基于周期交替扰动法的孤岛检测方法

被动检测法和经典AFD法都存在一定的检测盲区，基于周期交替扰动法的孤岛检测可以进一步减小孤岛检测盲区。

基于周期交替电流扰动的孤岛检测如图6-36所示^［12］。对前一个电压周期，正负半周扰动电流对称，且电流频率比电压频率略高。为了保持电流和电压同步，在电流正负半周末尾注入零电流t_z区间。当发生孤岛效应时，这样做可以促使电压频率向上偏移。对于相邻的后一个电压周期，正负半周扰动电流同样是对称的，不过，扰动电流频率比电压频率略低。为了保持电流和电压同步，在电压正负半周末尾斩掉电流t_z区间。当发生孤岛效应时，可以促使电压频率向下偏移。由此可见，逆变器输出电流在与公共耦合点电压同步基础上，总是周期交替地进行扰动。

图6-36 周期交替电流扰动法

公共耦合点电压u_a如式（6-39）所示。前一个电压周期和相邻的后一个电压周期的扰动电流i分别由式（6-40）、式（6-41）表示。其中，t_z是扰动时间常数，T_u是电压周期，T_i、T_j分别是相邻的扰动电流周期。为了方便描述，把相邻的前后2个周期称为T_i周期和T_j周期。

正常供电时，由于电网容量很大，耦合点电压不受畸变电流影响，相邻周期电压频率相同。即使上述电压频率有微小差别，也是随机发生的。电网断电后，若用户负载固有频率小于电网频率，则耦合点电压频率向减小方向变化；相反，则耦合点电压频率向增大方向变化；经过一定过渡过程之后，由于周期交替电流扰动的作用，势必引起相邻周期电压频率呈高低交替变化趋势，因此通过检测耦合点电压频率高低交替变化来判断，而不是单纯依靠检测其是否超出电压频率允许范围判断孤岛现象的发生。

假设电网断电后，耦合点电压有效值和频率处于非检测区内，且负载阻抗角与电流扰动角匹配，当负载阻抗角分别呈容性和感性时，孤岛检测过程如图6-37a、b所示。图中，status表示耦合点电压相邻周期的频率差符号，T_u（x）表示耦合点电压周期，x＝n-1，n，n＋1。

图6-37a中，对于T_i周期，T_u（n）的正半周和负半周，分别存在如下关系：

T_{u_pos}（n）＝Ti/2 （6-44）

T_{u_neg}（n）＝T_i/2＋t_z （6-45）

则

T_u（n）＝T_i＋t_z （6-46）

对于T_j周期，T_u（n-1）和T_u（n＋1）有相同的正负半周表达式，如下式表示。

T_{u_pos}（n±1）＝T_j/2 （6-47）

T_{u_neg}（n±1）＝T_j/2-t_z （6-48）

则(www.xing528.com)

T_u（n±1）＝T_j-t_z （6-49）

由公式（6-42）、（6-46）和（6-49）可得

T_u（n）-T_u（n-1）＝-t_z （6-50）

由公式（6-43）、（6-47）和（6-50）可得

T_u（n＋1）-T_u（n）＝t_z （6-51）

同理，图6-37b情况也具有和公式（6-50）和式（6-51）相同的表达式。由公式（6-40）和式（6-41）可知，相邻周期的电压频率差处于正负交替变化状态，即＋1和-1状态，如图所示。连续记录该变化状态次数，当超过设定次数时，则进行孤岛保护。如果计数过程中出现频率差状态不是正负变化，则重新计数，这是为了防止因电网频率随机变化而造成误动作。

对上述描述的方法进行仿真，设用户负载由RLC并联模拟，分别为电感L＝102.3mH，电容C＝100μF，电阻R＝28Ω。电流扰动时间t_z＝100μs，电网电压220V／50Hz，设定变化状态次数N_ref＝10。图6-38给出了扰动电流的波形，图6-39为孤岛检测的仿真结果。

仿真结果表明，电网断电前，公共耦合点相邻周期的电压频率差为零，因此频率差正负变化状态为零，状态变化计数器也为零。断电后，经过2个周期的过渡过程，相邻周期电压频率差开始出现正负交替变化状态，当状态变化计数器计数到N_ref时，认为孤岛现象发生，进行孤岛保护。由此可见，虽然断电后耦合点电压频率处于非检测区内，但是该方法仍然可以检测出孤岛现象。

图6-37 负载阻抗角与电流扰动角匹配时的孤岛检测过程

a）负载阻抗呈容性 b）负载阻抗呈感性

图6-38 耦合点电压波形和逆变器输出电流波形

图6-39 孤岛检测过程仿真波形