CN102812609B - 对于与电网连接的逆变器的孤岛效应的检测 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种防孤岛效应的实施方式，其在逆变器的输出电流中引入小的连续变化的相移模式。在与电网连接的模式中，这种相移模式不具有对逆变器的输出电压的频率的影响。然而，当被孤岛化时，相移将使电压频率从标称偏离。输出电流相位的改变因此与电压频率很好地相关，所以协方差指数被用于检测孤岛化配置。当该指数超出阈值时，较大的相移模式被引入输出电流中，其大至足以使电压频率落到逆变器的断开保护窗口以外而不损害逆变器的功率品质且确保逆变器的可靠断开。

Description

对于与电网连接的逆变器的孤岛效应的检测

发明领域

本公开内容大体上涉及分布式发电系统，并且更具体地涉及使用协方差估计的用于并网逆变器的防孤岛效应算法。

背景

在某些本地负载状态下，在分布式发电(DG)系统中的并网逆变器在其被突然与主电网断开连接时能以可持续的电压和频率保持可持续的输出功率，从而产生孤岛化状态。操作在孤岛状态中的逆变器可以导致对维护人员的安全威胁以及导致对功率系统的破坏。电气电子工程师协会(IEEE)标准1547和保险商实验所(UL)1741二者都要求逆变器在其一旦从主电网被孤岛化时刻起两秒内停机。

通常有两种类型的防孤岛效应技术：被动的和主动的。被动的技术使用在逆变器侧可用的信息检测孤岛效应，而主动的技术引入在逆变器的输出端的外部扰动来检测和断开孤岛效应。

现有的主动技术涉及使用相移算法将逆变器的频率移动到过频率保护/低频率保护(OFP/UFP)断开窗口中。相移算法可以在交流电(AC)的连续循环中重复地引入相移，例如对于30个AC循环0度，在一个AC循环中+6度，在一个AC循环中+12度，在一个AC循环中+6度，在一个AC循环中0度，在一个AC循环中-6度，在一个AC循环中-12度，在一个AC循环中-6度。这些相移可以大至12度并且具有对在公共耦合的点(PCC)的逆变器的输出功率和电压的不利影响。

另一个现有的主动技术将相移回路修改为更主动的回路以满足根据IEEE标准1547的防孤岛效应要求，例如在30个AC循环中0度，在两个AC循环中+6度，在两个AC循环中+12度，在两个AC循环中+6度，在一个AC循环中0度，在两个AC循环中-6度，在两个AC循环中-12度，并且在两个AC循环中-6度。这些被修改的技术的一个不利的后果是，更高的功率和电压波动被引入逆变器的输出，进一步降低逆变器的功率品质和效率的等级。

简要概述

逆变器被用于将来自例如太阳能电池板或风力发电机的电能转化为家用电器和其他的电负载所使用的交流电(AC)波形。并网逆变器是电力系统中的分布式发电(DG)系统的一部分，其将来自多个源(在本例中来自太阳能电池板以及来自风力发电厂)的电力转化并且传送至输电网络。然而，当存在电源故障，例如被雷击导致的故障时，到达输电网络的电连接可能被切断，中断电力从逆变器向主输电网络的流动。但是逆变器可能仍然从太阳能电池板或风力发电厂接收能量并且将其转化和传送至本地负载，这导致安全威胁，因为不知道在逆变器侧的断开连接点处的所有的电力线和负载可能仍然是活动的。以这种配置工作的逆变器被称为从输电网络被孤岛化。

因此，全世界的管理机构已经采用要求逆变器在孤岛化配置时当检测到公用设施连接的损失之后短时间内关闭其自身(典型地在2秒内)的法律规范。这种自动断开连接特性被称为防孤岛效应，其中逆变器自动地检测孤岛化状态并且迅速地动作以通过机械地或电气地停用其将电力馈送至本地负载的电桥，以便将其自身与电网断开连接。本公开内容提出一种防孤岛效应方法，该方法连续地监测孤岛化状态，并且在检测到孤岛化状态时将逆变器与本地负载断开连接而不会不利地影响逆变器的功率品质，并且确保在孤岛化事件之后的逆变器的可靠的断开。

