基于LMD的孤島檢測(cè)方法

張二帥，唐圣學(xué)，王永謙，胡雪松

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.北京北變微電網(wǎng)有限公司，北京 100037）

0 引言

隨著包含了傳統(tǒng)和可再生能源技術(shù)的分布式發(fā)電（Distribute Generation，DG）技術(shù)擁有越來(lái)越高的滲透力，電力系統(tǒng)正發(fā)生正越來(lái)越大的變化.分布式發(fā)電技術(shù)具有靈活穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)清潔的特點(diǎn)，既可以孤島運(yùn)行向本地負(fù)載供電，也可以與主電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行.分布式發(fā)電在發(fā)展同時(shí)，對(duì)其安全穩(wěn)定運(yùn)行也提出了新的要求.在光伏發(fā)電并網(wǎng)中，不可忽視的一項(xiàng)挑戰(zhàn)技術(shù)就是孤島效應(yīng)，即當(dāng)光伏發(fā)電并網(wǎng)的逆變器在主電網(wǎng)因故障、檢修等原因跳閘后的短時(shí)間內(nèi)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而沒(méi)有與主電網(wǎng)斷開，系統(tǒng)仍然向負(fù)載供電，便會(huì)發(fā)生孤島現(xiàn)象.孤島現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致許多影響生產(chǎn)安全的嚴(yán)重后果，比如危及電網(wǎng)線路維修人員安全，影響電能傳輸質(zhì)量等，所以對(duì)孤島狀態(tài)的檢測(cè)極為重要[1].

孤島檢測(cè)最基本的方法是通過(guò)檢測(cè)公共接入點(diǎn)（PCC）的電壓幅值和頻率來(lái)判別并網(wǎng)系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài).J.S.smith提出了一種新的自適應(yīng)信號(hào)分析方法即局部均值分解技術(shù)（Local Mean Decomposition，LMD），文獻(xiàn) [2]介紹了LMD方法在軸承故障診斷中的應(yīng)用，文獻(xiàn) [3]實(shí)現(xiàn)了LMD分解在電能質(zhì)量檢測(cè)上的應(yīng)用.本文結(jié)合LMD方法，提出了一種基于LMD局部均值分解的孤島檢測(cè)技術(shù)，使其能夠更加有效的檢測(cè)孤島狀態(tài)，最后搭建孤島檢測(cè)仿真模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 孤島檢測(cè)電路分析

典型的光伏逆變器與電網(wǎng)和本地負(fù)載相連接方式如圖1所示.圖中沒(méi)有體現(xiàn)出具體的分布式電源，僅僅以逆變器DG作為接口，代表了分布式電源.逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分布式電源通過(guò)斷路器與電網(wǎng)相連，兩個(gè)電源同時(shí)為負(fù)載提供功率，PDG、QDG為分布式電源輸出的有功、無(wú)功功率，PL，QL為負(fù)載的有功、無(wú)功功率，ΔP、ΔQ為負(fù)載從電網(wǎng)獲得的有功和無(wú)功功率.

可得

其中：VPCC為PCC點(diǎn)的電壓；R、L、C分別為負(fù)載的電阻、電感和電容值；ω為系統(tǒng)角頻率.進(jìn)一步整理可得

圖1 微電網(wǎng)并網(wǎng)示意圖Fig.1 Diagram of micro-grid connected grid

其中Qf為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù).

孤島發(fā)生后，主網(wǎng)不再提供功率，分布式電源的輸出功率不會(huì)在瞬間發(fā)生變化，因此孤島內(nèi)部一般會(huì)有一定的功率缺額.由于P、Q的存在，PCC點(diǎn)的電壓幅值及頻率會(huì)發(fā)生變化，變化規(guī)律為：若分布式電源發(fā)出的功率P大于負(fù)載所需要的功率Pload則會(huì)導(dǎo)致PCC點(diǎn)的電壓升高，反之若分布式電源發(fā)出的功率P小于負(fù)載所需要的功率Pload則會(huì)導(dǎo)致PCC點(diǎn)的電壓下降.與電壓幅值相比，頻率的變化與有功功率、無(wú)功功率的變化都有關(guān)系[4].孤島檢測(cè)出現(xiàn)盲區(qū)的的條件是系統(tǒng)有功和無(wú)功功率平衡，所以當(dāng)孤島發(fā)生后電網(wǎng)電壓的幅值和頻率沒(méi)有發(fā)生變化，即ΔP=0、ΔQ=0，這樣則無(wú)法判斷出是否發(fā)生了孤島，便不能使光伏系統(tǒng)和主電網(wǎng)分離，即孤島監(jiān)測(cè)失敗.

