CN103412207A - 基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法 - Google Patents

Abstract

基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，属于电力***继电保护与自动控制技术领域。该方法当电压谐波畸变率超过定值时启动逆变器注入负序电流，检测公共连接点电压不平衡度和电压谐波畸变率，当二者均超过各自定值且持续时间超过设定的时间定值即可判定孤岛发生，实现快速检测孤岛。本发明降低了判据的整定难度，有利于提高检测速度；保证了在正常运行情况下最大可能地减少了对电网的干扰；不受电网不对称故障的影响且无检测盲区。在最不利于孤岛检测的情况下进行了仿真验证，本发明仍能快速准确检测出孤岛运行状态。为孤岛时分布式电源退出运行或由并网运行转入孤岛运行控制方式电力***安全运行等及检测提供了好方法。

Description

基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，属于电力***继电保护与自动控制技术领域。

背景技术

随着地球环境污染的加剧和常规能源的逐渐枯竭，新能源的开发利用逐渐成为当前研究热点。光伏发电(Photovoltaic,PV)作为其中一种重要的发电形式，仍存在三大主要难题：最大功率跟踪控制、并网技术和孤岛检测。孤岛效应是指当电网由于电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时，分布式发电(Distributed Generation,DG)***未能检测出停电状态而脱离电网，仍向周围的负载提供电能，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。DG孤岛运行时可能会给用户设备带来安全隐患，同时非计划孤岛运行对检修人员的人身安全也会构成潜在的威胁，快速有效地检测孤岛运行状态并采取合理的控制策略，有利于提高供电可靠性和分布式电源的利用效率。

目前，孤岛检测主要可以分为基于通信的孤岛检测方法和本地孤岛检测方法。基于通信的孤岛检测方法通过无线或有线通信传输断路器的状态信息，进而判断是否孤岛。本地孤岛检测方法可大致分为被动式孤岛检测和主动式检测。其中，被动式检测方法利用孤岛时分布式电源与电网公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)电压、相位、频率、谐波含量等检测孤岛，主要有“过/欠压”(Over Under Voltage,OUV)、“过/欠频”(Over UnderFrequency,OUF)方法，电压谐波含量检测法(Harmonics Detection,HD)，电压相位突变检测法(Phase Jump Detection,PJD)等。被动式检测法的优点是不需要增加额外硬件电路，对负荷不会造成冲击，缺点是存在较大的检测盲区(Non-Detection Zone,NDZ)，当主电网断电且PV功率与负荷功率匹配时，电压频率将维持在正常运行范围内，基于OUV和OUF的孤岛检测方法可能失效。主动式检测法是在分布式电源并网运行时定期向公共连接点注入扰动信号来判断孤岛是否发生。电网正常运行由于电网锁相环的平衡作用，这些扰动不会被检测到，孤岛时逆变器的这些注入扰动将会累积，超出设定的范围时便会触发孤岛检测电路检测到孤岛发生。主动式孤岛检测法也主要是基于电压偏移、频率偏移和相位偏移原理，其优点是检测盲区小，缺点是在分布式电源正常并网运行时会给电网造成一定的扰动。

被动式孤岛检测法和主动式孤岛检测法在某些方面是互补的，负序电流注入会对发电机等有关设备产生不良影响，同时基于负序电流的孤岛检测方法可能受电网侧非对称故障的影响。因此本发明提出一种基于谐波畸变率的负序电流注入式孤岛检测方法，与其他主动式孤岛检测方法相比具有对电网扰动小、抗干扰性强、检测速度快的特点。

目前现有的基于电压谐波的孤岛检测理论为：

对于PV***，具备反孤岛效应能力非常重要。反孤岛的关键是与主电网断电的检测，且检测时间越短，检测效果一般越好。GB/T19939-2005规定防孤岛效应保护应在2s内动作，将光伏***与电网断开，另外，当电网电压不在85%-110%这一范围，光伏并网逆变器应与电网断开。

表1电网电压谐波限值(Tab.1Grid voltage harmonic limits)

电压谐波检测是通过检测公共连接点电压V_PCC的总谐波畸变率(Total HarmonicDistortion,THD)来判断是否出现孤岛。其计算如式(1)所示。

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2}}{V_1}\×100\%---\left(1\right)$