为此，小的相位扰动的模式被引入逆变器的输出电流中。在与电网连接的模式中，当逆变器被连接到输电网络时，这些扰动将不影响输出电压的频率，因为在与电网连接的模式中，电网频率与逆变器的输出电流的相位无关。然而，在孤岛化模式中，当逆变器失去其到达输电网络的连接时，对输出电流的相位改变将使输出电压的频率从标称值(典型地50或60Hz)偏离。协方差指数被用于使相移与电压频率相关。在孤岛化配置中，该协方差指数将剧烈地上升，因为相移几乎立即开始导致电压频率偏离。当协方差指数超出预定义的阈值时，更大的相移模式被引入输出电流中，其大至足以确保逆变器将被断开。法律规范定义了逆变器的过频率保护(OFP)和低频率保护(UFP)窗口，并且较大的相移被选择以使电压频率落到OFP/UFP窗口以外。

本发明提供了一种防止与电网连接的分布式发电系统从输电网络孤岛化的方法，包括：在所述分布式发电系统的逆变器的输出电流中引入第一相移；计算所述输出电流的相移和所述逆变器的输出电压的频率之间的协方差；响应于所述协方差超出预定义的阈值，在所述逆变器的输出电流中引入大于所述第一相移的第二相移；响应于所述第二相移的引入，检测所述输出电压频率的偏离；以及响应于所述检测，使所述逆变器与被连接到所述逆变器的负载断开连接。

所述第一相移可由连续函数产生。

所述连续函数可以是正弦函数。

所述第一相移可具有波峰、斜率和持续时间，所述第一相移的所述波峰可以是至少5度，并且其中所述第一相移的斜率可以是每个所述输出电流的循环至少2.5度。

所述第二相移可由连续函数产生。

所述第二相移可具有波峰、斜率和持续时间，所述第二相移的波峰可以是所述第一相移的波峰的至少两倍，并且其中所述持续时间可以是所述输出电流的四个循环。

所述第二相移的斜率可以是所述第一相移的斜率的双倍。

所述第二相移的波峰可以是至少十二度，所述第二相移的斜率可以是每个所述输出电流的循环至少六度，并且所述持续时间可以是所述输出电流的四个循环。

所述检测可包括确定所述偏离是否使所述输出电压频率落到所述逆变器的频率保护窗口以外，其中所述检测可由所述逆变器的频率检测器执行。

所述第一相移可被选择以使所述输出电压频率在与所述逆变器相关联的过频率保护窗口或低频率保护窗口以内，并且所述第二相移可被选择以使所述输出电压频率落到与所述逆变器相关联的过频率保护窗口或低频率保护窗口以外。

计算所述协方差可包括计算所述协方差的绝对值，以便产生指示在所述输出电流相移和所述输出电压频率之间的相关关系的孤岛效应指数。

所述孤岛效应指数可以是未归一化的，并且其中所述预定义的阈值可超过1.0。

所述方法还可包括：在引入所述第一相移之前，可对于所述输出电流的预定数量的循环不在所述逆变器的所述输出电流中引入相移，所述预定数量的循环相应于小于两秒的时间；以及响应于所述逆变器通过电网连接到所述分布式发电系统，可重复地在所述输出电流中不引入相移然后在所述输出电流中引入所述第一相移，直到所述协方差超出所述预定义的阈值。

所述预定数量的循环可以是60。

本发明还提供了一种防止与电网连接的分布式发电系统从输电网络孤岛化的方法，包括：通过并网逆变器的相位发生器，在所述分布式发电系统的逆变器的输出电流中将所述输出电流的相位移动第一相移；通过控制器计算包括所述第一相移以及所述逆变器的输出电压的频率的相关函数；响应于所述相关函数的输出超过阈值，所述相移发生器将所述输出电流的相位移动大于所述第一相移的第二相移；确定所述输出电压频率是否落到所述逆变器的频率保护窗口以外；以及响应于所述输出电压频率落到所述频率保护窗口以外，使所述逆变器中断向被连接到所述逆变器的负载的输出电流。

