扰动重置的时间间隔大于2s。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测装置，包括：

扰动注入模块，用于通过各逆变器向电网注入周期性的无功扰动电流；无功扰动电流在一个扰动周期中包括四个扰动模态，依次为正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动，每个扰动模态持续N个额定电网周期，且正、负无功扰动的电流幅值不相等；3≤N≤5；

以及孤岛检测模块，用于对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；对于任意一台逆变器，孤岛检测步骤包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod N更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否同时满足T(0)≥N_th、T(1)≤-N_th、T(2)≥N_th且T(3)≤-N_th；若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否则，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，并在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果；N_th为预设的孤岛判据阈值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明基于三相电压负序分量的变化量进行单相/两相孤岛检测，具体地，将相邻的两个电压负序向量变化量的点乘值作为检测判据量，并与无功扰动模态建立联系，形成孤岛检测判据，相比于现有方法直接基于三相电压负序分量进行孤岛检测，本发明能够排除由于电网不平衡或者严重畸变而引起的三相电压负序分量的干扰，确保了检测量仅由注入的无功扰动引起，不易发生误判，有效提高了单相/两相孤岛检测的准确度。

(2)本发明通过逆变器向电网注入的周期性的无功扰动电流中，正无功扰动的电流幅值与负无功扰动电流的幅值不相等，保证了多台逆变器并联时，注入的无功扰动不会被完全稀释，从而确保了在多台逆变器并网的情况下，也能够准确实现孤岛检测。

(3)在本发明的优选方案中，通过逆变器向电网注入的周期性的无功扰动电流中，在正无功扰动的电流幅值与负无功扰动电流的幅值不相等的基础上，引入了点乘运算结果正反馈ηT(n)|，由此能够在保证检测盲区不变的情况下减小无功扰动幅值，降低对输出电能质量的影响。

(4)在本发明的优选方案中，对周期性的无功扰动电流中，正无功扰动幅值和负无功扰动中的相关参数进行了设计，具体地，设计点乘运算结果正反馈中的系数η＝0.02，该参数设计能够在引入点乘运算结果正反馈的情况下，较好地平衡检测盲区和无功扰动对输出电能质量的影响，获得较好的综合收益；在此基础上，设计正、负无功扰动的电流幅值为0.015和0.0075，基于该参数设计，能够保证在多台逆变器正常工作也存在一定无功扰动的同时，扰动对电能质量的影响降到最低。

(5)在本发明的优选方案中，基于PCC点额定电压在d轴上的大小U_pccd与注入无功扰动系数确定了孤岛检测判据中孤岛检测阈值的合理范围，进一步确保了单相/两相孤岛检测的准确性。

(6)在本发明的优选方案中，设置了相应的扰动重置判据，在每一个额定电网周期都会依据公共耦合点的三相电压负序分量判断是否满足该扰动重置判据，并在满足时进行扰动重置，使各逆变器的扰动状态相同，实现了各台逆变器的无功扰动同步，能够进一步提高后续孤岛检测的准确性。进一步优选地，扰动重置判据|SUM1_now-SUM2_now|≥M_th综合考虑了相邻两个完整的扰动序列中公共耦合点三相负序电压的d轴或q轴分量的平均值累加和之间的差异，能有效避免基于单个额定电网周期计算结果进行判断所带来的误差，从而准确地捕捉到孤岛可能发生的情况，触发扰动重置，实现各台逆变器的无功扰动同步，有效提高后续孤岛检测的准确性；并且，进一步优选地，仅在当前时刻距离上一次扰动重置的时间间隔超过2s时，才执行扰动重置，能够在保证孤岛检测准确性的情况下，避免由于多次重复重置而延长孤岛检测时间。

附图说明

图1为现有的三相并网发电系统发生单相孤岛工况时的示意图；

图2为现有的三相并网发电系统发生两相孤岛工况时的示意图；

图3为本发明实施例提供的单相/两相孤岛工况下，所注入无功扰动引起的PCC点三相电压向量变化情况；其中，(a)为单相孤岛工况下，所注入无功扰动引起的PCC点三相电压向量变化情况，(b)为两相孤岛工况下，所注入无功扰动引起的PCC点三相电压向量变化情况；

