余光海，李 鵬

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 湛江供電局，廣東 湛江 524002； 2.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)能源的依賴(lài)性持續(xù)上升，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的開(kāi)發(fā)與利用勢(shì)在必行[1]，現(xiàn)階段的電網(wǎng)規(guī)劃中要著重考慮新能源的消納及其對(duì)電網(wǎng)全局的效益影響，互補(bǔ)電力主網(wǎng)也由此誕生，并且在電力系統(tǒng)中占據(jù)較大比重[2]。在互補(bǔ)電力主網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)跳閘后光伏逆變器依舊與電網(wǎng)連接，會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)[3]，電網(wǎng)會(huì)持續(xù)給本地負(fù)載供電，威脅電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃，造成供電系統(tǒng)不均衡，并損壞逆變器等相關(guān)電力設(shè)施。

針對(duì)孤島效應(yīng)，可通過(guò)下垂控制并網(wǎng)逆變器相位簇?cái)_動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，抗干擾性能得到提升，實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)孤島檢測(cè)。但該方法僅考慮成本、電能質(zhì)量等單一目標(biāo)函數(shù)，缺少對(duì)新能源接入的多目標(biāo)電力規(guī)劃，影響孤島檢測(cè)正確率[4]。結(jié)合小波變化與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)孤島效應(yīng)，按照網(wǎng)絡(luò)特征數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)，但在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)，容易產(chǎn)生局部最優(yōu)解，無(wú)法獲得令人滿(mǎn)意的孤島檢測(cè)結(jié)果[5]。

為此提出一種基于諧波補(bǔ)償?shù)男履茉椿パa(bǔ)電力主網(wǎng)孤島檢測(cè)方法。通過(guò)改進(jìn)插值算法檢測(cè)電力系統(tǒng)中的畸變諧波，運(yùn)用諧波補(bǔ)償方法將諧波變換為適用于孤島檢測(cè)的波形，采用訓(xùn)練與識(shí)別步驟完成孤島檢測(cè)任務(wù)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明方法可行性。

1 新能源互補(bǔ)電力主網(wǎng)畸變諧波提取

針對(duì)利用并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)連接的互補(bǔ)電力主網(wǎng)而言，并網(wǎng)過(guò)程中，互補(bǔ)電力單元和電網(wǎng)共同完成本地負(fù)載供電，電網(wǎng)約束下公共連接點(diǎn)諧波數(shù)量降低[6]。產(chǎn)生孤島現(xiàn)象后，公共連接點(diǎn)電壓諧波分量會(huì)逐步顯現(xiàn)，并且逆變器的輸出電流也會(huì)產(chǎn)生改變[7]。電力系統(tǒng)內(nèi)的諧波并不包含直流分量，取諧波特征時(shí)，僅考慮奇次諧波分量即可[8]。

下面使用改進(jìn)插值算法檢測(cè)新能源互補(bǔ)電力主網(wǎng)內(nèi)的諧波狀態(tài)，獲得畸變諧波值，為后續(xù)諧波補(bǔ)償步驟提供可靠支撐數(shù)據(jù)[9]。和傳統(tǒng)離散傅里葉變換對(duì)比，改進(jìn)插值算法就是在頻域內(nèi)平移了1/2個(gè)譜線(xiàn)間隔，平移過(guò)程為：

(1)

式中，x(n)為信號(hào)通過(guò)采樣后獲得的離散序列；N為離散序列點(diǎn)個(gè)數(shù)；h(n)為窗函數(shù)；k為頻域譜信號(hào)。

將離散頻譜函數(shù)表示為：

(2)

式中，ξ是離散化系數(shù)。

頻譜泄漏會(huì)對(duì)插值計(jì)算準(zhǔn)確性形成不良影響，在求解某個(gè)分量電參變量時(shí)，要剔除其余諧波與鏡像頻率分量的干擾總和[12]。將頻譜內(nèi)的分量描述成：

(3)

式中，kg為第g次諧波譜線(xiàn)號(hào)；δg為第g次諧波的對(duì)應(yīng)頻偏值；i為隨機(jī)實(shí)數(shù)。

在頻譜泄漏情況下，式(3)中的頻譜分量Xg，i會(huì)遭受其余諧波分量與鏡像頻率長(zhǎng)程譜的泄漏干擾[13]，干擾過(guò)程為：

(4)