所述第一相移可根据第一连续函数被移动并且所述第二相移可根据第二连续函数被移动。

所述第一连续函数可以是正弦函数并且所述第二连续函数可以是正弦函数。

所述第一相移可以至少持续所述输出电流的四个循环。

所述第一相移可以具有当所述逆变器被连接到所述输电网络时使得所述输出电压频率保留在所述频率保护窗口以内的波峰。

所述第二相移可以具有当所述分布式发电系统从所述输电网络孤岛化时使得所述输出电压频率落到所述频率保护窗口以外的波峰。

参考对多种实施和/或方面的详细描述，本公开内容的以上的和另外的方面和实施对于本领域的技术人员来说将是明显的，所述详细描述参照附图作出，附图的简要描述在下文提供。

附图简述

在阅读以下的详细描述并参照附图后，本发明的以上的和其他的优点将变得明显。

图1是包括用于在检测到孤岛化状态之后将逆变器断开连接的防孤岛效应系统的分布式发电系统的功能框图；

图2是在图1中示出的防孤岛效应系统中涉及的波形的示例性的曲线图；

图3图示了根据本公开内容的防孤岛效应系统的电流相移和相应的协方差指数的两个示例性的时序曲线图；

图4是在本文公开的防孤岛效应技术的实施期间被捕获的波形的示例性的曲线图；以及

图5是可以被图1中示出的防孤岛效应系统执行的示例性的防孤岛效应算法的流程图。

虽然本公开内容容易具有多种修改和替代形式，但是具体的实施已经以举例方式在附图中示出并且将在本文中被详细地描述。然而，应当理解，本公开内容无意于被限制到所公开的具体的形式。相反，本公开内容覆盖所有落入如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改、等效物和替代形式。

详细描述

首先地参照图1，其示出了经由一个或多个电路断路器104在共用连接点(PCC)连接到主输电网络102的与电网连接的分布式发电(DG)系统100。DG系统100包括被连接到本地负载110的逆变器106。逆变器106包括一个或多个控制器112以及将电桥126电气地和/或机械地与负载110断开连接的接触器118，控制器112包括(a)频率测量模块(或频率检测器)114、(b)防孤岛效应算法122以及(c)电流控制器124。逆变器106可以是基于例如可从Xantrex获得的GT500kW-MV逆变器。

如已知的，DG系统100可以是多种配置中的一个：与电网连接的配置、孤岛化配置或防孤岛效应配置。在与电网连接的配置中，电路断路器104和接触器118被闭合，将逆变器106连接到输电网络102，允许从输电网络102和/或从逆变器106给负载110供电，其可以从例如光伏(PV)电池板120或发电机接收能量。在孤岛化配置中，输电网络102由于电网上的故障不向逆变器106供应任何电力，但是接触器118被闭合，允许逆变器106向负载110供给电流，甚至在来自输电网络102的功率损失期间也是如此。在这种短的孤岛化状态期间，逆变器106可以向负载110供给电流，导致沿着到达负载110的导体的安全威胁。最后，在图1中示出的防孤岛效应配置中，输电网络102不向DG系统100供应电力，并且逆变器106与输电网络102断开连接。

在频率测量模块114中，逆变器106的输出电压(V_out)的频率f被测量并且被提供至防孤岛效应算法122，防孤岛效应算法122向控制逆变器106的电桥126的电流控制器124输出电流相移值。频率测量模块114、防孤岛效应算法122和电流控制器124可以被逆变器106中的一个或多个控制器112控制。电桥管理和调节从输电网络102和从一个或多个PV电池板120(或发电机或其他的类型的独立于电网的电源)向本地(即从电网102的下游)负载110的电力输送。电流控制器124可以在防孤岛效应算法122的控制下被编程以在逆变器106的输出电流的相位中引入移动。

OFP/UFP检测模块108检测输出电压的频率是否超出OFP值或下降至低于UFP值，并且如果是的话，将停用指令发送至电桥126，停用电桥并且断开接触器118，由此将逆变器106与负载110断开连接。

为了代表孤岛化配置中的最坏的情况，负载110可以是孤岛化负载，其典型地是具有电阻器部件R、电感器部件L和电容器部件C的并联的谐振负载。如果谐振负载110使其谐振频率在线性频率例如50Hz或60Hz并且逆变器106的输出功率匹配孤岛化负载110的真实的功率消耗，那么理想的孤岛化情况将发生。在频域中，被孤岛化的系统的传递函数可以被表达为：

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=V\left(\mathrm{j\ω}\right)/I\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{\frac{1}{R}+\mathrm{j\ωC}+\frac{1}{\mathrm{j\ωL}}}---\left(1\right)$