图4为本发明实施例提供的所注入无功扰动引起的PCC点三相电压负序分量变换到dq坐标系下的向量图；

图5为本发明实施例提供的不同无功扰动模态下对应的负序分量向量坐标、相邻模态间向量差以及相邻向量差的点乘结果；

图6为本发明实施例提供的周期性无功扰动序列示意图；

图7为本发明实施例提供的扰动重置判据及其计算方法示意图；

图8为本发明实施例提供的孤岛检测步骤流程图；

图9为本发明实施例提供的实验验证平台结构框图；

图10为图9所示实验验证平台单机并网运行时两相与单相孤岛检测波形图；其中，(a)为单机并网运行时两相孤岛检测波形图，(b)为单机并网运行时单相孤岛检测波形图；

图11为图9所示实验验证平台两机并网运行时两相与单相孤岛检测波形图；其中，(a)为单机并网运行时两相孤岛检测波形图，(b)为单机并网运行时单相孤岛检测波形图；

图12为图9所示实验验证平台三机并网运行时两相与单相孤岛检测波形图；其中，(a)为单机并网运行时两相孤岛检测波形图，(b)为单机并网运行时单相孤岛检测波形图；

图13为图9所示实验验证平台两机并网运行与三机并网运行时孤岛保护时间重复性实验的结果；其中，(a)为两机并网运行时孤岛保护时间重复性实验的结果，(b)为三机并网运行时孤岛保护时间重复性实验的结果；

图14为图9所示实验验证平台在不对称电网与严重畸变电网工况下的波形图；其中，(a)不对称电网下的波形图，(b)为严重畸变电网工况下的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

再详细解释本发明的技术方案之前，先对三相并网发电系统的单相孤岛工况及两相孤岛工况进行如下简要说明。

如图1所示，当三相并网发电系统网侧任意一相线路发生断线故障时，如果三相并网逆变器输出的有功与无功功率与三相RLC负荷消耗的有功与无功功率相接近，系统将继续维持单相孤岛运行。同理，如图2所示，当三相并网发电系统网侧任意两相线路发生断线故障时，系统将有可能继续维持两相孤岛运行。

当系统发生单相或者两相孤岛工况时，并网逆变器注入的无功功率扰动会引起断线相的电压相量发生变化，而非断线相电压依旧受电网控制，此时，PCC(公共耦合点)点三相电压会出现负序分量与零序分量。单相孤岛工况如图3中的(a)所示，以A相断路为例，注入正无功扰动N1时，电压向量从A变化为A1，注入负无功扰动-N2时，电压向量从A变化为A2，B相向量和C相向量则维持不变；两相孤岛工况如图3中的(b)所示，以A、B相断路为例，注入正无功扰动N1时，电压向量A变化为A1，电压向量B变化为B1，注入负无功扰动-N2时，电压向量A变化为A2，电压向量B变化为B2，C相电压向量则维持不变。因此，通过检测三相电压负序分量的变化，就能判断单相或者两相孤岛是否发生。但是，在电网不平衡或者严重畸变时，也可能会产生三相电压负序分量，仅仅依据三相电压负序分量进行检测，容易发生误判。

为了提高单相或两相孤岛检测的准确度，本发明提供了一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置，其整体思路在于：基于电压负序向量的变化量进行检测，而非直接基于电压负序向量进行检测，以排除电网不对称或严重畸变所带来的干扰，确保检测量仅由注入的无功扰动引起，在此基础上，基于单相/两相孤岛工况下电压负序向量的变化量的规律，及其与无功扰动模态之间的联系，设计合理的孤岛检测判据，减少发生误判的可能性，有效提高单相/两相孤岛检测的准确性。

为了在实现单相/两相孤岛的准确检测的同时，为了在多台逆变器并网的情况下，也实现检测，本发明对各逆变器向电网注入的无功功率扰动进行了改进，使得正无功扰动的电流幅值与负无功扰动的电流幅值不相等，确保任意逆变器并联时注入的无功扰动不会被完全稀释。在实际应用中，正无功扰动的电流幅值大于负无功扰动的电流幅值，或者正无功扰动的电流幅值小于负无功扰动的电流幅值均可，不失一般性地，在以下实施例中，均以正无功扰动的电流幅值大于负无功扰动的电流幅值为例进行说明。为便于描述，在以下实施例中，以符号

