微電網(wǎng)的被動式孤島檢測方法綜述

席攀，王致杰，袁建華，何大清，劉嬌嬌

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240;2.上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200070)

0 引言

近年來，作為有效利用分布式能源的一種重要形式-微電網(wǎng)在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。微電網(wǎng)通過本地分布式微型電源為附近負(fù)荷提供電能和熱能，是一種基于傳統(tǒng)電源的較大規(guī)模的獨(dú)立系統(tǒng)［1］，既可以單獨(dú)向本地負(fù)載供電，又可以與大電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行。

孤島是指當(dāng)包含分布式電源(Distributed Generation，即DG)和微電網(wǎng)的系統(tǒng)因電氣故障或停電維修等原因引起跳閘后，各用戶端的DG由于未能及時檢測出停電狀態(tài)，將自身切離大電網(wǎng)，從而形成的一個由DG繼續(xù)向本地負(fù)載供電的電力孤島［2］。孤島運(yùn)行按照是否經(jīng)過事先規(guī)劃可分為計(jì)劃孤島運(yùn)行和非計(jì)劃孤島運(yùn)行。計(jì)劃孤島運(yùn)行可以有效發(fā)揮DG的積極作用，為大電網(wǎng)緩解部分供電壓力，提高供電可靠性;非計(jì)劃孤島運(yùn)行會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，帶來一系列危害。因此，應(yīng)盡量避免非計(jì)劃孤島的產(chǎn)生，并由此制訂了 IEEE Std.999-2000，UL1741以及IEEE Std.1547-2003等一系列標(biāo)準(zhǔn)，且規(guī)定所有的并網(wǎng)逆變器都必須及時有效檢測出孤島狀態(tài)，即孤島檢測［3-4］。

其中，基于逆變器側(cè)的孤島檢測方法可分為主動檢測和被動檢測兩大類。主動檢測由于引入相應(yīng)的擾動到逆變器端的控制信號中，因而對電能質(zhì)量有一定影響;傳統(tǒng)的被動檢測雖然對電能質(zhì)量無影響，但其檢測盲區(qū)較大;而新型的被動檢測即使在逆變器的輸出與負(fù)載匹配的情況下，也能有效檢測出孤島情況。

1 孤島檢測的機(jī)理分析

對DG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，有效、及時地檢測出孤島狀態(tài)對整個分布式并網(wǎng)系統(tǒng)具有十分重要的意義。IEEE Std.1547-2003規(guī)定孤島檢測必須在2 s內(nèi)完成，檢測時間越短越好。

圖1 孤島檢測原理示意圖

如圖1所示，為基于逆變器側(cè)的孤島檢測原理示意圖［5］。Grid為電網(wǎng)側(cè)電壓，DG為分布式系統(tǒng)逆變器端的輸出電壓。P、Q為分布式電源發(fā)出的有功和無功，ΔP、ΔQ為電網(wǎng)發(fā)出的有功和無功，V、f為公共點(diǎn)的電壓和頻率。

當(dāng)開關(guān)S1、S2同時閉合時，DG系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或停電維修等情況時，開關(guān)S1斷開，此時DG系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行，應(yīng)及時檢測出孤島狀態(tài)，并將DG側(cè)開關(guān)S2切斷。

由文獻(xiàn)［6］140可知，當(dāng)分布式系統(tǒng)的逆變器孤島運(yùn)行時，若逆變器的輸出功率與負(fù)載功率完全匹配時，即ΔP=0時，其頻率、電壓與并網(wǎng)運(yùn)行時幾乎無變化，此時很難檢測出孤島情況，進(jìn)入檢測盲區(qū)。

2 被動式孤島檢測方法

被動法是通過監(jiān)測出現(xiàn)孤島后公共點(diǎn)(PCC點(diǎn))的端電壓、頻率、相位、諧波等變化來判斷孤島，對電能質(zhì)量無影響，但存在較大盲區(qū)。

2.1 傳動被動式方法

2.1.1 公共點(diǎn)電壓/頻率檢測法

此法［7］也稱為過/欠壓和過/欠頻檢測法，通過監(jiān)測公共點(diǎn)的電壓、頻率是否超過正常范圍來判斷孤島。在逆變器的輸出功率與負(fù)載不匹配的情況下，當(dāng)出現(xiàn)孤島時，公共點(diǎn)的電壓、頻率會隨之發(fā)生變化，當(dāng)超出設(shè)定的閾值時，則可檢測到孤島，這是檢測孤島最直接、最常用的方法。