并网逆变器106在到达输电网络102的PCC处将其输出电流I_out与逆变器106的输出电压V_out同步化。在孤岛化配置中，逆变器106的输出电流I_out中小的相位扰动可以强迫逆变器106的输出电压V_out的频率从孤岛化频率(其在这种最坏的情况中，是孤岛化负载的谐振频率)偏离。输出电流中的相移是基于被孤岛化的系统的频率响应与输出电压的频率偏离高度相关的。

频率测量模块114检测逆变器106的输出电压V_out的频率。频率测量模块114将输出电压频率输出至防孤岛效应算法122，防孤岛效应算法122对逆变器106的输出电流I_out进行相移。频率测量模块114、防孤岛效应算法或模块122和电流控制器124能够以硬件或软件(包括固件)或其任何组合来实现。当被实现为软件时，频率测量模块114、防孤岛效应算法122和电流控制器124能够以被一个或多个控制器112执行的机器可读指令的有形形式来存储，例如存储在电子存储器设备上或在有形的计算机可读的介质例如硬盘驱动器上。频率测量模块114、防孤岛效应算法122和电流控制器124可以被认为是软件模块或软件功能。当被实现为硬件时，频率测量模块或检测器114、防孤岛效应模块122和电流控制器124包括逻辑和控制电路，逻辑和控制电路可以被实现为一个或多个集成电路(IC)芯片，其与分立的电子部件例如电阻器、电容器、振荡器、基于晶体管的器件例如二极管和晶体管、和电感器共同地工作。

简要地，本公开内容的实施涉及动作或步骤的以下的组。防孤岛效应算法122指示电流控制器124在逆变器106的输出电流I_out中引入第一相移。防孤岛效应算法122计算在逆变器106的输出电流I_out的相移和逆变器106的输出电压V_out的频率之间的协方差(或更一般地，计算任何相关函数)。如果协方差超出预定义的阈值，那么防孤岛效应算法指示电流控制器124引入逆变器106的输出电流I_out中的大于第一相移的第二相移。频率检测器或频率测量模块114检测响应输出电流I_out中的第二相移的引入的输出电压频率中的偏离。响应于OFP/UFP模块108确定输出电压频率落到逆变器的过频率保护窗口(OFP)或低频率保护窗口(UFP)以外，OFP/UFP模块108指示接触器118将逆变器106与负载110断开连接，使得I_out达到零。例如，逆变器106可以使电桥126被从其与本地负载110的连接电气地和/或机械地断开连接。

第一相移和第二相移通过在输出电流的相位上操作的连续函数例如正弦函数产生。相对于不连续函数，期望将连续函数用于减少输电网络102上的畸变以及优化逆变器功率品质。第一相移被选择以使来自防孤岛效应算法122的电流相移和来自频率测量模块114的电压频率之间的协方差指数在孤岛化模式中与电网连接模式中的协方差指数相比有足够差异。被引入第一相移中的最大相移等于或小于6度，以优化电网连接模式中的逆变器功率品质。在另一个方面，第二相移被选择以使输出电压V_out的频率在孤岛化模式中可靠地落到OFP/UFP窗口以外。

图3图示了示例性的时序图，该时序图包括输出电流相移相对于时间的电流相移曲线图300以及协方差指数相对于时间的协方差曲线图302。最开始，输出电流相移是零度。防孤岛效应模块122等待60个AC循环，然后指示电流控制器124在逆变器106的输出电流I_out中引入第一相移304。第一相移304优选地通过连续函数例如正弦函数产生。在本例中，第一相移304具有波峰和斜率。如所示，波峰是正六度，但是在其他的实施中，可以是正五度。如所示，斜率是每个输出电流I_out循环正三度，但是在其他的实施中，可以是每个输出电流循环正2.5度。虽然连续地变化，但是第一相移304的波形类似于三角波。第一相移304的持续时间是四个AC循环。电流频率被电压频率反馈控制。

在某些实施中，在引入第一相移之后，协方差指数可以被计算，如在下文详细讨论的。可选择地，在所图示的实施例中，防孤岛效应模块122指示电流控制器124在输出电流中为一个AC循环引入零相移306。然后，防孤岛效应模块122指示电流控制器124在逆变器106的输出电流I_out中引入负相移308，其具有四个AC循环的持续时间、-6度的波峰和每个AC循环-3度的斜率。负相移308是第一相移304的镜像，其具有与第一相移304的波峰和斜率相同的波峰和斜率。包括第一相移304和负相移308的小的相移回路，其每AC循环一个地将输出电流相移+3、+6、+3、0、-3、-6、-3度。