和

分别表示正无功扰动的电流幅值和负无功扰动的电流幅值，

本发明中，各逆变器向电网注入的无功扰动电流在一个扰动周期中包括四个扰动模态，依次为正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动，每个扰动模态持续N个额定电网周期，3≤N≤5；本发明中，会在每个扰动模态的最后一个额定电网周期检测公共连接点的频率并进行孤岛检测，若每个扰动模态持续时间过长，则会导致孤岛检测时间过长，若每个扰动模态持续时间过短，则有可能因为系统尚未处于稳定状态而导致检测结果不准确，基于此，本发明设置每个扰动模态所持续的时间为3～5个额定电网周期，能够有效避免相关问题。为了平衡检测时间和检测准确度，作为一种优选的实施方式，在以下实施例中，均设置N＝4，即每个扰动模态持续4个额定电网周期，相应地，一个完整的扰动周期持续16个额定电网周期。在每个扰动模态的最后一个额定电网周期，会获取到当前扰动模态下PCC点电压负序分量稳态值，并基于获取到的结果构建孤岛检测判据以进行单相/两相孤岛检测。

如图4所示，将PPC点测得的三相电压负序分量变换到dq坐标系下，得到负序分量向量，该向量在d轴与q轴上的投影的大小可以形成坐标来描述该向量。图4中，

分别是不注入无功扰动、注入正无功扰动、注入负无功扰动时，对应的负序电压向量。当电网的三相电压保持平衡且逆变器输出功率与负载消耗功率完全相等时，

为零向量。

分别为注入的正无功扰动和负无功扰动对应的负序分量向量的变化量。

本发明研究发现，相邻两个扰动模态的负序分量向量变化量彼此之间的方向相同或者相反，因此，这两个向量变化量之间的点乘运算结果与两个向量变化量的模长乘积相等或互为相反数，如图5所示，也即是说，这两个向量变化量之间的点乘运算结果包含了这两个向量变化量的大小和方向信息。基于此，本实施例通过对这两个向量变化量进行点乘运算，将向量运算转换为数值运算，并将点乘运算结果与无功扰动模态建立联系形成了如下孤岛检测判据：

T(0)≥N_th&&T(1)≤-N_th&&T(2)≥N_th&&T(3)≤-N_th

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示当前扰动模态及其前的三个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果；N_th为预设的孤岛判据阈值，其值可根据实际工况合理设置，通常情况下，该阈值设置较小，检测相对容易，但检测误差较大，反之，该阈值设置较大，则检测误差较小，但检测难度相对较大，为了确保该阈值在合理范围内，本发明中，判据阈值N_th的大小由PCC点额定电压在d轴上的大小U_pccd与注入无功扰动系数k共同决定，具体表达式为：

通过逆变器向电网注入无功扰动电流后，会导致无功功率总量不为0，从而会对系统功率因数造成影响，降低输出电能的质量；为了降低该影响，作为一种优选的实施方式，以下实施例中，所注入的无功扰动电流在正、负无功扰动的电流幅值不相等的基础上，进一步引入了点乘运算结果正反馈ηT(n)|；基于此，周期性的无功扰动电流中，正无功扰动的幅值

与负无功扰动的幅值

分别如下：

i_dref表示逆变器输出的d轴电流参考值；K₁和K₂为无功扰动系数，K₁>0，K₂>0，且K₁≠K₂；T(n)表示最近一个完整扰动模态下的点乘运算结果；η≥0，其具体取值可根据可能出现的点乘运算结果范围以及注入无功扰动大小上下限设定；K₁、K₂和η的取值不同，对检测盲区以及对输出电能质量的影响将有所不同，为了取得较好的平衡，在以下实施例中，相关参数的具体取值为：K₁＝0.015，K₂＝0.0075，η＝0.02。应当说明的是，此处的参数取值仅为较优的取值，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，也可根据实际的需求，对参数进行灵活调整。

在上述孤岛检测阈值的关系式中，k表示无功扰动系数K₁和K₂中的较小值，在以下实施例中，为0.0075；对于交流电网额定相电压有效值为220V的系统，以下实施例中，N_th取值为0.5。

为便于描述，在以下实施例中，以AI_MODE表示当前无功扰动所处的模态，其取值从0～3循环变化，且0～3的取值分别表示正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动；以AI_CNT表示每个扰动模态已经持续的额定电网周期数，其取值同样从0～3循环变化；则单个逆变器向电网注入的无功扰动电流波形如图6所示。基于以上参数设定，AI_MODE取值不同时，相应的无功扰动可表示如下：