其中V_n为n次谐波有效值。GB/T14549-1993规定了表1所示电网谐波电压限值。

逆变器的输出电压、电流中总是包含一定的谐波分量，但在并网运行中，电网可近似为阻抗很低的电压源，谐波电流流入电网，公共连接点的电压谐波畸变率将会变得很低，此时，V_PCC的THD一般低于表1对应的限值。而在孤岛运行时，一方面，孤岛中的非线性负荷，比如配电变压器，在电流谐波的激励下电压会出现高度失真，通常为三次谐波；另一方面，电流谐波流入阻抗较大的负载，使得V_PCC产生较大的谐波。因此，理论上选定合适的阈值，可构造基于THD的孤岛检测方法，但实际应用中存在困难：很难选定既能保证并网运行或***发生故障时不误判、又能保证孤岛运行时能灵敏判别的阈值。且当孤岛中的负荷具有很强的低通特性，非线性负荷所需要的输入谐波电流与逆变器输出电流匹配，逆变器具有高质量低失真输出等情况时，该方法也可能失效。

太阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件自身温度（芯片温度）而变化的,且由于太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。而电源逆变器辐射强度是变化着的，最佳工作点也是变化的。相对于这些变化，始终让太阳电池组件的工作点处于最大功率点、始终从太阳电池组件获取最大功率输出的控制方式即最大功率跟踪控制(MPPT)。

电导增量法主要是将光伏阵列的瞬时电导和电导的变化率进行比较来实现最大功率点跟踪，基本原理可简述为：光伏阵列的输出P-U特性曲线为单峰值曲线，并且在最大功率点处有dP/dU＝d(UI)/dU＝0，得到dI/dU＝-I/U，其中P为输出功率，U为输出电压I为输出电流。当dP/dU＞0时，光伏阵列工作在最大功率点的左侧，当dP/dU＜0时，光伏阵列工作在最大功率点的右侧，这样就可以实时跟踪光伏电池的最大功率。

UL1741为北美配电用逆变器、变频器、控制器和***互连设备标准，其规定了经逆变器并网的分布式电源并网要求。

IEEE1547为美国电气和电子工程师协会制定的分布式电源接入标准，其规定了分布式电源接入电网公共连接点电压、频率、谐波等影响限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，该方法当电压THD小于给定定值时不注入负序电流，当电压THD大于给定定值时注入负序电流，然后通过检测公共连接点的电压不平衡度判定孤岛状态。本方法合理地投入负序电流注入，降低了对电网的干扰，不受电网不对称故障的影响且无检测盲区。在光伏电源功率与负荷功率匹配、公共连接点电压和频率基本不发生偏移的情况下，对方法进行了仿真验证，结果表明即便在这种最不利于孤岛检测的情况下，方法仍能快速准确地检测出孤岛运行状态。

一种基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，

假设现有电网等效为：

光伏电池阵列发出的电能经过DC/DC变换使变换后的直流电压满足并网要求，同时在DC/DC变换中采取电导增量法的最大功率跟踪控制(MPPT)，通过逆变器将直流电转换为交流电并网，PV并网时采取单位功率因数电流控制；

其中，R_f、L_f为逆变器交流侧滤波器的电阻和电感，R_s、L_s为主电网等效电阻和电感，负荷模型可以等效为RLC并联；i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为光伏逆变器输出的三相电流相量；

该方法步骤为：

（1）通过电压互感器测量PCC处的三相电压V_aV_bV_c，

（2）计算该PCC处的三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）；

所述总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)计算公式如式(1)：

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2}}{V_1}\×100---\%\left(1\right)$