式中，Sg，i為第g次諧波分量自身的傅里葉系數(shù)；H為正頻率的諧波總次數(shù)；P為負(fù)頻率諧波數(shù)量；Sh，i為第h次諧波長(zhǎng)程普干擾；Sp，i為第p次諧波鏡像長(zhǎng)程普泄漏干擾[14]。

使用Sg，i計(jì)算出第g次諧波的頻率校準(zhǔn)量，計(jì)算正頻率部分其余諧波的長(zhǎng)程譜泄漏對(duì)諧波分量的擾動(dòng)影響，一般電網(wǎng)信號(hào)均為實(shí)信號(hào)，在諧波狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，不光要去除正頻率分布各次諧波的長(zhǎng)程譜泄漏干擾[15]，鏡像諧波干擾也要去除[16]。

與此同時(shí)，為提升諧波狀態(tài)檢測(cè)精度，計(jì)算諧波鏡像頻率長(zhǎng)程譜泄漏對(duì)諧波的總干擾[17]，考慮諧波信號(hào)的共軛對(duì)稱(chēng)性：

(5)

在考慮幅值與相位修正情況下，也要消除長(zhǎng)程譜泄漏對(duì)諧波狀態(tài)的影響。

校準(zhǔn)諧波頻率時(shí)要平移1/2個(gè)譜線(xiàn)，即i=1/2，檢測(cè)諧波的具體幅值Vg=|Ag|。

(6)

2 新能源互補(bǔ)電力主網(wǎng)孤島檢測(cè)方法

得到互補(bǔ)電力主網(wǎng)的畸變諧波數(shù)據(jù)后，由于各種不同外部環(huán)境因素而產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波，諧波性質(zhì)各不相等，畸變諧波無(wú)法實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)目標(biāo)。2臺(tái)逆變器同時(shí)并網(wǎng)工作，Rg、Xg分別為從點(diǎn)朝電網(wǎng)側(cè)看進(jìn)去所呈現(xiàn)的特定頻率下的電路阻抗的電阻與電抗分量，U75、I75點(diǎn)處通過(guò)傅立葉變換提取的75 Hz電壓電流分量。并網(wǎng)孤島檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)孤島檢測(cè)原理Fig.1 Grid-connected islanding detection principle

針對(duì)隨機(jī)的輸入波形，都要提取其包含的高次波諧波分量，保存基波和直流分量，利用補(bǔ)償策略將畸變諧波改變成所需波形。本文采用諧波補(bǔ)償畸變諧波，認(rèn)定電網(wǎng)正常工作時(shí)諧波含量較少，因電網(wǎng)鉗位作用緣故，輸出端電壓包含很少的諧波。

若電網(wǎng)中止工作，喪失了電網(wǎng)鉗位作用，負(fù)載的非線(xiàn)性特征并網(wǎng)位置的電壓諧波含量會(huì)變多[18]，則諧波含量超出臨界值就認(rèn)定電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)，完成精準(zhǔn)的孤島檢測(cè)。

利用串聯(lián)電壓型有源電力濾波器補(bǔ)償電網(wǎng)畸變，將互補(bǔ)電力主網(wǎng)諧波補(bǔ)償?shù)刃щ娐啡鐖D3所示。

圖2 帶有諧波補(bǔ)償功能的比例諧振調(diào)節(jié)器Fig.2 Proportional resonant regulator with harmonic compensation

圖3 電網(wǎng)諧波補(bǔ)償?shù)刃щ娐肥疽釬ig.3 Schematic of power grid harmonic compensation equivalent circuit

圖3中，Ual_f為電源輸出正弦電壓的基波分量，Ugrid_f為并網(wǎng)時(shí)通常跟隨電網(wǎng)電壓基波，Uac_h為串聯(lián)電壓諧波補(bǔ)償，iac_h為并聯(lián)電流諧波補(bǔ)償。并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，頻域內(nèi)每個(gè)次諧波之間互相獨(dú)立[19]，均滿(mǎn)足圖1的等效電路關(guān)聯(lián)。將電源并網(wǎng)時(shí)的第n次諧波電流記作igridn。