在向输出电流的相位的这种朝负向的扰动之后，防孤岛效应模块122计算协方差指数，如下文描述的。当DG系统100在孤岛化配置中并且因此与输电网络102断开连接时，由相移304、308引入的扰动近似即时地使电压输出V_out的频率从标称值(例如50或60Hz)偏离。通过产生在输出电流相移和电压频率不追踪彼此时从标称的指数剧烈地偏离的指数310，协方差算法识别在输出电流相移和电压频率之间的这种相关性。指数310的值可以比在孤岛化配置期间没有引入扰动时的指数的值大10-20倍。防孤岛效应模块122确定协方差指数310是否超出预定义的阈值(在下文更完全地讨论)，并且如果是的话，指示电流控制器124在逆变器106的输出电流I_out中引入更大的正向的第二相移314。第二相移314优选地通过连续函数例如正弦函数产生。在本例中，第二相移314具有波峰和斜率。如所示，波峰是正十二度，其是第一相移304的波峰的200％。如所示，斜率是每个输出电流I_out的循环正六度，其也是第一相移304的斜率的200％。虽然连续地变化，但是第二相移314的波形类似于三角波。第二相移314的持续时间是四个AC循环。

在所图示的例子中，防孤岛效应模块122指示电流控制器124在输出电流中为一个AC循环引入零度相移316。然后，防孤岛效应模块122指示电流控制器124引入具有-12度的波峰和每个循环-6度的斜率和四个AC循环的持续时间的、负向的、连续地变化的相移318。更大的扰动使输出电压频率落到OFP/UFP窗口以外，由此使逆变器断开或中断输出电流的流动。包括第二相移314和负相移318的大的相移回路，其每AC循环一个地将输出电流相移+6、+12、+6、0、-6、-12、-6度。在每个AC循环中的相移是均匀分布的。

如果在第一相移304和负相移308的引入之后协方差指数不超出阈值，那么防孤岛效应模块122返回至回路的开始处，在引入下一个第一相移之前等待60个AC循环。当DG系统100被连接到输电网络102时，这些对输出电流的小的扰动将不使输出电压频率落到逆变器的OFP/UFP窗口以外。OFP/UFP窗口被在电网互相连接代码中指定，电网互相连接代码可以由管理机构变化。例如在美国，OFP/UFP窗口被在UL标准1741-1中指定。其他的管理机构具有指定OFP/UFP极限的相似标准。OFP/UFP窗口被存储在OFP/UFP模块108中。

移动输出电流的相位对输出电压频率的影响在图2中图示，图2是DG系统100中的多种参数的波形曲线图200。所述参数包括逆变器106的输出电流202、逆变器106的输出电压204、输出电流的相移206、电压频率208和未归一化的协方差指数210。在本例中，交流电流源108产生以60Hz的初始频率的851A的电流。最开始地，电流相移是零。在10个AC循环之后，被形成为三角波的电流相移被引入并且电流频率也通过电压频率反馈控制。三角波峰是6度并且其斜率是3度/AC循环，如图2中所示的。描述了电流相移和电压频率之间的相关性的、未归一化的协方差指数210，其表明在孤岛化之后的这种强的关系。

电流相移和电压频率的协方差被定义为

$C_{\mathrm{\θ}-f}\left(m\right)=E\left\{\right[\mathrm{\θ}\left(n\right)u_{\mathrm{\θ}}]*[f(n+m)-u_f\left]\right\}$

$=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-u_{\mathrm{\θ}}]*[f(n+m)-u_f]---\left(1\right)$

其中：

θ(n)-逆变器的输出电流相移；

u_θ-θ(n)的平均值；

f(n)-逆变器的输出电压频率；

u_f-f(n)的平均值；并且

m-与n不同的采样时刻。

因为预期在电流相移之后对电压频率有立即的影响，所以在m＝0时的协方差值被用于识别输出电流相移和输出电压频率之间的相关性：

$C_{\mathrm{\θ}-f}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-u_{\mathrm{\θ}}]*[f\left(n\right)-u_f]---\left(2\right)$

