光伏系统新型孤岛检测技术研究

2015-06-26冯孝伟孟小利席攀王杰

电气自动化 2015年6期

冯孝伟，孟小利，席攀，王杰

(1.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016，2.上海电机学院，上海 200240)

0 引言

孤岛是指当包含分布式电源(Distributed Generation，即DG)的系统因故障或停电维修等原因跳闸后，各用户端的DG由于未能及时检测出停电状态，从而形成一个由DG继续向本地负载供电的电力孤岛［1］。按照是否经过事先规划，孤岛可分为计划孤岛和非计划孤岛。计划孤岛可以充分发挥DG的积极作用，在大电网停电时，DG可以保证本地负载的供电，可以减少因停电而造成的损失;非计划孤岛则可能会对电力设备造成损害、对维护人员的安全造成威胁，影响电网的安全稳定运行。因此，应尽量避免非计划孤岛的发生，国际相关组织并由此制订了IEEE Std.999-2000、IEEE Std.1547-2003等一系列标准，且规定所有的分布式发电装置必须具备及时检测出孤岛状态的功能，即孤岛检测［2-3］。

目前，基于逆变器侧的孤岛检测方法分为被动式和主动式两种。传统的被动式孤岛检测方法检测盲区较大，而主动式方法虽然检测效率较高、但由于引入扰动会对电能质量造成不良影响［4］，基于以上两点，本文提出了将FFT和小波变换相结合的新型孤岛检测方法，其检测效率高、且对电能质量无影响。

1 基于FFT与小波变换的联合孤岛检测

1.1 检测方法原理

本文检测方法的原理如图1所示，采集公共点电压(Vpcc)信号，首先选用 db5母小波对信号进行小波变换，提取出信号高频分量并进行算法处理得到特征值，然后对信号进行 FFT分析，求得非整次谐波75 Hz的幅值，只有当特征值与幅值的大小同时超过设定孤岛阈值两个周期时，发出封锁逆变器开关管信号，有效进行孤岛保护。同时，采用联合检测方法能够有效地避免单一性的电网低频或高频谐波含量过高而引起的孤岛误判。

图1 孤岛检测示意图

1.2 基于FFT电网电压谐波分析

孤岛发生时，由于 PCC点的阻抗发生变化，引起PCC处电压谐波发生变化，以光伏并网逆变器某一相为例，画出系统等效电路［5］，如图2所示。其中，VDG等效的光伏电源，Z1、Z2构成LC滤波器，Z3为完全匹配下的 RLC本地负载，Z4为电网等效阻抗。

当系统处于并网运行时，Vpcc对输入 VDG的传递函数G1(s)为:

图2 孤岛检测等效电路图

当系统处于孤岛运行时，Vpcc对输入VDG的传递函数G2(s)为:

根据式(1)、式(2)，结合本文所研究并网逆变器样机参数(见表1)，画出并网运行与孤岛运行的幅频曲线。如图3所示，从图中可以看出，孤岛前曲线r1与孤岛后曲线r2在频率段50 Hz～110 Hz范围变化较为明显，由于电网中可能含有2次谐波分量，本文选取75 Hz非整次谐波幅值大小作为孤岛检测。利用快速傅里叶变换(FFT)的频域分析优点，采集公共点(PCC)处电压信号，分析两个基波50 Hz周期数据，得到75 Hz频谱的幅值大小，与设定的孤岛阈值进行比较，从而判断是否发生孤岛。

1.3 小波变换算法

由于傅里叶分析使用的是一种全局的变换，因此无法描述信号的时频局域性质［6］。小波变换具有多分辨率的特点，适合分析非平稳时变信号或奇异性突变信号［7］，结合这一特点本文采用小波变换的快速实现算法—Mallat算法进行小波分解，其分解公式如下:

式中aj(k)、dj(k)分别为第j层小波系数的低频部分(近似部分)和高频部分(细节部分)，h(k)、g(k)分别是满足二尺度差分方程式的低通滤波器和高通滤波器分别是其系数共轭值。Mallat多分辨率分解过程如图4所示，其中S表示原始信号，CAn与CDn分别低通部分与高通部分，n为分解层数。

图3 负载完全匹配下的孤岛前后幅频曲线图

选择不同的母小波对信号的处理结果不同，dbN系列正交小波因其特点适合分析瞬变信号，随着N阶数越高，小波越平滑，小波基函数的滤波器长度越长，越易提取待测信号的高频分量［7］，但程序量也越大。通过仿真比较得出db5母小波处理信号特征量差异明显，满足孤岛检测效果要求，故选用db5小波作为孤岛检测的小波母函数［8］。本文信号采样频率为6 400 Hz，将信号分解成两层，则高频部分频带范围如下:第一层(D1):1 600 Hz～3 200 Hz、第二层(D2):800 Hz～1 600 Hz。去除掉小波系数中的扰动量，得到D1层小波系数范数能量很微小，孤岛前后的信号的差异性不明显，因此本文只提取D2层的小波系数，滤除系数中的扰动量并取绝对平均值［9］，得到孤岛检测的特征量，与设定阈值比较，从而判断是否发生孤岛。

图4 多分辨率分解示意图

2 仿真与分析

搭建基于Simulink软件的三相光伏并网发电系统，本地负载根据IEEE Std.1547标准定义为完全匹配下的苛刻条件，系统仿真参数如表1所示。

表1 系统仿真参数

图5为本地负载完全匹配下联合检测法的孤岛检测仿真波形。在0.3 s时刻发生孤岛，小波D2层系数的特征值与75 Hz谐波含量这两个特征量均有明显增加，0.35 s时刻连续超过孤岛阈值两个周期，认为发生孤岛，发出封锁逆变桥PWM信号，并网电流降为0，PCC点电压也降为0，说明此方法成功检测出孤岛状态，且孤岛检测时间为0.05 s，符合IEEE Std.1547对孤岛检测时间的要求，验证了本文所提出的检测方法的可行性。

图5 联合检测法的孤岛检测波形

3 实验与结果分析

如图6所示，采用RT-LAB与DSP结合半实物硬件在环实验，用RTLAB模拟并网逆变器系统，输出电压电流信号，DSP负责采集某相公共点电压信号、孤岛判断、发出孤岛发生时刻信号(sw)及封锁逆变器PWM信号(island)。其中，DSP孤岛判断流程:ADC采样中断周期为1/6400 Hz，保存N=256数据点;孤岛判断中断周期为1 ms，经FFT分析得到实部与虚部各N个数据，根据第4个数求得75 Hz谐波幅值，再取后N/2个数据作为Mallat算法输入信号，按公式(3)、(4)进行离散卷积和运算与二抽样运算，得到D2层系数38个数据，经滤波后，取绝对平均值得到小波特征量，然后按图1流程判断是否孤岛。

图6 硬件在环控制框图

图7为孤岛前后A相电流ia实验波形，图中可以看出，孤岛信号sw发出后两个基本周期时间检测出孤岛，逆变器停止发出电流，电流降为0，成功检测出孤岛信号。图8为孤岛前后ia与公共点电压Vpcc实验波形，当逆变器电流降为0时，由于本地负荷有感性与容性储能元件，Vpcc电压逐渐下降为0。图9为电网突降波形，可以看出，当电网突降10%Un时，未造成伪孤岛误判，证明本文所提出的联合孤岛检测方法的可靠性。