(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

一、孤島檢測方法

當(dāng)前，孤島效應(yīng)的檢測方法主要為本地式檢測方法，分為主動式檢測法和被動式檢測法。前者是指通過在公共耦合點(diǎn)加入間歇式的微小擾動，加速孤島發(fā)生時(shí)參數(shù)的變化，從而快速檢測到孤島；后者是指通過檢測PCC點(diǎn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的變化或變化率，從而達(dá)到孤島檢測的目的。

(一)被動式檢測法

被動式檢測法是通過檢測電網(wǎng)斷電時(shí)PCC點(diǎn)的電壓、頻率、相位或諧波的變化來達(dá)到孤島檢測的目的。主要分為電壓諧波檢測法、過/欠電壓/頻率、電壓相位突變檢測法。

1.電壓諧波檢測法。通過檢測并網(wǎng)逆變器輸出電壓的總諧波失真是否超過閥值來防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，依據(jù)是工作分支電網(wǎng)功率變壓器的非線性原理。電網(wǎng)斷開時(shí)，由于負(fù)載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓的諧波很大，諧波檢測的動作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

2.過/欠電壓/頻率檢測。通過檢測公共耦合點(diǎn)的電壓幅值和頻率是否超過正常范圍，從而檢測出孤島。一般地，對于額定電壓為220V，工頻為50Hz的電網(wǎng)，電壓和頻率的工作范圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。若電壓或頻率的偏移達(dá)到孤島檢測設(shè)定閥值，則可檢測到孤島。然而，當(dāng)逆變器的輸出功率與其所接的本地負(fù)載近似匹配時(shí)，電壓和頻率的偏移將非常小甚至等于零，即出現(xiàn)非檢測區(qū)。這種方法的經(jīng)濟(jì)性較好，但由于非檢測區(qū)較大，所以單獨(dú)使用效果不好。

3.電壓相位突變檢測法。通過檢測并網(wǎng)逆變器的輸出電壓與電流相位差變化來判斷孤島現(xiàn)象。DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通常工作在單位功率因數(shù)模式，也就是其輸出電流電壓(電網(wǎng)電壓)同頻同相。電網(wǎng)斷開后，出現(xiàn)了DG系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的孤島現(xiàn)象，此時(shí)，PCC點(diǎn)電壓由逆變器輸出電流和本地負(fù)載決定。由于鎖相環(huán)的作用，逆變器輸出電流與PCC點(diǎn)電壓僅僅在過零點(diǎn)發(fā)生同步，在過零點(diǎn)之間，逆變器輸出電流跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會發(fā)生突變，因此，對于非阻性負(fù)載，PCC點(diǎn)電壓的相位將會發(fā)生突變，因此可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。相位突變檢測算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)載阻抗角接近零時(shí)，即負(fù)載近似呈阻性，由于所設(shè)閥值的限制，該方法無效。

(二)主動式檢測法

主動式檢測法是指在逆變器輸入加入間歇的、微小的擾動。當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，這些擾動不會干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將會非常明顯，對系統(tǒng)的狀態(tài)造成很大影響，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)超出允許范圍就會觸發(fā)孤島檢測電路。主要包括主動式移頻檢測、滑膜頻率檢測、功率擾動法。

1.主動式移頻檢測法。通過控制逆變器輸出電流的相位、頻率的變化，使接入點(diǎn)電壓相位、頻率跟隨發(fā)生變化，形成正反饋過程，最終接入點(diǎn)電壓的頻率超出正常的工作閾值而檢測出孤島的存在。

2.滑膜頻率檢測。通過控制逆變器的輸出電流，使其與PCC點(diǎn)電壓間存在一定的相位差，使得在電網(wǎng)失壓后PCC點(diǎn)的頻率偏離正常范圍而判別孤島狀態(tài)。正常情況下，逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)在系統(tǒng)頻率附近范圍內(nèi)，單位功率因數(shù)時(shí)逆變器相角比RLC負(fù)載增加的快。當(dāng)DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點(diǎn)穩(wěn)定在工頻。孤島形成后，若逆變器輸出電壓頻率有微小波動，逆變器相位響應(yīng)曲線會增加相位誤差，從而達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)。新狀態(tài)點(diǎn)的頻率必會超出OFR/UFR動作閥值，逆變器因頻率誤差而停止輸出。此方法實(shí)際是通過移相達(dá)到移頻，有實(shí)現(xiàn)簡單、無需額外硬件、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但隨著負(fù)載Qf增加，孤島檢測失敗的可能性增大。

3.功率擾動法。通過周期性向輸出電流中加入有功或無功擾動信號并檢測接入點(diǎn)電壓是否發(fā)生變化來判斷孤島。較電壓諧波檢測法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高。多臺并聯(lián)的逆變器同時(shí)進(jìn)行諧波注入時(shí)會相互干擾。