当AI_MODE＝0时，

当AI_MODE＝1时，Δi_q＝0；

当AI_MODE＝2时，

当AI_MODE＝3时，Δi_q＝0；

其中，Δi_q表示零扰动模态下的电流幅值。

本发明通过逆变器向电网注入的周期性的无功扰动电流中，正无功扰动的电流幅值与负无功扰动电流的幅值不相等，保证了多台逆变器并联时，注入的无功扰动不会被完全稀释，从而确保了在多台逆变器并网的情况下，也能够准确实现孤岛检测。

在多逆变器并联的情况下，各逆变器向电网注入的无功功率扰动同步时，孤岛检测的结果越准确快速，因此，作为一种优选的实施方式，本发明设置了合适的扰动重置判据，通过该扰动重置判据，能够准确判断出有可能发生孤岛的情况，并对各逆变器的无功扰动进行重置，使各逆变器向电网注入的无功扰动电流处于相同的状态，从而有效提高孤岛检测的准确度的同时缩短孤岛检测时间。

在每一个额定电网周期，都会根据扰动重置判据判断是否需要进行扰动重置，为了避免只采用单周期频率偏差带来的误判，在以下实施例中，会综合相邻的两个完整的扰动序列(每个完整的扰动序列包括16个额定电网周期)内所计算的PCC负序电压q轴分量平均值的累加和来设计扰动重置判据。

具体地，在任意第i个额定电网周期中，定义该额定电网周期内PCC负序电压向量的q轴分量的平均值为

a[i]＝|U_{PCCq_neg_avg}

其中，U_{PCCq_neg_avg}表示该额定电网周期内PCC负序电压向量的q轴分量的平均值；应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，还可以PCC负序电压向量的d轴分量的平均值来定义相应额定电网周期内的a[]；

基于a[]，定义任意第i个额定电网周期内的第一累加负序分量SUM1_now为第i-8N+1～i-4N个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；定义任意第i个额定电网周期内的第二累加负序分量SUM2_now为第i-4N+1～i个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；则对于当前额定电网周期t＝32t₀(t₀表示定电网周期)，当前额定电网周期内的第一累加负序分量SUM1_now和第二累加负序分量SUM2_now分别如下：

基于以上计算，扰动重置判据具体为：

D_SUM＝|SUM1_now-SUM2_now|≥M_th

其中，M_th为预设的扰动重置阈值，M_th>0；当多机并网系统处于正常并网状态下，D_SUM为0；当系统发生单相、两相孤岛时，由于系统中始终存在一定量的无功扰动，PCC点的负序电压分量会发生改变；D_SUM超过扰动重置判据时，说明负序分量偏差较大，孤岛可能发生，需要执行扰动重置；可选地，在以下实施例中，通过将AI_MODE和AI_CNT清零，将各逆变器注入电网的无功扰动电流置为相同状态，完成扰动重置；需要说明的是，在本发明其他的一些实施例中，也可以在将AI_CNT清零的基础上，将各逆变器的AI_MODE置为其他相同的值，完成扰动重置。由于所有逆变器采样相同的PCC点电压，无功扰动序列会在同一时刻被重置，从而实现了逆变器间无功扰动序列的同步。

由于在每一个额定电网周期中，都需要计算第一累加频率偏差和第二累加频率偏差，而在相邻的两个额定电网周期中，两个累加频率偏差的计算涉及大量重复的计算，为了减小计算量，采用滑窗法进行计算，即在当前额定电网周期计算结果的基础上，加上下一额定电网周期相对于当前额定电网周期计算结果的差值，作为下一额定电网周期的计算结果，则如图7所示，对于下一个额定电网周期t＝33t₀内的第一累加负序分量SUM1_next和第二累加负序分量SUM2_next，计算公式分别如下：

由于多次重复重置会大幅延长孤岛检测时间，为了避免这一问题，以下实施例中，扰动重置判据进一步包括：当前时间距离上一次扰动重置的时间间隔大于2s，2s为孤岛检测要求时间。该约束确保了一次重置动作后2s内不能再次进行重置。