其中，V_n为n次谐波有效值；

（3）判断THD是否超出设定的阈值；

GB/T14549-1993规定了表1所示电网谐波电压限值（阈值）。（阈值参考表1。）

如没有超出，返回第（2）步；

如超出，启动将负序电流注入逆变器驱动控制电路：

测量光伏电池组件的输出电压U_DC和输出电流I_DC实时计算其输出功率P＝I_DCU_DC，因为逆变器输出交流侧的功率和直流侧功率相等，因此，

U_AC为电网交流侧额定电压，I^* _abc为输入逆变器电流

的有效值；电流为电流控制时的三相参考电流；

负序电流注入时，逆变器的输出电流i_abc跟踪电流控制的给定电流三相参考电流

且 $i_{\mathrm{abc}}^{*}=i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}+i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_a^{*}& i_b^{*}& i_c^{*}\end{array}\right]}^T;$ 通过注入不同的正序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(1\right)}^{*}& i_{b\left(1\right)}^{*}& i_{c\left(1\right)}^{*}\end{array}\right]}^T$ 和负序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(2\right)}^{*}& i_{b\left(2\right)}^{*}& i_{c\left(2\right)}^{*}\end{array}\right]}^T,$ 来控制注入PCC正序、负序电流的大小；其中，C为给定正序电流幅值与给定负序电流幅值的比值；V_PCC为公共连接点的三相电压，其中包括各次谐波分量、基波正序分量、基波负序分量和零序分量；

（4）然后通过电压互感器检测与电网联系的PCC处的电压，计算PCC处三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）、正负序电压及电压不平衡度VI，

三相电压矢量 $U_{\mathrm{abc}}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_a& {\stackrel{.}{U}}_b& {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]}^T$ 可分解为正序电压 $U_{\left(1\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(1\right)}\end{array}\right]}^T$ 、负序电压 $U_{\left(2\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(2\right)}\end{array}\right]}^T$ 和零序电压 $U_{\left(0\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(0\right)}\end{array}\right]}^T$ ；

以A相为特殊相的正序分量、负序分量和零序分量与三相电压矢量U_abc的关系如式(4)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_a\\ {\stackrel{.}{U}}_b\\ {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]---\left(4\right)$

由于PCC有逆变器的注入电流，所以PCC电压含有谐波分量，在提取PCC电压各序分量之前须先进行滤波处理，并得到基波分量。离散傅立叶变换(DFT)有着很好的滤波效果，但是每计算完成一次DFT运算需要N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法，计算量较大，其中N为每周波的采样点数；推荐用快速傅立叶变换(FFT)算法来滤波，每次FFT运算只需

次复数乘法和

次复数加法运算，当N较大时可以大大减小运算量；

所述三相电压不平衡度(Voltage Imbalance,VI)公式如式(2)所示，三相电流不平衡度(Current Imbalance,CI)的如式(3)所示；

$\mathrm{VI}=\frac{V_{\left(2\right)}}{V_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(2\right)$

$\mathrm{CI}=\frac{I_{\left(2\right)}}{I_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(3\right)$

其中，V₍₂₎为负序电压的幅值，V₍₁₎为正序电压的幅值，I₍₂₎为负序电流的幅值，I₍₁₎为正序电流幅值；

UL1741或者IEEE1547均可作为孤岛检测的测试标准；此处以UL1741标准作为孤岛检测要遵守的标准；

判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值，

所述判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值,为保证孤岛监测的可靠性和灵敏性，VI阈值可选为略低于C的取值；

如没有超出，返回第(2)步；

如果均超出，且持续超出的时间大于设定的时间定值，则判定出现孤岛运行状况。

本方法通过当电压谐波畸变率超过定值时启动逆变器注入负序电流、检测公共连接点电压不平衡度，当PCC电压不平衡度超过设定的时间定值即可判定孤岛发生。

所述步骤（4）的原理是：

设G1为PV电源，设定逆变器的给定三相电流确定注入正序、负序电流的大小；Grid为主电网，可等值为一个电压源，其电压表示为U_Grid；Z_DG(1)、Z_DG(2)为正负序电源的等值阻抗，Z_L(1)、Z_L(2)为负荷到PCC的正负序等值阻抗，Z_S(1)、Z_S(1)为主电网到PCC的正负序等值阻抗；

当K闭合未发生孤岛时PCC正负序电压计算如式(5)式(6)所示；

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}=Z_{L\left(1\right)}\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{Grid}}+{\stackrel{.}{I}}_{G\left(1\right)}{Z}_{S\left(1\right)}}{Z_{L\left(1\right)}+Z_{S\left(1\right)}}---\left(5\right)$

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(2\right)}\frac{Z_{S\left(2\right)}{Z}_{L\left(2\right)}}{Z_{S\left(2\right)}+Z_{L\left(2\right)}}---\left(6\right)$