國際標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std.999-2000，UL1741 以及 IEEE Std.1547-2003等規(guī)定了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測到孤島狀態(tài)并實(shí)施跳閘措施的具體時間要求［8］，包括電壓和頻率檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，Un是電網(wǎng)電壓正常幅值，fn是電網(wǎng)電壓正常頻率。表1為IEEE Std.20000-929/UL1741孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)，表2、表3分別為IEEE Std.1547電壓和頻率的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 IEEE Std.20000-929/UL1741對孤島最大檢測時間的限制

我國于2005年發(fā)布了GB19939-2005-T光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求［9］5-6，規(guī)定光伏系統(tǒng)的逆變器必須具備過/欠壓保護(hù)、過/欠頻保護(hù)功能，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定發(fā)生孤島后，即使電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)至正常范圍，光伏系統(tǒng)仍不能向電網(wǎng)供電。

優(yōu)點(diǎn):原理簡單，不需要外加其他硬件，成本低。

缺點(diǎn):如前所述，當(dāng)逆變器的輸出功率與所帶負(fù)載接近匹配［10］時，則電網(wǎng)斷電后公共點(diǎn)的電壓、頻率變化非常小，此方法就無法檢測出孤島，存在較大盲區(qū);若不與其他技術(shù)配合使用，很難有效檢測。

表2 IEEE Std.1547的電壓檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表3 IEEE Std.1547的頻率檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 電壓相位跳變檢測法

此法通過監(jiān)測并網(wǎng)逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓之間相位差判斷孤島［6］141。當(dāng)DG系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，由于并網(wǎng)逆變器中鎖相環(huán)PLL的作用，逆變器電流與電壓同相位，以確保系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下工作;當(dāng)DG系統(tǒng)與大電網(wǎng)斷開后，公共點(diǎn)電壓不再與電網(wǎng)電壓相同，而由逆變器輸出電流和負(fù)載阻抗共同決定，其中，逆變器輸出電流由于PLL的作用繼續(xù)保持頻率和相位不變，因此，對于非阻性負(fù)載，一旦發(fā)生孤島，公共點(diǎn)的電壓相位將發(fā)生跳變，通過檢測輸出電流和公共點(diǎn)電壓之間的相位差是否變化便可判斷孤島。

優(yōu)點(diǎn):原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，只需要檢測逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓之間的相位差，對于多DG系統(tǒng)仍然適用;

缺點(diǎn):當(dāng)本地負(fù)載為純阻性或其阻抗角很小時，相位差幾乎無變化，無法有效檢測出孤島;在投切感性、容性負(fù)載或啟動電動機(jī)的過程中將會有較大的瞬間相位跳變，容易引起誤判，這也使得相位差的閾值很難確定。

2.1.3 電壓諧波檢測法

此法通過檢測DG系統(tǒng)逆變器端電壓總的諧波畸變率(即VTHD)來判斷孤島［11］。當(dāng)DG系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，電網(wǎng)阻抗小，逆變器輸出的諧波電流主要流入電網(wǎng)，公共點(diǎn)的電壓諧波量小;孤島運(yùn)行時，諧波電流全部流入比電網(wǎng)阻抗大得多的負(fù)載阻抗，導(dǎo)致逆變器端電壓諧波含量較大，當(dāng)諧波電壓量足夠大時，則可檢測到孤島狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn):簡單易行，多臺逆變器工作時效果基本不變;

缺點(diǎn):存在檢測盲區(qū);檢測閾值難以確定。

2.1.4 關(guān)鍵電量變化率檢測法

此法通過檢測孤島前后一些電量的變化值是否超過設(shè)定的閾值來判斷孤島，如輸出功率變化率、頻率變化率、相位電壓變化率［5］、頻率對功率的偏導(dǎo)、頻率對電壓的偏導(dǎo)等電量特征值。文獻(xiàn)［12］表明，頻率電壓變化率作為孤島檢測的指標(biāo)比頻率功率變化率靈敏度高，是一種有效的檢測方法。