此外，θ(n)的平均值对于图2中示出的被具体地选择的相移等于零，这给出：

$\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\mathrm{\θ}\left(n\right)\right]=0---\left(3\right)$

那么方程(2)被变换为：

$C_{\mathrm{\θ}-f}\left(0\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\mathrm{\θ}\left(n\right)\right]*[f\left(n\right)-u_f]$

$=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[\mathrm{\θ}\left(n\right)*f\left(n\right)]-[\mathrm{\θ}\left(n\right)*u_f\left]\right\}$

$=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\θ}\left(n\right)*f\left(n\right)]-\frac{u_f}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\θ}\left(n\right)$

$=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{\θ}\left(n\right)*f\left(n\right)]---\left(4\right)$

为了实施的方便，协方差的绝对值被视为孤岛效应指数。

$C_{\mathrm{\θ}-f}\left(0\right){|}_{\mathrm{abs}}=\mathrm{ABS}\left(\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[\mathrm{\θ}\left(n\right)*f\left(n\right)\left]\right)---\left(5\right)$

因为输出电流相移和输出电压频率之间的相关关系，所述孤岛效应指数被预期在孤岛化状态中是高的，但是其将在与电网连接的配置中保持为低的，因为电网频率与电流相移无关。

本公开内容的方面使用在逆变器输出电流中小的具有良好模式的相移以试图使得在孤岛化配置中的输出电压频率轻微波动并且计算输出电流相移和输出电压频率运动的相关性或协方差指数。这种协方差指数变得在孤岛化配置中比在与电网连接的配置中更显著，在与电网连接的配置中电网频率与逆变器的输出电流相移无关。一旦协方差指数超出预定义的阈值，那么在逆变器的输出电流中引起更大的相移，以确保被孤岛化的逆变器的安全断开。在一个或多个大的相移之后相移将返回至正常(零度)，以保持在与电网连接的操作上的最小的扰动。

要注意的是，对具有在相移回路中的零平均值的三角形相移模式的选择简化了协方差计算并且还帮助容易地设置孤岛效应指数阈值，而不考虑标称的线性频率。假设输出电流中的相移模式被选择为+θ、+2θ、+θ、0、-θ、-2θ、-θ、0，那么方程(5)可以被表达为：

$C_{\mathrm{\θ}-f}\left(0\right){|}_{\mathrm{abs}}=\mathrm{ABS}\left(\frac{1}{6}\underset{n-1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\right[\mathrm{\θ}\left(n\right)*f\left(n\right)\left]\right)$

$=\mathrm{ABS}\left(\frac{1}{6}\right[\mathrm{\θ}\left(1\right)*f\left(1\right)+\mathrm{\θ}\left(2\right)*f\left(2\right)+\mathrm{\θ}\left(3\right)*f\left(3\right)+\mathrm{\θ}\left(4\right)*f\left(4\right)+\mathrm{\θ}\left(5\right)*f\left(5\right)+\mathrm{\θ}\left(6\right)*f\left(6\right)\left]\right)$

$=\mathrm{ABS}\left(\frac{\mathrm{\θ}}{6}\right[f\left(4\right)-f\left(1\right)+f\left(6\right)-f\left(3\right)+2*(f\left(5\right)-f\left(2\right)])---\left(6\right)$

在与电网连接的配置中，电网频率测量可以被表达为：

f＝f_nominal±Δf_m±Δf_u(7)

其中：

f_nominal是电网标称频率；

Δf_m是绝对测量精确度；并且

Δf_u是电网频率的不确定性。

将孤岛效应指数阈值视为与电网连接的配置中的最大的可能的协方差的值，该阈值可以被指定为：

$C_{\mathrm{\θ}-f\left(0\right)}{|}_{\mathrm{threshold}}=\mathrm{ABS}\left(\frac{\mathrm{\θ}}{6}\right[8*(\mathrm{\Δ}{f}_m+{\mathrm{\Δf}}_u)\left]\right)---\left(8\right)$

