基于改进FFT算法及支持向量机的孤岛检测方法

(西南石油大学 四川 成都 610500)

一、孤岛检测方法

当前，孤岛效应的检测方法主要为本地式检测方法，分为主动式检测法和被动式检测法。前者是指通过在公共耦合点加入间歇式的微小扰动，加速孤岛发生时参数的变化，从而快速检测到孤岛；后者是指通过检测PCC点电压、电流、频率等参数的变化或变化率，从而达到孤岛检测的目的。

(一)被动式检测法

被动式检测法是通过检测电网断电时PCC点的电压、频率、相位或谐波的变化来达到孤岛检测的目的。主要分为电压谐波检测法、过/欠电压/频率、电压相位突变检测法。

1.电压谐波检测法。通过检测并网逆变器输出电压的总谐波失真是否超过阀值来防止孤岛现象的发生，依据是工作分支电网功率变压器的非线性原理。电网断开时，由于负载阻抗通常要比电网阻抗大得多，因此通过检测电压谐波或谐波的变化就能有效地检测到孤岛效应的发生。但是在实际应用中，由于非线性负载等因素的存在，电网电压的谐波很大，谐波检测的动作阀值不容易确定，因此，该方法具有局限性。

2.过/欠电压/频率检测。通过检测公共耦合点的电压幅值和频率是否超过正常范围，从而检测出孤岛。一般地，对于额定电压为220V，工频为50Hz的电网，电压和频率的工作范围分别为194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。若电压或频率的偏移达到孤岛检测设定阀值，则可检测到孤岛。然而，当逆变器的输出功率与其所接的本地负载近似匹配时，电压和频率的偏移将非常小甚至等于零，即出现非检测区。这种方法的经济性较好，但由于非检测区较大，所以单独使用效果不好。

3.电压相位突变检测法。通过检测并网逆变器的输出电压与电流相位差变化来判断孤岛现象。DG并网运行时，通常工作在单位功率因数模式，也就是其输出电流电压(电网电压)同频同相。电网断开后，出现了DG系统单独给负载供电的孤岛现象，此时，PCC点电压由逆变器输出电流和本地负载决定。由于锁相环的作用，逆变器输出电流与PCC点电压仅仅在过零点发生同步，在过零点之间，逆变器输出电流跟随系统内部的参考电流而不会发生突变，因此，对于非阻性负载，PCC点电压的相位将会发生突变，因此可以采用相位突变检测方法来判断孤岛现象是否发生。相位突变检测算法简单，容易实现。但当负载阻抗角接近零时，即负载近似呈阻性，由于所设阀值的限制，该方法无效。

(二)主动式检测法

主动式检测法是指在逆变器输入加入间歇的、微小的扰动。当电网处于正常工作状态时，这些扰动不会干扰系统的正常运行。但是，如果电网出现故障，逆变器输出的扰动将会非常明显，对系统的状态造成很大影响，当系统参数超出允许范围就会触发孤岛检测电路。主要包括主动式移频检测、滑膜频率检测、功率扰动法。

1.主动式移频检测法。通过控制逆变器输出电流的相位、频率的变化，使接入点电压相位、频率跟随发生变化，形成正反馈过程，最终接入点电压的频率超出正常的工作阈值而检测出孤岛的存在。

2.滑膜频率检测。通过控制逆变器的输出电流，使其与PCC点电压间存在一定的相位差，使得在电网失压后PCC点的频率偏离正常范围而判别孤岛状态。正常情况下，逆变器相角响应曲线设计在系统频率附近范围内，单位功率因数时逆变器相角比RLC负载增加的快。当DG并网运行时，电网通过提供固定的参考相角和频率，使逆变器工作点稳定在工频。孤岛形成后，若逆变器输出电压频率有微小波动，逆变器相位响应曲线会增加相位误差，从而达到一个新的稳定状态点。新状态点的频率必会超出OFR/UFR动作阀值，逆变器因频率误差而停止输出。此方法实际是通过移相达到移频，有实现简单、无需额外硬件、可靠性高等优点，但随着负载Qf增加，孤岛检测失败的可能性增大。