互補(bǔ)電力主網(wǎng)電源逆變器使用空間矢量脈寬調(diào)制方法完成信號(hào)補(bǔ)償調(diào)制。正弦波單向空間矢量脈寬調(diào)制過(guò)程包含4個(gè)開(kāi)關(guān)元件，具備2種有效矢量與2種零矢量。倘若有效矢量作用時(shí)間是T1，零矢量作用時(shí)間是T0，開(kāi)關(guān)周期是Ts，同時(shí)直流側(cè)母線(xiàn)電壓Udc是一個(gè)平穩(wěn)值，則處于ωt∈(0，π)狀態(tài)下，Uac>0，則得到如下公式：

(7)

式中，m為空間矢量脈寬調(diào)制度，其大小與輸出電壓的全局幅度擁有重要關(guān)系。

為避免疏通同橋臂開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)致電網(wǎng)短路，引入一個(gè)死區(qū)時(shí)間Δd，關(guān)聯(lián)空間矢量脈寬調(diào)制和輸出波形的函數(shù)是fvec(t)，則輸出電壓和直流電壓之間的關(guān)聯(lián)解析式為：

Uac=mUdcfvec(t)

(8)

在諧波補(bǔ)償方法中，通過(guò)變更函數(shù)fvec(t)，可往調(diào)制信號(hào)內(nèi)加入控制器固定補(bǔ)償信號(hào)，將補(bǔ)償過(guò)程記作：

(9)

式中，Uk為前饋控制獲得的補(bǔ)償值；φuk為補(bǔ)償值引入時(shí)的相位；ik為反饋控制獲得的補(bǔ)償量；φik為反饋控制引入時(shí)的相位。

將孤島檢測(cè)計(jì)算公式描述為：

I=UrgidKpf

(10)

式中，I為電流幅值；Urgid為電壓基波；Kpf為檢測(cè)靈敏度。

電容器投切等引發(fā)的暫態(tài)過(guò)程很容易對(duì)諧波補(bǔ)償下的孤島檢測(cè)方法精度產(chǎn)生影響[20]，但在電容器暫態(tài)過(guò)程終止后，系統(tǒng)會(huì)回到正常供電狀態(tài)。如果在檢測(cè)時(shí)明確存在孤島現(xiàn)象，可連續(xù)進(jìn)行若干次檢測(cè)進(jìn)行確定，防止投切等事故引發(fā)的暫態(tài)過(guò)程對(duì)孤島檢測(cè)發(fā)生負(fù)面作用，提升檢測(cè)精準(zhǔn)度。將孤島檢測(cè)電壓與頻率范圍見(jiàn)表1。

表1 孤島檢測(cè)電壓與頻率范圍Tab.1 Island detection voltage and frequency range

將基于諧波補(bǔ)償?shù)墓聧u檢測(cè)劃分成訓(xùn)練與識(shí)別2個(gè)過(guò)程，訓(xùn)練過(guò)程中要得到運(yùn)行狀態(tài)已知狀態(tài)下連接點(diǎn)電壓與輸出電流，提取奇次諧波特征向量，當(dāng)作諧波畸變補(bǔ)償?shù)挠?xùn)練數(shù)據(jù)集，并劃分特征矢量特征。按照劃分結(jié)果，如果持續(xù)3次都是孤島結(jié)果，則斷定產(chǎn)生孤島現(xiàn)象；反之，收集信號(hào)繼續(xù)實(shí)施分類(lèi)評(píng)估。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為表明所提方法操作可行性，使用Matlab軟件組建新能源互補(bǔ)電力主網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，額定功率4.5 kW。電網(wǎng)中的關(guān)鍵參數(shù)是：電壓為230 V，電網(wǎng)頻率為60 Hz，電感為6 mH。電源板負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的能量供給，采樣板負(fù)責(zé)信息采集，控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理、設(shè)備保護(hù)，信號(hào)傳輸方式采用RS485總線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform

品質(zhì)因數(shù)的挑選對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)性擁有巨大影響，過(guò)小的品質(zhì)因數(shù)會(huì)致使孤島檢測(cè)的失敗，過(guò)大的品質(zhì)因數(shù)又不貼合實(shí)際。在互補(bǔ)電力主網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行過(guò)程中，通常品質(zhì)因數(shù)不會(huì)超出2.8，由此本文挑選的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)分別為1.0和2.0。

當(dāng)阻抗值突然增大時(shí)孤島信號(hào)發(fā)生跳變，考慮到實(shí)際中FFT運(yùn)算時(shí)間，孤島檢測(cè)時(shí)間略大于一個(gè)工頻周期(22 ms)。孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 孤島檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of island test

電力系統(tǒng)采樣頻率設(shè)定在一個(gè)基波周期中包含300個(gè)點(diǎn)，為降低不良信息對(duì)系統(tǒng)的影響，每3個(gè)點(diǎn)是一個(gè)控制周期，每4個(gè)控制周期中有2個(gè)超出保護(hù)臨界值的就判斷電網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島狀況，以此實(shí)現(xiàn)孤島保護(hù)。將電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償前后諧波含量見(jiàn)表2。

表2 諧波補(bǔ)償前后系統(tǒng)諧波含量Tab.2 System harmonic content before and after harmonic compensation

由電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償前后諧波含量可知，運(yùn)用本文提出的孤島檢測(cè)方法，能夠讓電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)應(yīng)的諧波采取選擇性提取與補(bǔ)償，同時(shí)在電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)諧波含量逐步降低，提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的電能質(zhì)量。

諧波補(bǔ)償前后的移頻效果對(duì)比如圖6所示。從圖6可以看出，本文方法下的公共連接點(diǎn)電壓頻率從60 Hz逐步變大，若干周期后達(dá)到平穩(wěn)點(diǎn)60.98 Hz，而無(wú)諧波補(bǔ)償?shù)念l率固定于60.82 Hz。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，諧波補(bǔ)償前后的頻率偏移基本相等，接近最終平穩(wěn)點(diǎn)，諧波補(bǔ)償對(duì)移頻結(jié)果影響較小。由此可知，本文方法可有效改進(jìn)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的波形，不會(huì)影響孤島檢測(cè)質(zhì)量。

圖6 諧波補(bǔ)償前后移頻比較Fig.6 Comparison of frequency shift before and after harmonic compensation

電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，諧波補(bǔ)償前后的母線(xiàn)電壓波形如圖7所示。由圖7可以看出，引入諧波補(bǔ)償策略后，母線(xiàn)電壓波形更為順滑，可以穩(wěn)定電壓輸出，完成電網(wǎng)運(yùn)維目標(biāo)，擁有很強(qiáng)的應(yīng)用可行性。

負(fù)載品質(zhì)因數(shù)分別為1.0、2.0情況下，誤差絕對(duì)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，誤差在很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)，而檢測(cè)到孤島現(xiàn)象后，誤差值顯著增多。與此同時(shí)，在仿真驗(yàn)證的2種負(fù)載品質(zhì)因數(shù)中，電力系統(tǒng)都在6個(gè)控制周期內(nèi)檢測(cè)到孤島現(xiàn)象，逆變器也隨之終止工作，進(jìn)一步減少電力系統(tǒng)損壞程度。

圖7 諧波補(bǔ)償前后的母線(xiàn)電壓波形示意Fig.7 Bus voltage before and after harmonic compensation

圖8 孤島檢測(cè)誤差變化示意Fig.8 Schematic change of island detection error

4 結(jié)論

面向新能源互補(bǔ)電力主網(wǎng)的孤島效應(yīng)問(wèn)題，采用諧波補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)，與以往孤島檢測(cè)方法相比，本文方法計(jì)算方便快捷，可更為精準(zhǔn)地識(shí)別孤島與非孤島狀態(tài)，具備一定的工程推廣價(jià)值。但該方法在孤島檢測(cè)中有可能輸出幅值較高的諧波，對(duì)畸變諧波檢測(cè)具備一定不良影響，在今后研究中會(huì)對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充完善。