新能源互補電力主網諧波補償孤島檢測方法研究

余光海，李 鵬

(1.廣東電網有限責任公司 湛江供電局，廣東 湛江 524002； 2.中國電建集團 中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014)

現代社會對能源的依賴性持續上升，風能、太陽能等新能源的開發與利用勢在必行[1]，現階段的電網規劃中要著重考慮新能源的消納及其對電網全局的效益影響，互補電力主網也由此誕生，并且在電力系統中占據較大比重[2]。在互補電力主網系統中，電網跳閘后光伏逆變器依舊與電網連接，會產生孤島效應[3]，電網會持續給本地負載供電，威脅電網運行規劃，造成供電系統不均衡，并損壞逆變器等相關電力設施。

針對孤島效應，可通過下垂控制并網逆變器相位簇擾動進行檢測，抗干擾性能得到提升，實現無盲區孤島檢測。但該方法僅考慮成本、電能質量等單一目標函數，缺少對新能源接入的多目標電力規劃，影響孤島檢測正確率[4]。結合小波變化與BP神經網絡檢測孤島效應，按照網絡特征數據實現孤島保護，但在神經網絡訓練時，容易產生局部最優解，無法獲得令人滿意的孤島檢測結果[5]。

為此提出一種基于諧波補償的新能源互補電力主網孤島檢測方法。通過改進插值算法檢測電力系統中的畸變諧波，運用諧波補償方法將諧波變換為適用于孤島檢測的波形，采用訓練與識別步驟完成孤島檢測任務，并通過仿真實驗表明方法可行性。

1 新能源互補電力主網畸變諧波提取

針對利用并網逆變器和電網連接的互補電力主網而言，并網過程中，互補電力單元和電網共同完成本地負載供電，電網約束下公共連接點諧波數量降低[6]。產生孤島現象后，公共連接點電壓諧波分量會逐步顯現，并且逆變器的輸出電流也會產生改變[7]。電力系統內的諧波并不包含直流分量，取諧波特征時，僅考慮奇次諧波分量即可[8]。

下面使用改進插值算法檢測新能源互補電力主網內的諧波狀態，獲得畸變諧波值，為后續諧波補償步驟提供可靠支撐數據[9]。和傳統離散傅里葉變換對比，改進插值算法就是在頻域內平移了1/2個譜線間隔，平移過程為：

(1)

式中，x(n)為信號通過采樣后獲得的離散序列；N為離散序列點個數；h(n)為窗函數；k為頻域譜信號。

將離散頻譜函數表示為：

(2)

式中，ξ是離散化系數。

頻譜泄漏會對插值計算準確性形成不良影響，在求解某個分量電參變量時，要剔除其余諧波與鏡像頻率分量的干擾總和[12]。將頻譜內的分量描述成：

(3)

式中，kg為第g次諧波譜線號；δg為第g次諧波的對應頻偏值；i為隨機實數。

在頻譜泄漏情況下，式(3)中的頻譜分量Xg，i會遭受其余諧波分量與鏡像頻率長程譜的泄漏干擾[13]，干擾過程為：

(4)

式中，Sg，i為第g次諧波分量自身的傅里葉系數；H為正頻率的諧波總次數；P為負頻率諧波數量；Sh，i為第h次諧波長程普干擾；Sp，i為第p次諧波鏡像長程普泄漏干擾[14]。

使用Sg，i計算出第g次諧波的頻率校準量，計算正頻率部分其余諧波的長程譜泄漏對諧波分量的擾動影響，一般電網信號均為實信號，在諧波狀態檢測時，不光要去除正頻率分布各次諧波的長程譜泄漏干擾[15]，鏡像諧波干擾也要去除[16]。

與此同時，為提升諧波狀態檢測精度，計算諧波鏡像頻率長程譜泄漏對諧波的總干擾[17]，考慮諧波信號的共軛對稱性：

(5)

在考慮幅值與相位修正情況下，也要消除長程譜泄漏對諧波狀態的影響。

校準諧波頻率時要平移1/2個譜線，即i=1/2，檢測諧波的具體幅值Vg=|Ag|。

(6)

2 新能源互補電力主網孤島檢測方法

得到互補電力主網的畸變諧波數據后，由于各種不同外部環境因素而產生的電網諧波，諧波性質各不相等，畸變諧波無法實現孤島檢測目標。2臺逆變器同時并網工作，Rg、Xg分別為從點朝電網側看進去所呈現的特定頻率下的電路阻抗的電阻與電抗分量，U75、I75點處通過傅立葉變換提取的75 Hz電壓電流分量。并網孤島檢測原理如圖1所示。

圖1 并網孤島檢測原理Fig.1 Grid-connected islanding detection principle

針對隨機的輸入波形，都要提取其包含的高次波諧波分量，保存基波和直流分量，利用補償策略將畸變諧波改變成所需波形。本文采用諧波補償畸變諧波，認定電網正常工作時諧波含量較少，因電網鉗位作用緣故，輸出端電壓包含很少的諧波。

若電網中止工作，喪失了電網鉗位作用，負載的非線性特征并網位置的電壓諧波含量會變多[18]，則諧波含量超出臨界值就認定電網處于孤島狀態，完成精準的孤島檢測。

利用串聯電壓型有源電力濾波器補償電網畸變，將互補電力主網諧波補償等效電路如圖3所示。

圖2 帶有諧波補償功能的比例諧振調節器Fig.2 Proportional resonant regulator with harmonic compensation

圖3 電網諧波補償等效電路示意Fig.3 Schematic of power grid harmonic compensation equivalent circuit

