多機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)的檢測方法

孫 強， 段 凱

(西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院， 西安 710048)

多機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)的檢測方法

孫 強， 段 凱

(西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院， 西安 710048)

當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)時，孤島檢測是其必備的重要功能。目前的研究主要集中在單機(jī)，而該文從多機(jī)并網(wǎng)運行的角度對孤島檢測方法進(jìn)行了研究。文中將小波變換技術(shù)引入到孤島檢測當(dāng)中，運用Mallat算法對采集信號進(jìn)行多尺度分析，通過信號低頻系數(shù)的變化進(jìn)行孤島檢測。從不同數(shù)量逆變器與不同品質(zhì)因數(shù)負(fù)載的角度對本方法作了仿真驗證，結(jié)果證明其能有效檢測出孤島，且非檢測區(qū)小，對電網(wǎng)無干擾。

分布式發(fā)電系統(tǒng)； 并網(wǎng)； 多機(jī)； 孤島檢測

隨著大量分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行，一系列電能質(zhì)量問題顯現(xiàn)出來，其中尤為重要的是孤島效應(yīng)問題。

“孤島”是指公共電網(wǎng)停止供電后，由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的存在(與電網(wǎng)相連并輸送電能)，使電網(wǎng)停電區(qū)的部分線路仍維持帶電狀態(tài)，形成自給電力供應(yīng)的島狀區(qū)域[1]。在孤島狀態(tài)下電力公司失去對線路電壓、頻率的控制，會帶來一系列的安全隱患及事故糾紛[2]。

本文將小波變換技術(shù)引入到孤島檢測中，運用Mallat算法對采集信號進(jìn)行多尺度分析，通過信號低頻系數(shù)的變化進(jìn)行孤島檢測。在多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)中作了仿真驗證，結(jié)果證明該方法準(zhǔn)確、有效。

1 小波變換的基本原理

設(shè)δ∈L1∩L2，且滿足容許度條件

(1)

則信號x(t)的連續(xù)小波變換可定義為

(2)

而且

(3)

(4)

式中：k為離散時間參數(shù)；m和n分別為二進(jìn)離散小波的尺度因子和位移因子。式(4)相當(dāng)于信號x(t)通過了一傳遞函數(shù)為φ(ω)的帶通濾波器。不同的m值，就相當(dāng)于信號通過了不同的帶通濾波器。這樣就可以把不同頻帶的信號分離開來[3，4]。

2 基于Mallat算法的孤島檢測方法

2.1Mallat算法

Mallat基于多分辨率分析框架，建立了小波快速算法-Mallat算法[5]。Mallat算法把小波函數(shù)的構(gòu)造歸結(jié)為濾波器系數(shù)的設(shè)計，從而實現(xiàn)了離散小波變換的高效算法。

假定非平穩(wěn)信號x(t)在零尺度下的離散逼近c0(n)為已知，并且可以用對該信號的采樣序列x(n)來近似代替，即

c0(n)=x(n)n=0，1，…，S-1

(5)

式中，S=2J，J∈N(自然數(shù)集)。序列c0(n)可以分解為一小波系數(shù)序列d1(n)和一逼近系數(shù)序列c1(n)。對后者進(jìn)行同樣的分解又可得一新的小波系數(shù)序列和逼近系數(shù)序列。前者含有信號中較高的頻率成分，而后者則含有信號中較低的頻率成分。信號中不同頻帶的分量被分離，從而能夠更好地分析和提取信號特征。

2.2 孤島檢測方法

選擇合適的小波是測量準(zhǔn)確、可靠的重要保證。如小波能夠保證正交性，可在一定程度上避免因小波變換之間的關(guān)聯(lián)而造成分析變換結(jié)果困難的問題；為了檢測信號中的突變點，所選擇的小波必須很正則(有規(guī)則)，這時的小波可實現(xiàn)一個更長的沖擊響應(yīng)濾波器。本文采用了正則性較好的Discrete Meyer wavelet(Dmey)小波對信號進(jìn)行分解，觀察其低頻系數(shù)變化定位孤島效應(yīng)的發(fā)生。

3 基于小波變換的多機(jī)并網(wǎng)孤島檢測

隨著大量分布式發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行，多機(jī)狀態(tài)下的孤島檢測成為一個重要的研究課題[6，7]。本文以多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)為例，分以下兩種情況來討論孤島檢測的有效性：①相同品質(zhì)因數(shù)負(fù)載，不同數(shù)量逆變器情況下的孤島檢測；②相同數(shù)量逆變器，不同品質(zhì)因數(shù)負(fù)載情況下的孤島檢測。

3.1 不同數(shù)量逆變器情況下的孤島檢測

選擇負(fù)載參數(shù)為R=211.6 Ω，L=269.4×10-3H，C=37.6×10-6F。分別研究單機(jī)與多機(jī)情況下的孤島檢測性能。

1)單機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)

用于孤島問題研究的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 用于孤島問題研究的逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

孤島發(fā)生時電網(wǎng)側(cè)電流如圖2所示。

圖2 孤島發(fā)生時電網(wǎng)側(cè)電流波形

當(dāng)逆變器輸出有功與負(fù)載需求平衡時，本地負(fù)載電流波形如圖3所示。

圖3 本地負(fù)載電流波形

對本地負(fù)載電流作小波變換，負(fù)載電流小波變換第十二層低頻系數(shù)如圖4所示。分析分解的結(jié)果，當(dāng)孤島發(fā)生時，低頻系數(shù)發(fā)生了明顯的變化。

2)多機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)

多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[9，10]。為了便于仿真，本文以四逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行討論，其中，各逆變器負(fù)載取值相同。

圖4 負(fù)載電流小波變換低頻系數(shù)