由于Z_S(1)、Z_S(2)的值分别相对Z_L(1)、Z_L(2)而言很小，故

，PCC的电压不平衡度VI=0；

当K断开出现孤岛时PCC正序电压、负序电压计算如式(7)式(8)所示；

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(1\right)}{Z}_{L\left(1\right)}---\left(7\right)$

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(2\right)}{Z}_{L\left(2\right)}---\left(8\right)$

一般情况下Z_L(1)＝Z_L(2)，故有

$\mathrm{VI}=\frac{V_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}}{V_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}}\×100\%=\frac{I_{G\left(2\right)}}{I_{G\left(1\right)}}\×100\%---\left(9\right)$

其中，U_PCC(1)、U_PCC(2)、I_G(1)、I_G(2)分别为PCC的正、负序电压和G1注入PCC的正、负序电流相量模值；

当电网侧发生不对称短路时也可能在PCC处产生超过孤岛检测阈值的负序电压，其相当于在PCC接入一负序电压源G2，此时如果仅仅依靠电压不平衡度，可能发生孤岛检测误判；注意到发生不对称短路时，只在短路故障发生瞬间和故障切除瞬间电压谐波畸变率很高，且谐波的衰减时间常数通常很小，因此这里以电压谐波畸变率作为孤岛检测的启动判据，当电压谐波畸变率达到设定的定值时，向逆变器控制电路电流给定值

加入负序分量，当PCC电压不平衡度超过设定的时间定值即可判定孤岛发生。

本发明的有益效果为：本发明以电压谐波畸变率作为孤岛检测的启动判据而非孤岛检测判据，降低了该判据的整定难度，在一定程度上有利于提高检测速度。而当电压谐波畸变率超过定值时才注入负序电流的策略，保证了在正常运行情况下最大可能地减少了对电网的干扰。本方法合理地投入负序电流注入，降低了对电网的干扰，不受电网不对称故障的影响且无检测盲区。在光伏电源功率与负荷功率匹配、公共连接点电压和频率基本不发生偏移的情况下，对方法进行了仿真验证，结果表明即便在这种最不利于孤岛检测的情况下，方法仍能快速准确地检测出孤岛运行状态。为孤岛时分布式电源退出运行，或由并网运行转入孤岛运行控制方式提供了有效的参考信号。为电力***安全运行及检测提供了一种好方法。

附图说明

图1为孤岛检测电网原理结构示意图。

图2为负序电流注入原理示意图。

图3为负序网络示意图。

图4为正序网络示意图。

图5为电网故障原理示意图。

图6为孤岛检测原理框图。

图7为孤岛前后电压波形图。

图8为公共连接点电压变化示意图。

图9为公共连接点频率示意图。

图10为电压谐波畸变率示意图。

图11为DG注入PCC电流不平衡度示意图。

图12为PCC电压不平衡度示意图。

图13为孤岛检测结果示意图。

图14为孤岛检测结果局部放大示意图。

图15是本发明流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

一种基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，图1为孤岛检测电网原理结构示意图，如图1所示，光伏电池阵列发出的电能经过DC/DC变换使变换后的直流电压满足并网要求，同时在DC/DC变换中采取电导增量法的最大功率跟踪控制(MPPT)，通过逆变器将直流电转换为交流电并网，PV并网时采取单位功率因数电流控制。其中，R_f、L_f为逆变器交流侧滤波器的电阻和电感，R_s、L_s为主电网等效电阻和电感，负荷模型可以等效为RLC并联。i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为光伏逆变器输出的三相电流相量。负序电流注入原理图如图2所示，其中， $i_{\mathrm{abc}}^{*}=i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}+i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_a^{*}& i_b^{*}& i_c^{*}\end{array}\right]}^T$ 为进行电流控制时给定的三相参考电流，逆变器的输出电流i_abc跟踪给定电流

通过给定不同的正序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(1\right)}^{*}& i_{b\left(1\right)}^{*}& i_{c\left(1\right)}^{*}\end{array}\right]}^T$ 和负序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(2\right)}^{*}& i_{b\left(2\right)}^{*}& i_{c\left(2\right)}^{*}\end{array}\right]}^T,$ 可以控制注入PCC正序、负序电流的大小，其中C为给定正序电流幅值与给定负序电流幅值的比值。并网逆变器输出与电网在PCC相连，开关K的开合状态反映了孤岛的发生，V_PCC为公共连接点的三相电压，其中包括各次谐波分量、基波正序分量、基波负序分量和零序分量。