2 局部均值分解算法

2005年，Smith提出了局部均值分解算法（Local Mean Decomposition，LMD），可將從復(fù)雜的原始信號(hào)中分離出純調(diào)頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)，將純調(diào)頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)相乘可以得到一個(gè)瞬時(shí)頻率具有物理意義的PF分量.LMD采用滑動(dòng)平均方法擬合包絡(luò)函數(shù)，避免了過(guò)包絡(luò)、欠包絡(luò)現(xiàn)象，另外，LMD通過(guò)除以包絡(luò)函數(shù)得到PF，“篩分”次數(shù)較少[5].LMD已成功應(yīng)用于機(jī)械故障診斷[6]和電能質(zhì)量分析[7]等領(lǐng)域.

對(duì)于給定的任意信號(hào)x（t），對(duì)其分解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算介紹[8-9]：

2）求信號(hào)h11（t）=x（t）-m11（t），得到調(diào)頻信號(hào)：s11（t）=h11（t）/a11（t），如果a1n（t）等于1，則該包絡(luò)估計(jì)函數(shù)是純調(diào)頻信號(hào)，反之，重復(fù)迭代，直到s11（t）成為純調(diào)頻信號(hào)，如式（5）所示：

為了避免過(guò)多分解次數(shù)，可以設(shè)置一個(gè)變量δ，當(dāng)1-δ?a1n（t）?1+δ時(shí)，迭代終止.

3）求幅值包絡(luò)信號(hào)a1（t），即瞬時(shí)幅值函數(shù)：

4）將上式得到的包絡(luò)信號(hào)a1（t）與純調(diào)頻信號(hào)S1n（t）做乘積，得到原始信號(hào)的第1個(gè)PF分量

此PF分量包含原信號(hào)中頻率最高的成分，其瞬時(shí)頻率f1（t）由S1n（t）求出，即

7）將得到的最高頻分量從x（t）中分離出來(lái)，得到新的初始信號(hào)u1（t）進(jìn)行相同的計(jì)算，一直到得到的ui（t）單調(diào)

原始信號(hào)可以表示為

3 基于LMD分解相位的孤島檢測(cè)技術(shù)

被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單并且易于實(shí)現(xiàn)，由于沒(méi)有向系統(tǒng)添加電流或者諧波等干擾量，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)的電能質(zhì)量基本上沒(méi)有影響，但是這種方法對(duì)逆變器輸出功率與負(fù)載功率的匹配程度有嚴(yán)格要求，檢測(cè)盲區(qū)大并且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng).并且當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，由于逆變器輸出端的阻抗發(fā)生變化，引起公共接入點(diǎn)電壓諧波發(fā)生變化，還有逆變器較高的開關(guān)頻率也會(huì)造成PCC點(diǎn)電壓信號(hào)諧波含量過(guò)高，從而影響對(duì)孤島狀態(tài)的判斷.

針對(duì)這種情況，本文結(jié)合被動(dòng)式孤島檢測(cè)原理和局部均值分解技術(shù)，首先采集公共耦合點(diǎn)處電壓和逆變器電流，對(duì)得到數(shù)據(jù)利用局部均值分解處理，得到一系列PF分量，再提取處理后的信號(hào)的幅值和頻率，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷出系統(tǒng)工作狀態(tài)：當(dāng)判斷出孤島狀態(tài)時(shí)，切斷系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接，實(shí)施孤島保護(hù)；當(dāng)判斷系統(tǒng)并未處于孤島狀態(tài)時(shí)，不實(shí)施孤島保護(hù).由于LMD算法能有效地處理非平穩(wěn)信號(hào)，能自適應(yīng)地將信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)分解，分解后得到的PF分量突出了數(shù)據(jù)的特性，能有效地反映信號(hào)的本質(zhì)特征[10].

圖2 檢測(cè)流程Fig.2 Process of detection

圖3 諧波含量較高的PCC點(diǎn)電壓Fig.3 Voltage of PCC point with high harmonic content

關(guān)于特征量的選取及其處理，本文采用LMD分解再提取特征量比較閾值進(jìn)行孤島檢測(cè)，先要選擇系統(tǒng)中PCC點(diǎn)電壓進(jìn)行LMD分解，然后提取兩個(gè)周期即0.04 s內(nèi)的電壓信號(hào)，求其在這兩個(gè)電壓周期的平均值，然后將分解后的PF信號(hào)幅值的平均與設(shè)定閾值比較，關(guān)于閾值的設(shè)置，分別設(shè)定一個(gè)上限值和一個(gè)下限值，設(shè)定上限值的目的是防止電壓小范圍波動(dòng)時(shí)引起誤判，設(shè)定下線值可以將孤島狀態(tài)與PCC點(diǎn)短路等非孤島狀態(tài)分別開，這樣的設(shè)置對(duì)孤島狀態(tài)的檢測(cè)有較高的辨識(shí)度，能夠區(qū)分許多干擾狀態(tài).此外，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)的可靠性，本方法還提取了逆變器處的電流進(jìn)行分解比較，作為對(duì)PCC點(diǎn)電壓判別的補(bǔ)充.