傳統(tǒng)被動式檢測方法的檢測盲區(qū)很大，而新型被動式檢測方法的檢測盲區(qū)得到了大大減小。

2.2 新型被動式方法

2.2.1 基于數(shù)字挖掘的檢測法

基于數(shù)字挖掘的孤島檢測法主要是將具有統(tǒng)計(jì)學(xué)思想的分類算法引入檢測中，以優(yōu)化整定檢測閾值的方法。

文獻(xiàn)［13］主要利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的C4.5決策樹來判斷孤島狀態(tài)，以頻率、電壓幅值、頻率變化率、有功功率變化率等電氣量作為判據(jù)，建立if-then規(guī)則，適用于挖掘數(shù)據(jù)量多，且對效率和性能要求高的場合，但并未說明所選判據(jù)的理由，且未考慮功率不平衡度的情況下孤島檢測的有效性;文獻(xiàn)［14］綜合運(yùn)用8種電氣量，仍然采用C4.5決策樹檢測孤島，具有較好的實(shí)時性，由于采用的判據(jù)較多，計(jì)算量大，影響檢測速度;文獻(xiàn)［15］引入小波分析中的各層多分辨率奇異熵，將其作為新型判據(jù)，采用RELIFE算法進(jìn)行特征選擇，并通過ROC分析來比較C4.5、CART、SVM三種分類算法，但未考慮如投切負(fù)荷、電網(wǎng)諧波等多種偽孤島情況。

2.2.2 基于小波分析的檢測法

小波作為一種重要的信號處理工具，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用、圖像分析、電能質(zhì)量擾動檢測等方面已取得了很多成果。近年來，小波也被引入到分布式系統(tǒng)的孤島檢測技術(shù)中。

文獻(xiàn)［16］針對單相光伏系統(tǒng)，通過分別對孤島前后公共點(diǎn)電壓(VPCC)對逆變器等效電源的電壓(VDG)的變化率、逆變器輸出電流(IDG)對VDG的變化率以及逆變器輸出功率(PDG)對VDG的變化率繪制幅頻曲線，并對頻帶進(jìn)行積分，經(jīng)比較，最終選取PDG對VDG的變化率作為孤島判據(jù)，選用Biorthogonal 1.5小波并對其d5進(jìn)行處理，但缺乏與偽孤島情況的比較;文獻(xiàn)［17］選用三相電壓中的一相作為特征值，利用db4小波對電壓信號進(jìn)行處理，選擇D2的小波系數(shù)能量值，當(dāng)其超過設(shè)定的閾值，則判斷為孤島情況，但未說明所選母小波及小波分解層數(shù)的理由;文獻(xiàn)［18］利用db4小波分別對三相電壓、電流六個信號進(jìn)行處理，并考慮其他偽孤島情況，但由于要計(jì)算六路信號，所以大大增加了計(jì)算量，影響檢測速度;文獻(xiàn)［9］26-37利用小波變換提取公共點(diǎn)電壓信號中的高次諧波含量，但未考慮不同功率平衡度下孤島檢測的有效性;文獻(xiàn)［19］采用db4小波對單相電壓、電流信號進(jìn)行處理，將得到的小波系數(shù)值送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;文獻(xiàn)［20］以公共點(diǎn)電壓為研究對象，將多分辨率奇異譜熵和支持向量機(jī)結(jié)合用于區(qū)分孤島和其他電能質(zhì)量擾動。

2.2.3 基于S變換的檢測法

S變換作為對小波變換的一種改進(jìn)，其用于電能質(zhì)量擾動識別已經(jīng)取得了良好的效果。目前，一些學(xué)者開始嘗試將其引入到分布式系統(tǒng)的孤島檢測中。

文獻(xiàn)［21］通過提取公共點(diǎn)電壓的負(fù)序成分，分別對其進(jìn)行S變換和小波變換，獲取能量值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果表明，在孤島情況和多種電能擾動情況下，S變換的結(jié)果要優(yōu)于小波變換，但并未考慮不同負(fù)載投入時孤島檢測的有效性;文獻(xiàn)［22］利用S變換，提取公共點(diǎn)電壓信號的高次諧波分量，但未考慮其他電能質(zhì)量擾動對孤島情況的影響。

3 結(jié)束語

分布式發(fā)電系統(tǒng)的裝置必須具備孤島檢測的功能。本文首先介紹了孤島檢測的機(jī)理，然后對傳統(tǒng)的被動式檢測方法和基于數(shù)據(jù)挖掘、小波變換、S變換等新型被動式檢測方法進(jìn)行了綜述。傳統(tǒng)的被動式檢測方法在分布式發(fā)電系統(tǒng)供給的功率與負(fù)載功率完全匹配時會失效，而新型被動式檢測方法即使在這種情況下也能有效檢測出孤島。但如何尋找合適、有效的判據(jù)，如何確定適當(dāng)?shù)拈撝凳切滦捅粍邮椒椒ㄐ枰M(jìn)一步解決的問題。

另外，在實(shí)際進(jìn)行孤島檢測時，往往至少包含一種主動式檢測方法和一種被動式檢測方法，這樣的檢測效果可靠性、有效性較高。

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