GB/T15543-2008规定，电力***PCC正常工作电压不平衡度允许值为2%，短时间内不得超过4%，因此设置C为0.04，即注入PCC的电流不平衡度为4%。

图2为负序电流注入原理示意图。并网逆变器输出与主电网Grid在公共连接点PCC相连，通过开关K的开合来反映和模拟孤岛的发生。UL1741或者IEEE1547均可作为孤岛检测的测试标准。本文以UL1741标准来进行孤岛检测。所提方法的基本思路是当电压THD小于给定定值时不注入负序电流，当电压THD大于给定定值时注入负序电流，然后通过检测公共连接点的电压不平衡度判定孤岛状态。

一种基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，该方法步骤为：

（1）通过电压互感器测量PCC处的三相电压V_aV_bV_c，

（2）计算该PCC处的三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）；

所述总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)计算公式如式(1)：

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2}}{V_1}\×100\%---\left(1\right)$

其中，V_n为n次谐波有效值；

（3）判断THD是否超出设定的阈值；

所述阈值参考表1（所述阈值为GB/T14549-1993规定的如表1所示的电网谐波电压限值）；

如没有超出，返回第（2）步；

如超出，启动将负序电流注入逆变器驱动控制电路：

测量光伏电池组件的输出电压U_DC和输出电流I_DC实时计算其输出功率P＝I_DCU_DC，因为逆变器输出交流侧的功率和直流侧功率相等，因此，

U_AC为电网交流侧额定电压，I^* _abc为输入逆变器电流的有效值；此电流为电流控制时的三相参考电流；

基于负序电流注入测量PCC电压不平衡度的负序等效网络如图3所示，正序等效网络如图4所示(图3为负序网络示意图,图4为正序网络示意图)。其中，G1为PV电源，相当于一个电流源，可以通过设定逆变器的给定三相电流

确定注入正序、负序电流的大小。Grid为主电网，可等值为一个电压源，其电压表示为U_Grid。Z_DG(1)、Z_DG(2)为正负序电源的等值阻抗，Z_L(1)、Z_L(2)为负荷到PCC的正负序等值阻抗，Z_S(1)、Z_S(1)为主电网到PCC的正负序等值阻抗。

负序电流注入时，逆变器的输出电流i_abc跟踪电流控制的给定电流三相参考电流

$i_{\mathrm{abc}}^{*}=i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}+i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_a^{*}& i_b^{*}& i_c^{*}\end{array}\right]}^T;$ 通过注入不同的正序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(1\right)}^{*}& i_{b\left(1\right)}^{*}& i_{c\left(1\right)}^{*}\end{array}\right]}^T$ 和负序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(2\right)}^{*}& i_{b\left(2\right)}^{*}& i_{c\left(2\right)}^{*}\end{array}\right]}^T,$ 来控制注入PCC正序、负序电流的大小；其中，C为给定正序电流幅值与给定负序电流幅值的比值；V_PCC为公共连接点的三相电压，其中包括各次谐波分量、基波正序分量、基波负序分量和零序分量；

（4）然后检测与电网联系的PCC处的电压，计算PCC处三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）、正负序电压及电压不平衡度VI，

三相电压矢量 $U_{\mathrm{abc}}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_a& {\stackrel{.}{U}}_b& {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]}^T$ 可分解为正序电压 $U_{\left(1\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(1\right)}\end{array}\right]}^T$ 、负序电压 $U_{\left(2\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(2\right)}\end{array}\right]}^T$ 和零序电压 $U_{\left(0\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(0\right)}\end{array}\right]}^T$ ；

以A相为特殊相的正序分量、负序分量和零序分量与三相电压矢量U_abc的关系如式(4)所示；

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_a\\ {\stackrel{.}{U}}_b\\ {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]---\left(4\right)$

由于PCC有逆变器的注入电流，所以PCC电压含有谐波分量，在提取PCC电压各序分量之前须先进行滤波处理，并得到基波分量。离散傅立叶变换(DFT)有着很好的滤波效果，但是每计算完成一次DFT运算需要N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法，计算量较大，其中N为每周波的采样点数；这里采用快速傅立叶变换(FFT)算法来滤波，每次FFT运算只需

