基于改進FFT算法及支持向量機的孤島檢測方法

(西南石油大學(xué) 四川 成都 610500)

一、孤島檢測方法

當(dāng)前，孤島效應(yīng)的檢測方法主要為本地式檢測方法，分為主動式檢測法和被動式檢測法。前者是指通過在公共耦合點加入間歇式的微小擾動，加速孤島發(fā)生時參數(shù)的變化，從而快速檢測到孤島；后者是指通過檢測PCC點電壓、電流、頻率等參數(shù)的變化或變化率，從而達到孤島檢測的目的。

(一)被動式檢測法

被動式檢測法是通過檢測電網(wǎng)斷電時PCC點的電壓、頻率、相位或諧波的變化來達到孤島檢測的目的。主要分為電壓諧波檢測法、過/欠電壓/頻率、電壓相位突變檢測法。

1.電壓諧波檢測法。通過檢測并網(wǎng)逆變器輸出電壓的總諧波失真是否超過閥值來防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，依據(jù)是工作分支電網(wǎng)功率變壓器的非線性原理。電網(wǎng)斷開時，由于負(fù)載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。但是在實際應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓的諧波很大，諧波檢測的動作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

2.過/欠電壓/頻率檢測。通過檢測公共耦合點的電壓幅值和頻率是否超過正常范圍，從而檢測出孤島。一般地，對于額定電壓為220V，工頻為50Hz的電網(wǎng)，電壓和頻率的工作范圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。若電壓或頻率的偏移達到孤島檢測設(shè)定閥值，則可檢測到孤島。然而，當(dāng)逆變器的輸出功率與其所接的本地負(fù)載近似匹配時，電壓和頻率的偏移將非常小甚至等于零，即出現(xiàn)非檢測區(qū)。這種方法的經(jīng)濟性較好，但由于非檢測區(qū)較大，所以單獨使用效果不好。

3.電壓相位突變檢測法。通過檢測并網(wǎng)逆變器的輸出電壓與電流相位差變化來判斷孤島現(xiàn)象。DG并網(wǎng)運行時，通常工作在單位功率因數(shù)模式，也就是其輸出電流電壓(電網(wǎng)電壓)同頻同相。電網(wǎng)斷開后，出現(xiàn)了DG系統(tǒng)單獨給負(fù)載供電的孤島現(xiàn)象，此時，PCC點電壓由逆變器輸出電流和本地負(fù)載決定。由于鎖相環(huán)的作用，逆變器輸出電流與PCC點電壓僅僅在過零點發(fā)生同步，在過零點之間，逆變器輸出電流跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會發(fā)生突變，因此，對于非阻性負(fù)載，PCC點電壓的相位將會發(fā)生突變，因此可以采用相位突變檢測方法來判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。相位突變檢測算法簡單，容易實現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)載阻抗角接近零時，即負(fù)載近似呈阻性，由于所設(shè)閥值的限制，該方法無效。

(二)主動式檢測法

主動式檢測法是指在逆變器輸入加入間歇的、微小的擾動。當(dāng)電網(wǎng)處于正常工作狀態(tài)時，這些擾動不會干擾系統(tǒng)的正常運行。但是，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，逆變器輸出的擾動將會非常明顯，對系統(tǒng)的狀態(tài)造成很大影響，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)超出允許范圍就會觸發(fā)孤島檢測電路。主要包括主動式移頻檢測、滑膜頻率檢測、功率擾動法。

1.主動式移頻檢測法。通過控制逆變器輸出電流的相位、頻率的變化，使接入點電壓相位、頻率跟隨發(fā)生變化，形成正反饋過程，最終接入點電壓的頻率超出正常的工作閾值而檢測出孤島的存在。

2.滑膜頻率檢測。通過控制逆變器的輸出電流，使其與PCC點電壓間存在一定的相位差，使得在電網(wǎng)失壓后PCC點的頻率偏離正常范圍而判別孤島狀態(tài)。正常情況下，逆變器相角響應(yīng)曲線設(shè)計在系統(tǒng)頻率附近范圍內(nèi)，單位功率因數(shù)時逆變器相角比RLC負(fù)載增加的快。當(dāng)DG并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩(wěn)定在工頻。孤島形成后，若逆變器輸出電壓頻率有微小波動，逆變器相位響應(yīng)曲線會增加相位誤差，從而達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)點。新狀態(tài)點的頻率必會超出OFR/UFR動作閥值，逆變器因頻率誤差而停止輸出。此方法實際是通過移相達到移頻，有實現(xiàn)簡單、無需額外硬件、可靠性高等優(yōu)點，但隨著負(fù)載Qf增加，孤島檢測失敗的可能性增大。