在实际的DG系统中，可以假设，频率测量的精确度小于0.1Hz并且电网频率的不确定性小于0.05Hz。

图4图示了多个曲线图，这些曲线图示出了逆变器对受到防孤岛效应算法122控制通过电流控制器124产生的相移的响应。防孤岛效应算法122可以被实施在例如可从Xantrex获得的GT500kW-MV逆变器中。在本例中，逆变器106以100％的额定功率操作并且孤岛化负载110具有1的品质因数。逆变器106的输出电流由波形408代表，波形402代表指示孤岛化配置的开始的触发信号，以度为单位的、输出电流的相位的移动由波形406代表，并且未归一化的协方差指数由波形404代表。

图4可靠地验证防孤岛效应算法122。在孤岛化之后，小的相移回路导致在输出电流中的相移和输出电压中的频率移动之间的高的协方差(相关性)，激活大的相移回路，这使逆变器在过频率保护下断开或中断输出电流。对于协方差指数的预定义的阈值被谨慎地选择以避免在与电网连接的配置中的大的相移，同时确保在孤岛化配置的检测时的安全的断开。对协方差阈值的选择涉及包括足够地激发电网以使输出频率从标称偏离和避免对逆变器的功率品质的不利影响的竞争性的考虑。如果阈值被设置得过低，那么更大的相移将被引入输出电流中，这会不利地影响功率品质。如果阈值被设置得过高，那么输出电流可能不被足够地扰动以导致输出频率移动至OFP/UFP窗口以外或逆变器可能不能够检测其他的状态。当被归一化为落入0至1的范围内时，阈值应当被设置为高于与电网连接的配置中的协方差指数，但是示例性的阈值可以被设置为0.5或更大。

图5是用于防止DG系统100从输电网络102孤岛化的示例性的算法500的流程图。该算法500可大体上相应于一个或多个控制器112，或例如相应于图1中示出的频率测量模块114、防孤岛效应算法122和/或电流控制器124。随时间推移的输出电流相移和相应的协方差指数在图3中图示，如上文描述的。在第一回路中，算法500在60个AC循环内不在逆变器106的输出电流中引入相移(502)。小的连续的正相移被引入持续4个AC循环的输出电流中(504)。这可以相应于图3中示出的第一相移304。算法500在0个AC循环内不引入相移并且输出电压频率被测量(506)。小的连续的负相移被引入持续4个AC循环的输出电流中(508)，并且电压频率被测量(510)。算法500基于逆变器106的输出电流和输出电压频率中的相移计算协方差指数。算法500确定计算出的协方差指数是否超出预定义的阈值(514)，并且如果不是的话，算法500返回至块502以开始另一个将小的扰动引入输出电流中的回路。

如果协方差指数超出预定义的阈值(514)，那么算法500通过在输出电流中引入持续四个AC循环的大的连续的正相移(516)从而进入第二回路。在一个AC循环内没有相移被引入(518)，并且算法500在输出电流中引入持续四个AC循环的大的连续的负相移(520)。输出电压频率被测量，并且如果其落到逆变器106的OFP/UFP(519)保护窗口以外，如被OFP/UFP模块108确定的，那么逆变器通过断开接触器118将电桥126断开连接，从而中断输出电流向负载110的流动。然而，如果输出电压频率仍然在OFP/UFP(519)保护窗口以内，那么防孤岛效应算法500返回至块502以重新开始向输出电流中引入小的扰动。此处，逻辑是用于防止由可能的电力系统瞬变所导致的误断开。

本文公开的防孤岛效应算法可以在孤岛化配置中提供逆变器的安全断开并且在正常的与电网连接的配置中最小化对逆变器的电流输出的扰动。防孤岛效应系统和算法使用输出电流相移和输出电压频率方差之间的协方差作为孤岛效应指数。小的平滑变化的电流相移被引入逆变器的输出电流中以最小化对逆变器的功率品质和效率的扰动。逻辑相移回路确保针对孤岛效应的可靠断开，同时保持在逆变器的正常操作中的最小扰动。

本文公开的算法中的任何一个包括机器可读指令，该机器可读指令用于被：(a)处理器、(b)控制器和/或(c)任何其他合适的处理设备的执行。将容易地理解的是，一个或多个控制器112和/或电流控制器124包括这样一个合适的处理装置。本文公开的任何算法可以被在被存储在有形的介质例如闪速存储器、CD-ROM、软盘、硬盘、数字多用光盘(DVD)或其他的储存装置上的软件中实施，但是本领域的技术人员将容易地意识到，整个算法和/或其一些部分可以有选择地以熟知的方式被除了控制器以外的设备执行和/或在固件或专用的硬件中实施(例如，其可以被专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等等实施)。此外，虽然参照在本文中描绘的流程图或功能框图描述了具体的算法，但是本领域的技术人员将容易地意识到，许多其他的实施示例性的机器可读指令的方法可以有选择地使用。例如，块的执行顺序可以被改变，和/或所描述的块中的某些可以被改变、消除或组合。