次复数乘法和

次复数加法运算，当N较大时可以大大减小运算量；

所述三相电压不平衡度(Voltage Imbalance,VI)公式如式(2)所示，三相电流不平衡度(Current Imbalance,CI)的如式(3)所示；

$\mathrm{VI}=\frac{V_{\left(2\right)}}{V_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(2\right)$

$\mathrm{CI}=\frac{I_{\left(2\right)}}{I_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(3\right)$

其中，V₍₂₎为负序电压的幅值，V₍₁₎为正序电压的幅值，I₍₂₎为负序电流的幅值，I₍₁₎为正序电流幅值；

UL1741或者IEEE1547均可作为孤岛检测的测试标准；此处以UL1741标准为依据进行孤岛检测；

判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值，

VI阈值选为略低于C的取值；

如没有超出，返回第(2)步；

如果均超出，且持续超出的时间大于设定的时间定值，则判定出现孤岛运行状况。

所述设定的时间定值：既要保证电网扰动时不能误判为孤岛，保证孤岛检测的可靠性不发生误判，又要满足UL1741规定的要求。

针对步骤（4），当K闭合未发生孤岛时PCC正负序电压计算如式(5)式(6)所示：

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}=Z_{L\left(1\right)}\frac{{\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{Grid}}+{\stackrel{.}{I}}_{G\left(1\right)}{Z}_{S\left(1\right)}}{Z_{L\left(1\right)}+Z_{S\left(1\right)}}---\left(5\right)$

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(2\right)}\frac{Z_{S\left(2\right)}{Z}_{L\left(2\right)}}{Z_{S\left(2\right)}+Z_{L\left(2\right)}}---\left(6\right)$

由于Z_S(1)、Z_S(2)的值分别相对Z_L(1)、Z_L(2)而言很小，故

，PCC的电压不平衡度VI=0。

当K断开出现孤岛时PCC正序电压、负序电压计算如式(7)式(8)所示。

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(1\right)}{Z}_{L\left(1\right)}---\left(7\right)$

${\stackrel{.}{U}}_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}={\stackrel{.}{I}}_{G\left(2\right)}{Z}_{L\left(2\right)}---\left(8\right)$

一般情况下Z_L(1)＝Z_L(2)，故有

$\mathrm{VI}=\frac{V_{\mathrm{PCC}\left(2\right)}}{V_{\mathrm{PCC}\left(1\right)}}\×100\%=\frac{I_{G\left(2\right)}}{I_{G\left(1\right)}}\×100\%---\left(9\right)$

其中，U_PCC(1)、U_PCC(2)、I_G(1)、I_G(2)分别为PCC的正、负序电压和G1注入PCC的正、负序电流相量模值。

此外，当电网侧发生不对称短路时也可能在PCC处产生超过孤岛检测阈值的负序电压，其相当于在PCC接入一负序电压源G2，（图5为电网故障原理示意图。），如图5所示，此时如果仅仅依靠电压不平衡度，可能发生孤岛检测误判。注意到发生不对称短路时，只在短路故障发生瞬间和故障切除瞬间电压谐波畸变率很高，且谐波的衰减时间常数通常很小，因此本文以电压谐波畸变率作为孤岛检测的启动判据，当电压谐波畸变率达到设定的定值（定值选择可参考表1）时，向逆变器控制电路电流给定值

加入负序分量，当PCC电压不平衡度超过设定的时间定值即可判定孤岛发生，孤岛检测原理框图如6所示。（图6为孤岛检测原理框图。）

以电压谐波畸变率作为孤岛检测的启动判据而非孤岛检测判据，降低了该判据的整定难度，在一定程度上有利于提高检测速度。而当电压谐波畸变率超过定值时才注入负序电流的策略，保证了在正常运行情况下最大可能地减少了对电网的干扰。

具体实施的本方法仿真模型如图1所示（图1为孤岛检测电网原理结构示意图。），主网***电压为35kV，如在PCC处发生两相短路，分析不对称短路对本文孤岛检测方法有无影响。设置的过渡电阻20Ω，仿真总时长10s，在4s时刻发生AB两相短路，经0.5s故障切除，在6s时刻断路器K断开，PV孤岛运行，同时考虑最不利孤岛检测的情况，即PV容量与负荷容量匹配，PV功率因数与负荷功率因数相同。