4 仿真建模

根據(jù)上述孤島檢測(cè)原理，在matlab/simulink環(huán)境下搭建模型（圖4） 進(jìn)行分析[11]，其中分布式電源用直流源代替VDC=400 V，電網(wǎng)電壓VAC=311 V，濾波電感L1=5 mH，濾波電容R1=1 Ω，負(fù)載RLC的電阻電感電容分別為10 Ω、1 mH，0.9 μF.設(shè)置頻率為50 Hz，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.2 s.并輸出了逆變器電流、PPC點(diǎn)電壓、電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓4種波形.其中，提取了PCC點(diǎn)電壓用來(lái)進(jìn)行下一步分解.

圖4 孤島檢測(cè)仿真模型Fig.4 Simulation circuit of islanding detection

所示仿真模型中共設(shè)計(jì)了1種孤島狀態(tài)和3組非孤島對(duì)照狀態(tài)以檢驗(yàn)孤島檢測(cè)效果：1）孤島狀態(tài)，圖4中S斷開，分布式發(fā)電系統(tǒng)脫離電網(wǎng)形成孤島；2）本地負(fù)載突變狀態(tài)，圖4中開關(guān)S2由斷開突然轉(zhuǎn)為閉合，將額外負(fù)載加入電路；3）本地短路狀態(tài)，將圖4中開關(guān)S1由斷開轉(zhuǎn)為閉合，使PCC點(diǎn)對(duì)地短路；4）電網(wǎng)電壓突變狀態(tài)，將圖4中的電源AC降為之前的80%[12].其仿真結(jié)果輸出如圖5～圖8所示.

圖5 電網(wǎng)斷開時(shí)的波形Fig.5 Waveform when off the network

圖6 發(fā)生短路時(shí)的波形Fig.6 Waveform when short circuit

圖7 負(fù)載突變時(shí)的波形Fig.7 Waveform when load mutation

圖8 電網(wǎng)電壓突變時(shí)的波形Fig.8 Waveform when grid voltage changes

5 檢測(cè)結(jié)果分析

仿真結(jié)束后對(duì)PCC點(diǎn)的電壓進(jìn)行LMD分解，將分解后的特征量利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別判定可以得出：圖9是模擬發(fā)生孤島狀態(tài)，開關(guān)S在0.1 s斷開時(shí)PCC點(diǎn)電壓的LMD分解情況，判定為孤島狀態(tài)，實(shí)施保護(hù).圖10是模擬負(fù)載短路狀態(tài)，開關(guān)S1在0.1 s閉合時(shí)PCC點(diǎn)電壓的LMD分解情況；圖11是模擬負(fù)載突變狀態(tài)，開關(guān)S2在0.1 s閉合時(shí)PCC點(diǎn)電壓的LMD分解情況；圖12是模擬電網(wǎng)電壓突變狀態(tài)，電源AC在0.1 s突變?yōu)橹暗?0%時(shí)PCC點(diǎn)電壓的LMD分解情況，以上3種情況均判定為非孤島狀態(tài)，不必實(shí)施保護(hù).

圖9 電網(wǎng)斷開時(shí)LMD分解圖Fig.9 LMD Waveform off the network

圖10 發(fā)生短路時(shí)時(shí)LMD分解圖Fig.10 LMD Waveform when short circuit

圖11 負(fù)載突變時(shí)LMD分解圖Fig.11 LMD Waveform when load mutation

圖12 電網(wǎng)電壓突變時(shí)LMD分解圖Fig.12 LMD Waveform when grid voltage changes

6 結(jié)論

本文針對(duì)被動(dòng)式孤島檢測(cè)法檢測(cè)盲區(qū)大、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)以及主動(dòng)式孤島檢測(cè)法對(duì)電能質(zhì)量有較大干擾缺點(diǎn)，提出了一種新型的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法.該方法對(duì)從公共耦合點(diǎn)處提取的電壓信號(hào)進(jìn)行局部均值分解處理，將其分解為有限個(gè)瞬時(shí)頻率具有物理意義的PF分量之和，而每一個(gè)PF分量實(shí)際上是一個(gè)單分量的調(diào)幅和調(diào)頻信號(hào)，從而進(jìn)一步判斷是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象.在matlab/simulink環(huán)境下搭建模型對(duì)該方法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，在并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開及負(fù)載短路、突變、電網(wǎng)電壓突變的情況下，此檢測(cè)方法能準(zhǔn)確地對(duì)孤島狀態(tài)和各種非孤島狀態(tài)進(jìn)行判斷、識(shí)別，該方法比傳統(tǒng)的被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法檢測(cè)盲區(qū)小反應(yīng)時(shí)間快，可靠性高.同時(shí)，由于本檢測(cè)方法不需要對(duì)系統(tǒng)引入擾動(dòng)量或增加額外的電路，因而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量產(chǎn)生不良影響.因此該檢測(cè)方法比傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)方法在孤島檢測(cè)上更具有效性和穩(wěn)定性，對(duì)分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島保護(hù)有一定的應(yīng)用價(jià)值.

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