以下为实施例。

实施例1：

一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，包括：

通过各逆变器向电网注入上述周期性的无功扰动电流，并对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；

对于任意一台逆变器，孤岛检测步骤如图8所示，包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

作为一种优选的实施方式，本实施例的步骤(S1)还包括：

在得到当前额定电网周期内电压负序分量向量之后，判断是否满足上述扰动重置判据，若是，则将各逆变器中当前注入的无功扰动电流对应的AI_MODE和AI_CNT均清零，使无功扰动电流状态相同，以进行扰动重置，扰动重置结束后，转入步骤(S2)；若不满足扰动重置判据，则直接转入步骤(S2)；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod4更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

当前逆变器的无功扰动电流会基于该点乘运算结果相应更新；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否满足上述孤岛检测判据，即是否同时满足T(0)≥0.5、T(1)≤-0.5、T(2)≥0.5且T(3)≤-0.5，并且当前时间距离上一次扰动重置的时间间隔大于2s，若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否不满足孤岛检测判据，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，相应地，AI_MODE将被更新为(AI_MODE+1)mod 4，在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果。

总体而言，本实施例将相邻的两个电压负序向量变化量的点乘值作为检测判据量，并与无功扰动模态建立联系，形成孤岛检测判据。此判据在电网不平衡或者严重畸变时，不易发生误判；通过设置无功扰动序列重置判据量，实现了各台逆变器之间的无功扰动序列同步，保证此方法能够适用于多机并网工况；此该同步方法无需逆变器之间的有线或者无线通讯，有效降低了系统的成本。相较于检测三相电压彼此之间的相角差，检测三相电压负序分量更加简便，对数字控制器的计算资源消耗更少。

实施例2：

一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测装置，包括：

扰动注入模块，用于通过各逆变器向电网注入上述周期性的无功扰动电流；

以及孤岛检测模块，用于对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；对于任意一台逆变器，所述孤岛检测步骤包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

作为一种优选的实施方式，本实施例的步骤(S1)还包括：

在得到当前额定电网周期内电压负序分量向量之后，判断是否满足上述扰动重置判据，若是，则将各逆变器中当前注入的无功扰动电流对应的AI_MODE和AI_CNT均清零，使无功扰动电流状态相同，以进行扰动重置，扰动重置结束后，转入步骤(S2)；若不满足扰动重置判据，则直接转入步骤(S2)；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod 4更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

当前逆变器的无功扰动电流会基于该点乘运算结果相应更新；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否满足上述孤岛检测判据，即是否同时满足T(0)≥0.5、T(1)≤-0.5、T(2)≥0.5且T(3)≤-0.5，并且当前时间距离上一次扰动重置的时间间隔大于2s，若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否不满足孤岛检测判据，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，相应地，AI_MODE将被更新为(AI_MODE+1)mod 4，在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果。

本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述方法实施例中的描述，在此将不做复述。

以下结合具体的实验验证平台对所提单相/两相孤岛检测方法的可行性与有效性通过实验进行验证。如图9所示，本实验所用实验验证平台由三台三相并网逆变器、可调三相RLC负载以及三相断路器构成。实验步骤如下：

(1)依次将RLC负载和逆变器接入电网，并确保逆变器输出功率和RLC负载消耗功率相等；

(2)通过短接三相断路器的两相或者一相来形成单相或者两相孤岛工况；

(3)断开公共连接点断路器开关，此时电网脱离，模拟孤岛发生工况；

(4)用示波器测量断路器断开到逆变器继电器断开之间的时间，即为孤岛保护时间；

(5)多机并网时，进行重复性实验。

图9所示实验验证平台单机并网运行时，两相与单相孤岛检测波形图分别如图10中的(a)和(b)所示；图10所示波形图验证了本发明所提供的方法能实现单机并网系统单相、两相孤岛检测。图9所示实验验证平台，两机并网运行时两相与单相孤岛检测波形图分别如图11中的(a)和(b)所示，三机并网运行时两相与单相孤岛检测波形图分别如图12中的(a)和(b)所示，两机并网运行与三机并网运行时孤岛保护时间重复性实验的结果分别如图13中的(a)和(b)所示，图11、图12以及图13验证了本发明所提方法能实现多机并网系统单相、两相孤岛检测，并且孤岛保护时间始终小于800ms，符合IEC 62116Ed.2(2014)中孤岛保护时间小于2s的要求。在电网不对称和电网严重畸变工况下的波形图分别如图14中的(a)和(b)所示，图14所示实验结果验证了本发明所提方法在电网不对称与电网严重畸变时不会出现误判的情况。以上实验充分验证了本发明的可行性和有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，包括：