被動式檢測無需增加硬件電路，也無需單獨(dú)的保護(hù)繼電器，成本低，但是檢測速度慢，檢測精度低。主動式檢測法檢測精度高，檢測盲區(qū)小，但是控制復(fù)雜，成本高，且加入的擾動或多或少都會對電能質(zhì)量造成影響。

二、孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)及其原理

(一)孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

為統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國際上對某些分布式電源并網(wǎng)制定了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中含有UL1741、IEEE Std.929-2000以及IEEE Std.1547，分別如表1、表2所示。在這些標(biāo)準(zhǔn)中對不同頻率與電壓進(jìn)行了規(guī)定，即分布式電源不向電網(wǎng)輸送電能的時(shí)間進(jìn)行了限制，其中有些相關(guān)規(guī)定剛開始僅為分布式并網(wǎng)系統(tǒng)制定，之后才慢慢將其應(yīng)用在分布式發(fā)電系統(tǒng)中。

表1 IEEE Std.929-2000電壓和頻率響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

表2 IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)在電壓和頻率范圍內(nèi)對檢測時(shí)間的規(guī)定

(二)孤島檢測原理

圖1 分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖

并網(wǎng)型分布式發(fā)電系統(tǒng)等效電路圖如圖1所示。當(dāng)斷路器S1、S2處于閉合狀態(tài)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)PCC處的電壓為UPCC，PCC處的電壓頻率為fPCC，因此本地負(fù)載消耗的功率為：

(1)

(2)

由式(1)(2)可知，PCC點(diǎn)的電壓角頻率為

(3)

當(dāng)斷路器S1斷開時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生孤島現(xiàn)象，DG與本地負(fù)載形成單獨(dú)的閉合回路，負(fù)載所消耗的功率僅由DG提供。

忽略電能損耗，根據(jù)能量守恒，即，Pload=ΔP+Pinv、Qload=ΔQ+Qinv。此時(shí)，本地負(fù)載所消耗的電能完全來源于分布式電源，此時(shí)UPCC′=Uinv。設(shè)PCC點(diǎn)的頻率為f′，角頻率為ω′=2πf′，

則可得

(4)

若并網(wǎng)時(shí)ΔP=0、ΔQ=0，則發(fā)生孤島前后，負(fù)載消耗功率均完全由分布式電源提供，不存在系統(tǒng)功率失衡問題，因而PCC點(diǎn)的電壓、頻率不發(fā)生改變。

若并網(wǎng)時(shí)ΔP≠0、ΔQ≠0，則孤島發(fā)生瞬間系統(tǒng)功率失衡，使得PCC點(diǎn)的電壓、頻率發(fā)生改變；若ΔP<0，孤島發(fā)生后PCC電壓增大，若ΔP>0孤島發(fā)生后PCC電壓減小；由式(4)，頻率的變化取決于ΔP與ΔQ共同作用。因而，可根據(jù)PCC點(diǎn)的電壓、頻率的變化進(jìn)行孤島檢測。

三、基于改進(jìn)FFT算法和支持向量機(jī)的孤島檢測

(一)改進(jìn)的FFT算法

異步采樣時(shí)，各次諧波分量不能正好落在頻率分辨點(diǎn)上，而是落在兩個(gè)頻率分辨點(diǎn)之間，F(xiàn)FT只能以臨近的頻率分辨點(diǎn)的值來近似代替，在信號的周期延拓時(shí)會導(dǎo)致其邊界點(diǎn)不連續(xù)，使信號附加了高頻分量。本文引入自校正修正，對同步采樣的信號無影響，對異步采樣信號可有效消除其高頻分量的影響，可精確地測得信號的頻率分量。

圖2 自校正方法原理框圖

(二)支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)過程

(1)設(shè)已知訓(xùn)練樣本集{(xi,yi),i=1,2,…,l}，期望輸出yi∈{+1,-1},xi∈Rn；

(2)選擇核函數(shù)K(x，xT)和懲罰參數(shù)C，構(gòu)造并求解最優(yōu)化問題；

(5)

得最優(yōu)解；

四、總結(jié)

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接時(shí)，若發(fā)生孤島效應(yīng)，孤島檢測必須立刻起作用，檢測出孤島產(chǎn)生的原因，必要時(shí)，還需立即切斷與大電網(wǎng)的連接。本文介紹了孤島檢測的方法及其原理，提出FFT算法與支持向量機(jī)相結(jié)合的孤島檢測方法，將提取到的PCC點(diǎn)信號，利用FFT算法對其進(jìn)行變換后，通過自校正修正掉FFT變換產(chǎn)生的誤差，有效消除其高頻分量的影響。作為訓(xùn)練樣本，找到最優(yōu)超平面，從而在PCC點(diǎn)信號發(fā)生變化時(shí)，判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。為減弱頻譜泄露對信號造成的影響。