孤岛前后电压波形如图7所示（图7为孤岛前后电压波形图），公共连接点的电压变化如图8所示（图8为公共连接点电压变化示意图。），由图8可知当PV容量与负荷容量匹配时，发生故障时公共连接点电压下降，由图7、图8知孤岛瞬间公共连接点电压有瞬时波动，以后基本保持原来水平不变，可见当PV发出的功率与负荷功率匹配时基于电压偏移的方法很难检测出孤岛发生。

图9为公共连接点频率示意图。如图9所示，可知当PV发出的功率与负荷功率匹配时，孤岛时电网频率有小幅的变化但在电力***允许的频率偏差范围内，基于频率偏移的孤岛检测方法可能失效。

图10为电压谐波畸变率示意图。由图10可知正常运行时谐波电压畸变率为0，当电网发生故障和故障切除瞬间电压谐波畸变率有短时上升，但很快衰减到0，由图7知孤岛时PCC电压发生畸变谐波含量上升，电压谐波畸变率瞬时上升到2.7%保持不变。

图11为DG注入PCC电流不平衡度示意图。由图11可知当电网发生故障时PV注入PCC的负序电流不平衡度只有瞬时的上升然后很快跌落至1%以下，当故障切除时负序电流不平衡度有短时升高然后很快跌落至0，孤岛时PV注入PCC电流不平衡度马上升至4%。

图12为PCC电压不平衡度示意图。由图12知当发生不对称故障时，公共连接点电压不平衡度上升到大于4%的水平，故障切除电压不平衡度降为0，孤岛时电压不平衡度上升到4%，其等于负序电流注入的百分比，满足式(9)。可见单纯依靠电压不平衡度检测孤岛易受电网不对称故障的影响，产生误判。根据图6，本文提出基于谐波畸变率超出启动值注入负序电流，为保证孤岛检测的可靠性又尽可能减少对电网的干扰可以设置该定值为2%，判定孤岛的PCC电压不平衡度定值为3%。孤岛检测延时t本文设为0.1s，孤岛检测结果如图13所示。

图13为孤岛检测结果示意图。由图13可见该方法避免了电网故障孤岛检测的误判，即4s时电网故障不会误判为孤岛，图14为孤岛检测结果局部放大示意图，由图14可知真正孤岛时0.13s即可检测到，低于GB/T19939-2005规定的时间。

图15是本发明流程示意图。

本发明针对传统无盲区孤岛检测方法的不足，提出一种基于谐波畸变率的负序电流注入的孤岛检测方法，其在电网正常运行情况下不注入负序电流，当电压谐波畸变率超过定值时启动逆变器注入负序电流、检测公共连接点电压不平衡度，当PCC电压不平衡度超过设定的时间定值即可判定孤岛发生。与其他主动式孤岛检测方法相比具有对电网扰动小、抗干扰性强、孤岛检测速度快的特点。在PV功率与负荷功率匹配的情况下也能够快速有效地检测出孤岛，此时电网电压电网频率都在规定的正常运行范围内。为孤岛时分布式电源退出运行，或由并网运行转入孤岛运行控制方式提供了有效的参考信号。

Claims (7)

1.基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，

假设现有电网等效为：

光伏电池阵列发出的电能经过DC/DC变换使变换后的直流电压满足并网要求，同时在DC/DC变换中采取电导增量法的最大功率跟踪控制(MPPT)，通过逆变器将直流电转换为交流电并网，PV并网时采取单位功率因数电流控制；

其中，R_f、L_f为逆变器交流侧滤波器的电阻和电感，R_s、L_s为主电网等效电阻和电感，负荷模型可以等效为RLC并联；i_abc＝[i_a i_b i_c]^T为光伏逆变器输出的三相电流相量；

该方法步骤为：

（1）测量PCC处的三相电压V_aV_bV_c，

（2）计算该PCC处的三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）；

所述总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)计算公式如式(1)：

$\mathrm{THD}=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2}}{V_1}\×100\%---\left(1\right)$