通过各逆变器向电网注入周期性的无功扰动电流，并对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；所述无功扰动电流在一个扰动周期中包括四个扰动模态，依次为正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动，每个扰动模态持续N个额定电网周期，且正、负无功扰动的电流幅值不相等；3≤N≤5；

对于任意一台逆变器，所述孤岛检测步骤包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod N更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否同时满足T(0)≥N_th、T(1)≤-N_th、T(2)≥N_th且T(3)≤-N_th；若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否则，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，并在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果；N_th为预设的孤岛判据阈值。

2.如权利要求1所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，所述周期性的无功扰动电流中，正无功扰动的幅值

与负无功扰动的幅值

分别如下：

其中，i_dref表示逆变器输出的d轴电流参考值；K₁和K₂为无功扰动系数，K₁>0，K₂>0，且K₁≠K₂；T(n)表示最近一个完整扰动模态下的点乘运算结果；η≥0。

3.如权利要求2所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，η＝0.02。

4.如权利要求3所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，K₁＝0.015，K₂＝0.0075；或者，K₁＝0.0075，K₂＝0.015。

5.如权利要求2所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，

其中，k为无功扰动系数K₁和K₂中的较小值，U_pccd为公共耦合点额定电压在d轴上的大小。

6.如权利要求1所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，N＝4。

7.如权利要求1～6任一项所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤(S1)还包括：在得到当前额定电网周期内电压负序分量向量之后，判断是否满足预设的扰动重置判据，若是，则将各逆变器中当前注入的无功扰动电流置为相同的状态以进行扰动重置；

所述扰动重置判据为：

|SUM1_now-SUM2_now|≥M_th

其中，SUM1_now和SUM2_now分别表示当前额定电网周期内计算的第一累加负序分量和第二累加负序分量；第一累加负序分量为第i-8N+1～i-4N个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；第二累加负序分量为第i-4N+1～i个额定电网周期所构成的完整扰动序列中，各额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值的累加和；M_th为预设的扰动重置阈值，M_th>0；i为当前额定电网周期的序号。

8.如权利要求7所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，

其中，SUM1 _next和SUM2_next分别当前额定电网周期的下一额定电网周期内的第一累加负序分量第二累加负序分量；a[]表示对应额定电网周期内计算的公共耦合点负序电压q轴分量或d轴分量的平均值。

9.如权利要求8所述的基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法，其特征在于，所述扰动重置判据还包括：当前时间距离上一次扰动重置的时间间隔大于2s。

10.一种基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测装置，其特征在于，包括：

扰动注入模块，用于通过各逆变器向电网注入周期性的无功扰动电流；所述无功扰动电流在一个扰动周期中包括四个扰动模态，依次为正无功扰动、零扰动、负无功扰动和零扰动，每个扰动模态持续N个额定电网周期，且正、负无功扰动的电流幅值不相等；3≤N≤5；

以及孤岛检测模块，用于对各逆变器分别执行孤岛检测步骤；对于任意一台逆变器，所述孤岛检测步骤包括：

(S1)获取当前额定电网周期内公共耦合点电压的负序分量并变换到两相旋转坐标系下，得到电压负序分量向量；

(S2)按照AI_CNT＝(AI_CNT+1)mod N更新当前扰动模态已经持续的额定电网周期数AI_CNT，若更新后AI_CNT≠0，则在下一个额定电网周期到达后转入步骤(S1)；否则，转入步骤(S3)；

(S3)计算当前额定电网周期内电压负序分量向量的变化量，并将其与上一扰动模态的最后一个额定电网周期内计算的电压负序分量向量的变化量进行点乘，得到当前扰动模态下的点乘运算结果；

(S4)根据当前扰动模态及其前的三个扰动模态下的点乘运算结果，判断是否同时满足T(0)≥N_th、T(1)≤-N_th、T(2)≥N_th且T(3)≤-N_th；若满足，则判定发生单相/两相孤岛错误，并停止当前逆变器的工作；否则，将当前逆变器的扰动模态切换为当前扰动模态的下一个扰动模态，并在下一个额定电网周期达到后，转入步骤(S1)；

其中，T(0)、T(1)、T(2)和T(3)依次表示四个扰动模态中的正无功扰动、正无功扰动之后的零扰动、负无功扰动以及负无功扰动之后的零扰动下计算的点乘运算结果；N_th为预设的孤岛判据阈值。

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