3.功率擾動法。通過周期性向輸出電流中加入有功或無功擾動信號并檢測接入點電壓是否發(fā)生變化來判斷孤島。較電壓諧波檢測法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高。多臺并聯(lián)的逆變器同時進行諧波注入時會相互干擾。

被動式檢測無需增加硬件電路，也無需單獨的保護繼電器，成本低，但是檢測速度慢，檢測精度低。主動式檢測法檢測精度高，檢測盲區(qū)小，但是控制復(fù)雜，成本高，且加入的擾動或多或少都會對電能質(zhì)量造成影響。

二、孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)及其原理

(一)孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

為統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國際上對某些分布式電源并網(wǎng)制定了一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中含有UL1741、IEEE Std.929-2000以及IEEE Std.1547，分別如表1、表2所示。在這些標(biāo)準(zhǔn)中對不同頻率與電壓進行了規(guī)定，即分布式電源不向電網(wǎng)輸送電能的時間進行了限制，其中有些相關(guān)規(guī)定剛開始僅為分布式并網(wǎng)系統(tǒng)制定，之后才慢慢將其應(yīng)用在分布式發(fā)電系統(tǒng)中。

表1 IEEE Std.929-2000電壓和頻率響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

表2 IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)在電壓和頻率范圍內(nèi)對檢測時間的規(guī)定

(二)孤島檢測原理

圖1 分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖

并網(wǎng)型分布式發(fā)電系統(tǒng)等效電路圖如圖1所示。當(dāng)斷路器S1、S2處于閉合狀態(tài)時，整個系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)。設(shè)PCC處的電壓為UPCC，PCC處的電壓頻率為fPCC，因此本地負(fù)載消耗的功率為：

(1)

(2)

由式(1)(2)可知，PCC點的電壓角頻率為

(3)

當(dāng)斷路器S1斷開時，整個系統(tǒng)發(fā)生孤島現(xiàn)象，DG與本地負(fù)載形成單獨的閉合回路，負(fù)載所消耗的功率僅由DG提供。

忽略電能損耗，根據(jù)能量守恒，即，Pload=ΔP+Pinv、Qload=ΔQ+Qinv。此時，本地負(fù)載所消耗的電能完全來源于分布式電源，此時UPCC′=Uinv。設(shè)PCC點的頻率為f′，角頻率為ω′=2πf′，

則可得

(4)

若并網(wǎng)時ΔP=0、ΔQ=0，則發(fā)生孤島前后，負(fù)載消耗功率均完全由分布式電源提供，不存在系統(tǒng)功率失衡問題，因而PCC點的電壓、頻率不發(fā)生改變。

若并網(wǎng)時ΔP≠0、ΔQ≠0，則孤島發(fā)生瞬間系統(tǒng)功率失衡，使得PCC點的電壓、頻率發(fā)生改變；若ΔP<0，孤島發(fā)生后PCC電壓增大，若ΔP>0孤島發(fā)生后PCC電壓減小；由式(4)，頻率的變化取決于ΔP與ΔQ共同作用。因而，可根據(jù)PCC點的電壓、頻率的變化進行孤島檢測。

三、基于改進FFT算法和支持向量機的孤島檢測

(一)改進的FFT算法

異步采樣時，各次諧波分量不能正好落在頻率分辨點上，而是落在兩個頻率分辨點之間，F(xiàn)FT只能以臨近的頻率分辨點的值來近似代替，在信號的周期延拓時會導(dǎo)致其邊界點不連續(xù)，使信號附加了高頻分量。本文引入自校正修正，對同步采樣的信號無影響，對異步采樣信號可有效消除其高頻分量的影響，可精確地測得信號的頻率分量。

圖2 自校正方法原理框圖

(二)支持向量機實現(xiàn)過程

(1)設(shè)已知訓(xùn)練樣本集{(xi,yi),i=1,2,…,l}，期望輸出yi∈{+1,-1},xi∈Rn；

(2)選擇核函數(shù)K(x，xT)和懲罰參數(shù)C，構(gòu)造并求解最優(yōu)化問題；

(5)

得最優(yōu)解；

四、總結(jié)

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接時，若發(fā)生孤島效應(yīng)，孤島檢測必須立刻起作用，檢測出孤島產(chǎn)生的原因，必要時，還需立即切斷與大電網(wǎng)的連接。本文介紹了孤島檢測的方法及其原理，提出FFT算法與支持向量機相結(jié)合的孤島檢測方法，將提取到的PCC點信號，利用FFT算法對其進行變換后，通過自校正修正掉FFT變換產(chǎn)生的誤差，有效消除其高頻分量的影響。作為訓(xùn)練樣本，找到最優(yōu)超平面，從而在PCC點信號發(fā)生變化時，判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。為減弱頻譜泄露對信號造成的影響。