圖5 多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本地負(fù)載電流波形如圖6所示。對其作小波變換，第十二層低頻系數(shù)如圖7所示?？梢钥吹降皖l系數(shù)的變化準(zhǔn)確對應(yīng)著孤島發(fā)生的時刻。

圖6 本地負(fù)載電流波形

圖7 負(fù)載電流小波變換低頻系數(shù)

3.2 不同品質(zhì)因數(shù)負(fù)載情況下的孤島檢測

本文以兩臺逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)為例，研究不同品質(zhì)因數(shù)負(fù)載情況下的孤島檢測性能，取負(fù)載的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率，逆變器輸出有功與負(fù)載需求平衡，其中各逆變器負(fù)載取值相同。

當(dāng)Q=0.5時，取負(fù)載參數(shù)為R=211.6 Ω，L=1.3 H，C=7.3×10-6F，即大電感、小電容負(fù)載。此時，負(fù)載電流及相應(yīng)的低頻系數(shù)如圖8所示。

(a) 本地負(fù)載電流波形

(b) 負(fù)載電流低頻系數(shù)

當(dāng)Q=2.5時，取負(fù)載參數(shù)為R=211.6 Ω，L=269.4×10-3H，C=37.6×10-6F，即常用平衡負(fù)載。此時，負(fù)載電流及相應(yīng)的低頻系數(shù)如圖9所示。

(a) 本地負(fù)載電流波形

(b) 負(fù)載電流低頻系數(shù)

當(dāng)Q=10.0時，取負(fù)載參數(shù)為R=211.6 Ω，L= 67.4×10-3H，C= 150.4×10-6F，即小電感、大電容負(fù)載。此時，負(fù)載電流及相應(yīng)的低頻系數(shù)如圖10所示。

(a) 本地負(fù)載電流波形

(b) 負(fù)載電流低頻系數(shù)

對以上仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出在各種品質(zhì)因數(shù)負(fù)載情況下，本方法均能準(zhǔn)確檢測出孤島現(xiàn)象的發(fā)生，故非檢測區(qū)較小。

4 結(jié)語

本文對多臺分布式發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行時的孤島效應(yīng)檢測進(jìn)行研究，引入基于小波變換技術(shù)的方法。該孤島檢測方法非檢測區(qū)小，不會因為多機(jī)使用而互相削弱。同時，該方法對電網(wǎng)無干擾，輸出電能質(zhì)量高。綜合考慮該性能及對電能質(zhì)量的影響，基于小波變換的孤島檢測將是未來發(fā)展的方向。

[1] 曾議, 吳政球, 劉楊華, 等(Zeng Yi, Wu Zhengqiu, Liu Yanghua,etal). 分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)(Islanding detection method for distributed generation systems)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(3)：106-110.

[2] Ropp M, Ginn J, Stevens J,etal. Simulation and experimental study of the impedance detection anti-islanding method in the single-inverter case[C]∥IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Waikoloa, USA: 2006.

[3] Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets[M]. Philadelphia, Pennsylvania: SIAM Mathematical Analysis, 1992.

[4] 秦前清，楊宗凱. 實用小波分析[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[5] Mallat S G. Theory for multiresolution signal decomposition: the wavelet representation[J]. IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1989, 11(7):674-693.

[6] Yu Byunggyu , Matsui Mikihiko, Yu Gwonjong . A review of current anti-islanding methods for photovoltaic power system[J]. Solar Energy, 2010, 84(5):745-754.

[7] 劉方銳，余蜜，張宇，等(Liu Fangrui, Yu Mi, Zhang Yu,etal).主動移頻法在光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行下的孤島檢測機(jī)理研究(Islanding detection evaluation for active frequency drifting methods in multiple photovoltaic grid-connected converters)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2009, 29(12):47-51.

[8] 張純江，郭忠南，孟慧英，等(Zhang Chunjiang, Guo Zhongnan, Meng Huiying,etal).主動電流擾動法在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測中的應(yīng)用(Active current disturbing method for islanding detection of grid-connected inverters)[J].電工技術(shù)學(xué)報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2007, 22(7):176-180.

[9] 程軍照, 李澍森, 張騰飛(Cheng Junzhao, Li Shusen, Zhang Tengfei).多路并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真與分析(Simulations and analysis on a multi-branch grid-connected photovoltaic system)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(4)：58-62.

[10]Doumbia Mamadou Lamine, Agbossou Kodjo, Viet Dung Tran Khanh. Correlation technique investigation for islanding detection of inverter based distributed generation[C]// IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, Rhodes Greece: 2008.

孫 強(1955-)，男，教授，研究方向為大功率高頻高壓開關(guān)電源及特種工業(yè)電源、現(xiàn)代高效功率變換器理論與應(yīng)用、先進(jìn)控制與自動化裝備。Email:sq@xaut.edu.cn

段 凱(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為自動化裝置及其檢測技術(shù)、電力電子與新能源發(fā)電技術(shù)。

DetectionMethodofIslandingforMultipleGrid-connectedGenerationsSystem

SUN Qiang， DUAN Kai

(School of Automation and Information Engineering， Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China)

When distributed generation systems are connected to the public power grid, the function of islanding detection is necessary. The current research is mainly focusing on islanding detection for single generation system. This paper is dedicated to investigate the strategies for multiple grid-connected generation operation. This article introduces the technique of islanding detection based on wavelet transform, Mallat algorithm is used for multi-resolution analysis of collected signals, and the islanding is detected by changes on signal coefficients of approximation. Simulations are made on aspects of different number of inverters and different quality factors of loads. The results verify that the proposed method not only can identify the islanding very well, but also has a tiny non-detection zone and no impact on systems.

distributed generation system； grid-connected； multiple generations system； islanding detection

TM464

A

1003-8930(2012)05-0063-04

2010-11-30；

2011-01-17