多机并网发电系统孤岛效应的检测方法

孙 强， 段 凯

(西安理工大学自动化与信息工程学院， 西安 710048)

多机并网发电系统孤岛效应的检测方法

孙 强， 段 凯

(西安理工大学自动化与信息工程学院， 西安 710048)

当分布式发电系统接入公共电网时，孤岛检测是其必备的重要功能。目前的研究主要集中在单机，而该文从多机并网运行的角度对孤岛检测方法进行了研究。文中将小波变换技术引入到孤岛检测当中，运用Mallat算法对采集信号进行多尺度分析，通过信号低频系数的变化进行孤岛检测。从不同数量逆变器与不同品质因数负载的角度对本方法作了仿真验证，结果证明其能有效检测出孤岛，且非检测区小，对电网无干扰。

分布式发电系统； 并网； 多机； 孤岛检测

随着大量分布式发电系统的并网运行，一系列电能质量问题显现出来，其中尤为重要的是孤岛效应问题。

“孤岛”是指公共电网停止供电后，由于分布式发电系统的存在(与电网相连并输送电能)，使电网停电区的部分线路仍维持带电状态，形成自给电力供应的岛状区域[1]。在孤岛状态下电力公司失去对线路电压、频率的控制，会带来一系列的安全隐患及事故纠纷[2]。

本文将小波变换技术引入到孤岛检测中，运用Mallat算法对采集信号进行多尺度分析，通过信号低频系数的变化进行孤岛检测。在多机并网系统中作了仿真验证，结果证明该方法准确、有效。

1 小波变换的基本原理

设δ∈L1∩L2，且满足容许度条件

(1)

则信号x(t)的连续小波变换可定义为

(2)

而且

(3)

(4)

式中：k为离散时间参数；m和n分别为二进离散小波的尺度因子和位移因子。式(4)相当于信号x(t)通过了一传递函数为φ(ω)的带通滤波器。不同的m值，就相当于信号通过了不同的带通滤波器。这样就可以把不同频带的信号分离开来[3，4]。

2 基于Mallat算法的孤岛检测方法

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算法把小波函数的构造归结为滤波器系数的设计，从而实现了离散小波变换的高效算法。

假定非平稳信号x(t)在零尺度下的离散逼近c0(n)为已知，并且可以用对该信号的采样序列x(n)来近似代替，即

c0(n)=x(n)n=0，1，…，S-1

(5)

式中，S=2J，J∈N(自然数集)。序列c0(n)可以分解为一小波系数序列d1(n)和一逼近系数序列c1(n)。对后者进行同样的分解又可得一新的小波系数序列和逼近系数序列。前者含有信号中较高的频率成分，而后者则含有信号中较低的频率成分。信号中不同频带的分量被分离，从而能够更好地分析和提取信号特征。

2.2 孤岛检测方法

选择合适的小波是测量准确、可靠的重要保证。如小波能够保证正交性，可在一定程度上避免因小波变换之间的关联而造成分析变换结果困难的问题；为了检测信号中的突变点，所选择的小波必须很正则(有规则)，这时的小波可实现一个更长的冲击响应滤波器。本文采用了正则性较好的Discrete Meyer wavelet(Dmey)小波对信号进行分解，观察其低频系数变化定位孤岛效应的发生。

3 基于小波变换的多机并网孤岛检测

随着大量分布式发电系统的并网运行，多机状态下的孤岛检测成为一个重要的研究课题[6，7]。本文以多逆变器并网系统为例，分以下两种情况来讨论孤岛检测的有效性：①相同品质因数负载，不同数量逆变器情况下的孤岛检测；②相同数量逆变器，不同品质因数负载情况下的孤岛检测。

3.1 不同数量逆变器情况下的孤岛检测

选择负载参数为R=211.6 Ω，L=269.4×10-3H，C=37.6×10-6F。分别研究单机与多机情况下的孤岛检测性能。

1)单机并网系统

用于孤岛问题研究的逆变器并网系统结构如图1所示[8]。

图1 用于孤岛问题研究的逆变器并网系统结构

孤岛发生时电网侧电流如图2所示。

图2 孤岛发生时电网侧电流波形

当逆变器输出有功与负载需求平衡时，本地负载电流波形如图3所示。

图3 本地负载电流波形

对本地负载电流作小波变换，负载电流小波变换第十二层低频系数如图4所示。分析分解的结果，当孤岛发生时，低频系数发生了明显的变化。

2)多机并网系统

多逆变器并网系统结构如图5所示[9，10]。为了便于仿真，本文以四逆变器并网系统为例进行讨论，其中，各逆变器负载取值相同。

图4 负载电流小波变换低频系数

图5 多逆变器并网系统结构

本地负载电流波形如图6所示。对其作小波变换，第十二层低频系数如图7所示。可以看到低频系数的变化准确对应着孤岛发生的时刻。

图6 本地负载电流波形

图7 负载电流小波变换低频系数

3.2 不同品质因数负载情况下的孤岛检测

本文以两台逆变器并网系统为例，研究不同品质因数负载情况下的孤岛检测性能，取负载的谐振频率等于电网频率，逆变器输出有功与负载需求平衡，其中各逆变器负载取值相同。

当Q=0.5时，取负载参数为R=211.6 Ω，L=1.3 H，C=7.3×10-6F，即大电感、小电容负载。此时，负载电流及相应的低频系数如图8所示。

(a) 本地负载电流波形

(b) 负载电流低频系数

当Q=2.5时，取负载参数为R=211.6 Ω，L=269.4×10-3H，C=37.6×10-6F，即常用平衡负载。此时，负载电流及相应的低频系数如图9所示。

(a) 本地负载电流波形

(b) 负载电流低频系数

当Q=10.0时，取负载参数为R=211.6 Ω，L= 67.4×10-3H，C= 150.4×10-6F，即小电感、大电容负载。此时，负载电流及相应的低频系数如图10所示。

(a) 本地负载电流波形

(b) 负载电流低频系数

对以上仿真结果进行分析，可以看出在各种品质因数负载情况下，本方法均能准确检测出孤岛现象的发生，故非检测区较小。

4 结语

本文对多台分布式发电系统并联运行时的孤岛效应检测进行研究，引入基于小波变换技术的方法。该孤岛检测方法非检测区小，不会因为多机使用而互相削弱。同时，该方法对电网无干扰，输出电能质量高。综合考虑该性能及对电能质量的影响，基于小波变换的孤岛检测将是未来发展的方向。

[1] 曾议, 吴政球, 刘杨华, 等(Zeng Yi, Wu Zhengqiu, Liu Yanghua,etal). 分布式发电系统孤岛检测技术(Islanding detection method for distributed generation systems)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(3)：106-110.

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[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.

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[8] 张纯江，郭忠南，孟慧英，等(Zhang Chunjiang, Guo Zhongnan, Meng Huiying,etal).主动电流扰动法在并网发电系统孤岛检测中的应用(Active current disturbing method for islanding detection of grid-connected inverters)[J].电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2007, 22(7):176-180.

[9] 程军照, 李澍森, 张腾飞(Cheng Junzhao, Li Shusen, Zhang Tengfei).多路并网光伏发电系统的仿真与分析(Simulations and analysis on a multi-branch grid-connected photovoltaic system)[J].电力系统及其自动化学报(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.

孙 强(1955-)，男，教授，研究方向为大功率高频高压开关电源及特种工业电源、现代高效功率变换器理论与应用、先进控制与自动化装备。Email:sq@xaut.edu.cn

段 凯(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为自动化装置及其检测技术、电力电子与新能源发电技术。

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