其中，V_n为n次谐波有效值；

（3）判断THD是否超出设定的阈值；

如没有超出，返回第（2）步；

如超出，启动将负序电流注入逆变器驱动控制电路：

测量光伏电池组件的输出电压U_DC和输出电流I_DC实时计算其输出功率P＝I_DCU_DC，因为逆变器输出交流侧的功率和直流侧功率相等，因此，

U_AC为电网交流侧额定电压，I^* _abc为输入逆变器电流的有效值；此电流为电流控制时的三相参考电流；

负序电流注入时，逆变器的输出电流i_abc跟踪电流控制的给定电流三相参考电流

且 $i_{\mathrm{abc}}^{*}=i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}+i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_a^{*}& i_b^{*}& i_c^{*}\end{array}\right]}^T$ ；通过注入不同的正序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(1\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(1\right)}^{*}& i_{b\left(1\right)}^{*}& i_{c\left(1\right)}^{*}\end{array}\right]}^T$ 和负序电流 $i_{\mathrm{abc}\left(2\right)}^{*}={\left[\begin{array}{ccc}{i}_{a\left(2\right)}^{*}& i_{b\left(2\right)}^{*}& i_{c\left(2\right)}^{*}\end{array}\right]}^T,$ 来控制注入PCC正序、负序电流的大小；其中，C为给定正序电流幅值与给定负序电流幅值的比值；V_PCC为公共连接点的三相电压，其中包括各次谐波分量、基波正序分量、基波负序分量和零序分量；

以A相为特殊相的正序分量、负序分量和零序分量与三相电压矢量U_abc的关系如式(4)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}\\ {\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ 1& a^2& a\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{U}}_a\\ {\stackrel{.}{U}}_b\\ {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]---\left(4\right)$

由于PCC有逆变器的注入电流，所以PCC电压含有谐波分量，在提取PCC电压各序分量之前须先进行滤波处理，并得到基波分量；所述滤波算法为快速傅立叶变换(FFT)；

（4）然后检测与电网联系的PCC处的电压，计算PCC处三相电压V_aV_bV_c总谐波畸变率（THD）、正负序电压及电压不平衡度VI，

三相电压矢量 $U_{\mathrm{abc}}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_a& {\stackrel{.}{U}}_b& {\stackrel{.}{U}}_c\end{array}\right]}^T$ 可分解为正序电压 $U_{\left(1\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(1\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(1\right)}\end{array}\right]}^T$ 、负序电压 $U_{\left(2\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(2\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(2\right)}\end{array}\right]}^T$ 和零序电压 $U_{\left(0\right)}={\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{a\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{b\left(0\right)}& {\stackrel{.}{U}}_{c\left(0\right)}\end{array}\right]}^T;$

所述三相电压不平衡度(Voltage Imbalance, VI)公式如式(2)所示，三相电流不平衡度(Current Imbalance, CI)如式(3)所示；

$\mathrm{VI}=\frac{V_{\left(2\right)}}{V_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(2\right)$

$\mathrm{CI}=\frac{I_{\left(2\right)}}{I_{\left(1\right)}}\×100\%---\left(3\right)$

其中，V₍₂₎为负序电压的幅值，V₍₁₎为正序电压的幅值，I₍₂₎为负序电流的幅值，I₍₁₎为正序电流幅值；

此处以UL1741标准为依据进行孤岛检测；

判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值，

如没有超出，返回第(2)步；

如果均超出，且持续超出的时间大于设定的时间定值，则判定出现孤岛运行状况。

2.根据权利要求1所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述测量PCC处的三相电压V_aV_bV_c是通过电压互感器测量的。

3.根据权利要求1所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤（3）判断THD是否超出设定的阈值，所述阈值为：参考表1，

表1电网电压谐波限值

。

4.根据权利要求1所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤（4）中判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值，为保证孤岛监测的可靠性和灵敏性，VI阈值选为略低于C的取值。

5.根据权利要求1所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述步骤（4）中判断三相电压不平衡度及三相电压总谐波畸变率是否均超过各自阈值，所述阈值为3%。

6.根据权利要求1所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述设定的时间定值为：既要保证电网扰动时不能误判为孤岛，保证孤岛检测的可靠性不发生误判，又要满足UL1741规定的要求。

7.根据权利要求6所述的基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法，其特征在于，所述设定的时间定值为：0.1s。

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