虽然已经图示和描述了本发明的具体的实施方案和应用，但是将理解的是，本发明不限于本文公开的精确构造和组成部分并且从以上描述很明显的是可作出多种修改、改变和变化而不偏离如在所附的权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种防止与电网连接的分布式发电系统从输电网络孤岛化的方法，包括：

在所述分布式发电系统的逆变器的输出电流中引入第一相移；

计算所述输出电流的相移和所述逆变器的输出电压频率之间的协方差；

响应于所述协方差超出预定义的阈值，在所述逆变器的输出电流中引入第二相移，所述第二相移大于所述第一相移；

响应于所述第二相移的引入，检测所述输出电压频率的偏离；以及

响应于所述检测，使所述逆变器与被连接到所述逆变器的负载断开连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一相移由连续函数产生。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述连续函数是正弦函数。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一相移具有波峰、斜率和持续时间，所述第一相移的所述波峰是至少5度，并且其中所述第一相移的斜率是每个所述输出电流的循环至少2.5度。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二相移由连续函数产生。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二相移具有波峰、斜率和持续时间，所述第二相移的波峰是所述第一相移的波峰的至少两倍，并且其中所述持续时间是所述输出电流的四个循环。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二相移的斜率是所述第一相移的斜率的双倍。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二相移的波峰是至少十二度，所述第二相移的斜率是每个所述输出电流的循环至少六度，并且所述第二相移的持续时间是所述输出电流的四个循环。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测包括确定所述偏离是否使所述输出电压频率落到所述逆变器的频率保护窗口以外，其中所述检测由所述逆变器的频率检测器执行。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一相移被选择以使所述输出电压频率在与所述逆变器相关联的过频率保护窗口或低频率保护窗口以内，并且所述第二相移被选择以使所述输出电压频率落到与所述逆变器相关联的过频率保护窗口或低频率保护窗口以外。

11.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述协方差包括计算所述协方差的绝对值，以便产生指示在所述输出电流的相移和所述输出电压频率之间的相关关系的孤岛效应指数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述孤岛效应指数是未归一化的，并且其中所述预定义的阈值超过1.0。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在引入所述第一相移之前，对于所述输出电流的预定数量的循环不在所述逆变器的所述输出电流中引入相移，所述预定数量的循环相应于小于两秒的时间；以及

响应于所述逆变器通过电网连接到所述分布式发电系统，重复地在所述输出电流中不引入相移然后在所述输出电流中引入所述第一相移，直到所述协方差超出所述预定义的阈值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述预定数量的循环是60。

15.一种用于防止与电网连接的分布式发电系统从输电网络孤岛化的系统，所述系统包括：

具有相位发生器的并网逆变器，其可操作以在所述分布式发电系统的所述逆变器的输出电流中将所述输出电流的相位移动第一相移和第二相移；以及

控制器，其可操作以计算在所述第一相移和所述逆变器的输出电压频率之间的协方差，

其中，响应于所述协方差超过阈值，所述相位发生器将所述输出电流的相位移动所述第二相移，所述第二相移大于所述第一相移，

其中，响应于所述第二相移的引入，所述控制器确定所述输出电压频率是否落到所述逆变器的频率保护窗口以外，以及

其中，响应于所述输出电压频率落到所述频率保护窗口以外，所述控制器使所述逆变器中断向被连接到所述逆变器的负载的输出电流。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一相移根据第一连续函数被移动并且所述第二相移根据第二连续函数被移动。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一连续函数是正弦函数并且所述第二连续函数是正弦函数。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一相移至少持续所述输出电流的四个循环。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一相移具有当所述逆变器被连接到所述输电网络时使得所述输出电压频率保留在所述频率保护窗口以内的波峰。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二相移具有当所述分布式发电系统从所述输电网络孤岛化时使得所述输出电压频率落到所述频率保护窗口以外的波峰。