3.功率扰动法。通过周期性向输出电流中加入有功或无功扰动信号并检测接入点电压是否发生变化来判断孤岛。较电压谐波检测法的稳定性和准确性高。多台并联的逆变器同时进行谐波注入时会相互干扰。

被动式检测无需增加硬件电路，也无需单独的保护继电器，成本低，但是检测速度慢，检测精度低。主动式检测法检测精度高，检测盲区小，但是控制复杂，成本高，且加入的扰动或多或少都会对电能质量造成影响。

二、孤岛检测标准及其原理

(一)孤岛检测标准

为统一行业标准，国际上对某些分布式电源并网制定了一个统一标准，其中含有UL1741、IEEE Std.929-2000以及IEEE Std.1547，分别如表1、表2所示。在这些标准中对不同频率与电压进行了规定，即分布式电源不向电网输送电能的时间进行了限制，其中有些相关规定刚开始仅为分布式并网系统制定，之后才慢慢将其应用在分布式发电系统中。

表1 IEEE Std.929-2000电压和频率响应标准

表2 IEEE Std.1547标准在电压和频率范围内对检测时间的规定

(二)孤岛检测原理

图1 分布式发电并网系统等效电路图

并网型分布式发电系统等效电路图如图1所示。当断路器S1、S2处于闭合状态时，整个系统处于并网运行状态。设PCC处的电压为UPCC，PCC处的电压频率为fPCC，因此本地负载消耗的功率为：

(1)

(2)

由式(1)(2)可知，PCC点的电压角频率为

(3)

当断路器S1断开时，整个系统发生孤岛现象，DG与本地负载形成单独的闭合回路，负载所消耗的功率仅由DG提供。

忽略电能损耗，根据能量守恒，即，Pload=ΔP+Pinv、Qload=ΔQ+Qinv。此时，本地负载所消耗的电能完全来源于分布式电源，此时UPCC′=Uinv。设PCC点的频率为f′，角频率为ω′=2πf′，

则可得

(4)

若并网时ΔP=0、ΔQ=0，则发生孤岛前后，负载消耗功率均完全由分布式电源提供，不存在系统功率失衡问题，因而PCC点的电压、频率不发生改变。

若并网时ΔP≠0、ΔQ≠0，则孤岛发生瞬间系统功率失衡，使得PCC点的电压、频率发生改变；若ΔP<0，孤岛发生后PCC电压增大，若ΔP>0孤岛发生后PCC电压减小；由式(4)，频率的变化取决于ΔP与ΔQ共同作用。因而，可根据PCC点的电压、频率的变化进行孤岛检测。

三、基于改进FFT算法和支持向量机的孤岛检测

(一)改进的FFT算法

异步采样时，各次谐波分量不能正好落在频率分辨点上，而是落在两个频率分辨点之间，FFT只能以临近的频率分辨点的值来近似代替，在信号的周期延拓时会导致其边界点不连续，使信号附加了高频分量。本文引入自校正修正，对同步采样的信号无影响，对异步采样信号可有效消除其高频分量的影响，可精确地测得信号的频率分量。

图2 自校正方法原理框图

(二)支持向量机实现过程

(1)设已知训练样本集{(xi,yi),i=1,2,…,l}，期望输出yi∈{+1,-1},xi∈Rn；

(2)选择核函数K(x，xT)和惩罚参数C，构造并求解最优化问题；

(5)

得最优解；

四、总结

微电网与大电网连接时，若发生孤岛效应，孤岛检测必须立刻起作用，检测出孤岛产生的原因，必要时，还需立即切断与大电网的连接。本文介绍了孤岛检测的方法及其原理，提出FFT算法与支持向量机相结合的孤岛检测方法，将提取到的PCC点信号，利用FFT算法对其进行变换后，通过自校正修正掉FFT变换产生的误差，有效消除其高频分量的影响。作为训练样本，找到最优超平面，从而在PCC点信号发生变化时，判断系统所处的状态。为减弱频谱泄露对信号造成的影响。