基于负序分量的逆变器单相/两相孤岛检测方法及装置

本发明属于逆变器孤岛检测，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：

1、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。。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、对于任意一台逆变器，孤岛检测步骤包括：

5、(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；

6、(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)；

7、(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；

8、(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)≥nth、t(1)≤-nth、t(2)≥nth且t(3)≤-nth；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)；

9、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；nth为预设的孤岛判据阈值。

10、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：

11、

12、其中，idref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。

13、进一步地，η＝0.02。

14、进一步地，k1＝0.015，k2＝0.0075；或者，k1＝0.0075，k2＝0.015。

15、进一步地，

16、其中，k为无功扰动系数k1和k2中的较小值，upccd为公共耦合点额定电压在d轴上的大小。

17、进一步地，n＝4。

18、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；

19、扰动重置判据为：

20、|sum1now-sum2now|≥mth

21、其中，sum1 now和sum2now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；mth为预设的扰动重置阈值，mth>0；i为当前额定电网周期的序号。

22、进一步地，

23、

24、其中，sum1next和sum2next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。

25、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。

26、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：

27、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；

28、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：

29、(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；

30、(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)；

31、(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；

32、(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)≥nth、t(1)≤-nth、t(2)≥nth且t(3)≤-nth；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)；

33、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；nth为预设的孤岛判据阈值。

34、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：

35、(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。

36、(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。

37、(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。

38、(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。

39、(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upccd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。

40、(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|sum1now-sum2now|≥mth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。