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摘要：光伏发电系统以微源形式接入电网，是解决能源及分布式接入问题的一种很好的方式，而孤岛检测能力是关系微电网安全稳定运行的关键问题之一。通过分析几种传统的并网逆变器孤岛检测方法，提出一种基于小波分析的clark-park孤岛检测法，该方法检测快、精度高且克服了检测盲区及谐波污染问题，最后通过仿真对比验证了其有效性和优越性。
关键词：微电网；光伏并网逆变器；小波分析；clark-park孤岛检测法
近年来，面对能源危机、全球变暖和环境污染严重等问题，可再生清洁能源的发电技术成为全球的研究热点。光伏发电以其灵活性、清洁性和普遍性成为最具前途的微源之一。同时，并网逆变器作为光伏发电系统接入微电网的必需接口装置，直接影响到系统的安全稳定运行。国际上的AS4777.3-2005和VDE0126-1-1等标准规定，并网逆变器都应具有检测出孤岛状态并有效快速停止并网运行的能力。孤岛效应即当操作不当、电气故障或自然因素等造成大电网异常时，各分布式发电系统仍在并网运行并处于独立运行状态给本地负荷供电的一种现象。孤岛效应不仅影响大电网安全运行，还可能对电力人员造成人身伤害。为此，孤岛检测至关重要。
1孤岛检测的系统分析
光伏发电系统的孤岛检测原理如图1所示，P+jQ为逆变器输出功率，△P+△jQ为正常并网运行时逆变系统向电网输送功率，RLC为模拟负载。
图1 光伏发电系统孤岛检测
系统正常运行，S1和S2均闭合时，系统的能量关系为：
P=P1+△P （1）
Q=Q1+△Q （2）
式中，P1、Q1分别为负载所消耗的有功、无功功率。此时，光伏发电系统和电网共同作用于负载。当逆变器输出的电能不等于负载所消耗的电能，即△P≠0，△Q≠0时，若电网故障，则PCC处的电压/频率幅值会发生变化，时可通过检测公共耦合点的电压/频率变化来完成孤岛检测。传统的被动检测法就是利用该原理来完成孤岛保护的。但是，当△P=0，△Q=0，即逆变器输出的电能正好等于负载所消耗的电能时，若电网故障，则公共耦合点处的电压频率波动很小，被动检测出现检测盲区[1]。
2传统的孤岛检测方法
2.1被动式孤岛检测
被动检测分为电压/频率检测、电压相位检测、电压谐波检测。
2.2主动式孤岛检测
主动检测分为主动频率扰动检测、主动电流扰动检测和接入负载检测等，主要通过加入扰动频率、扰动电流或感性、容性负载等引起系统的不平衡，达到检测目的。
（1）主动频率扰动检测
搭建MATLAB仿真模块，其中逆变器采用双闭环控制，频率和相位由PLL提供，通过S函数编程实现AFD功能。调节RLC，使系统△P=0，△Q=0，运行时间设为2s，t=0.5s时断路器断开模拟电网故障。
（2）主动电流扰动检测
模块中逆变器同样采用双闭环控制，孤岛检测采用封装的子系统OVR/OUR结合主动电流扰动来完成，调节RLC，使输入和消耗电能相等，仿真运行时间为2s，t=0.5s时切断供电开关。
为了便于观察，逆变器输出电压、电流波形分别经过比例积分器缩小和放大，且相位角错开。传统的主动检测法能很好地消除检测盲区问题，但是会造成系统谐波污染问题，影响电能质量。
3基于小波分析的clark-park孤岛检测法
考虑到检测法的盲区和谐波污染问题，本文着手研究clark-park变换的微电网孤岛检测法。但是，传统的clark-park变换法引入的电流扰动在电网故障或负载突变时都会引起PCC电压的高频分量骤变，而clark-park检测法又无法对输入信号进行有效识别，容易引起误判。为了避免，本文提出基于小波分析的clark-park孤岛检测法[2]。
3.1改进的孤岛检测法原理
基于小波分析的clark-park孤岛检测法的基本原理：实时采集PCC电压，逆变器输出电流，并将逆变器输出电流转换为两相定子坐标向量，再结合park变换转换到旋转坐标轴上，使得电流分量只受定子坐标向量的作用。运用PLL技术，提供坐标变换及后续控制的频率和相角信息，将PCC电压进行小波7阶次分解分析，采用Mallat算法进行处理，然后根据小波细节分量特征值判断孤岛是否发生[3]。
3.2clark-park变换
式中，f（t）为输入的原始信号，即电压U。
多分辨率分解：先将PCC电压U信号在不同尺度下分解为低频分量和高频分量，然后将低频分量再分解为近似分量和细节分量，以此逐层分解，分解层数本文选7层。
基小波的选择直接影响到孤岛检测的准确性。由于db4小波对瞬态信号有很好的分析性，且具有正交性、紧性等特性，重构效果也很好，因此本文选择db4小波为基小波。
3.4仿真分析
在MATLAB下分别搭建clark-park检测法和改进的基于小波分析的clark-park孤岛检测法的模型，并进行对比仿真分析。运行时间都设为0.5s，当t=0.2s时突变，t=0.3s时断路器断开模拟电网故障，观察两模块下PCC电压经小波分解后小波系数的变化。
4总结
本文通过搭建MATLAB仿真对比分析了传统的孤岛检测法与clark-park变换的孤岛检测法，充分证明了基于小波变换的clark-park孤岛检测法的优越性：既克服了传统检测法的检测盲区和谐波污染问题，又解决了clark-park变换法的检测误判问题，检测快、精度高且适用于含多个微源的微电网孤岛检测，具有一定的实用价值。
参考文献：
[1]刘方锐，康勇，张宇.光伏并网逆变器的孤岛检测技术[J].电力科学与技术学报，2014（01）：8-11.
[2]杨秋霞，赵清林，郭小强.三相光伏并网逆变器电流扰动孤岛检测建模及分析[J].电力系统自动化，2012（04）：45-49.
[3]崇志强，戴志辉，焦彦军.基于负序电流注入的光伏并网逆变器孤岛检测方法[J].电力系统保护与控制，2014（24）：65-71.
论文作者:张富宏,王家勋,谢明,王长奎,周志敏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/6
标签：孤岛论文; 逆变器论文; 电网论文; 小波论文; 电压论文; 电流论文; 光伏论文; 《电力设备》2017年第26期论文;