圖3中，Ual_f為電源輸出正弦電壓的基波分量，Ugrid_f為并網時通常跟隨電網電壓基波，Uac_h為串聯電壓諧波補償，iac_h為并聯電流諧波補償。并網運行過程中，頻域內每個次諧波之間互相獨立[19]，均滿足圖1的等效電路關聯。將電源并網時的第n次諧波電流記作igridn。

互補電力主網電源逆變器使用空間矢量脈寬調制方法完成信號補償調制。正弦波單向空間矢量脈寬調制過程包含4個開關元件，具備2種有效矢量與2種零矢量。倘若有效矢量作用時間是T1，零矢量作用時間是T0，開關周期是Ts，同時直流側母線電壓Udc是一個平穩值，則處于ωt∈(0，π)狀態下，Uac>0，則得到如下公式：

(7)

式中，m為空間矢量脈寬調制度，其大小與輸出電壓的全局幅度擁有重要關系。

為避免疏通同橋臂開關元件導致電網短路，引入一個死區時間Δd，關聯空間矢量脈寬調制和輸出波形的函數是fvec(t)，則輸出電壓和直流電壓之間的關聯解析式為：

Uac=mUdcfvec(t)

(8)

在諧波補償方法中，通過變更函數fvec(t)，可往調制信號內加入控制器固定補償信號，將補償過程記作：

(9)

式中，Uk為前饋控制獲得的補償值；φuk為補償值引入時的相位；ik為反饋控制獲得的補償量；φik為反饋控制引入時的相位。

將孤島檢測計算公式描述為：

I=UrgidKpf

(10)

式中，I為電流幅值；Urgid為電壓基波；Kpf為檢測靈敏度。

電容器投切等引發的暫態過程很容易對諧波補償下的孤島檢測方法精度產生影響[20]，但在電容器暫態過程終止后，系統會回到正常供電狀態。如果在檢測時明確存在孤島現象，可連續進行若干次檢測進行確定，防止投切等事故引發的暫態過程對孤島檢測發生負面作用，提升檢測精準度。將孤島檢測電壓與頻率范圍見表1。

表1 孤島檢測電壓與頻率范圍Tab.1 Island detection voltage and frequency range

將基于諧波補償的孤島檢測劃分成訓練與識別2個過程，訓練過程中要得到運行狀態已知狀態下連接點電壓與輸出電流，提取奇次諧波特征向量，當作諧波畸變補償的訓練數據集，并劃分特征矢量特征。按照劃分結果，如果持續3次都是孤島結果，則斷定產生孤島現象；反之，收集信號繼續實施分類評估。

3 仿真實驗

為表明所提方法操作可行性，使用Matlab軟件組建新能源互補電力主網發電系統，額定功率4.5 kW。電網中的關鍵參數是：電壓為230 V，電網頻率為60 Hz，電感為6 mH。電源板負責整個系統的能量供給，采樣板負責信息采集，控制器實現信號的處理、設備保護，信號傳輸方式采用RS485總線。實驗平臺如圖4所示。

圖4 實驗平臺Fig.4 Experimental platform

品質因數的挑選對實驗結果真實性擁有巨大影響，過小的品質因數會致使孤島檢測的失敗，過大的品質因數又不貼合實際。在互補電力主網真實運行過程中，通常品質因數不會超出2.8，由此本文挑選的負載品質因數分別為1.0和2.0。

當阻抗值突然增大時孤島信號發生跳變，考慮到實際中FFT運算時間，孤島檢測時間略大于一個工頻周期(22 ms)。孤島檢測實驗結果如圖5所示。

圖5 孤島檢測實驗結果Fig.5 Results of island test

電力系統采樣頻率設定在一個基波周期中包含300個點，為降低不良信息對系統的影響，每3個點是一個控制周期，每4個控制周期中有2個超出保護臨界值的就判斷電網系統處于孤島狀況，以此實現孤島保護。將電網平穩運行時，電力系統諧波補償前后諧波含量見表2。

表2 諧波補償前后系統諧波含量Tab.2 System harmonic content before and after harmonic compensation

由電力系統諧波補償前后諧波含量可知，運用本文提出的孤島檢測方法，能夠讓電網系統內對應的諧波采取選擇性提取與補償，同時在電力系統平穩運行狀態下，系統諧波含量逐步降低，提升了電力系統運行過程中的電能質量。

諧波補償前后的移頻效果對比如圖6所示。從圖6可以看出，本文方法下的公共連接點電壓頻率從60 Hz逐步變大，若干周期后達到平穩點60.98 Hz，而無諧波補償的頻率固定于60.82 Hz。該實驗結果證明，諧波補償前后的頻率偏移基本相等，接近最終平穩點，諧波補償對移頻結果影響較小。由此可知，本文方法可有效改進電力系統正常運行時的波形，不會影響孤島檢測質量。

圖6 諧波補償前后移頻比較Fig.6 Comparison of frequency shift before and after harmonic compensation

電力系統平穩運轉時，諧波補償前后的母線電壓波形如圖7所示。由圖7可以看出，引入諧波補償策略后，母線電壓波形更為順滑，可以穩定電壓輸出，完成電網運維目標，擁有很強的應用可行性。

負載品質因數分別為1.0、2.0情況下，誤差絕對值仿真實驗結果如圖8所示。從圖8可以看出，在系統正常運行狀態下，誤差在很小的范圍內產生波動，而檢測到孤島現象后，誤差值顯著增多。與此同時，在仿真驗證的2種負載品質因數中，電力系統都在6個控制周期內檢測到孤島現象，逆變器也隨之終止工作，進一步減少電力系統損壞程度。

圖7 諧波補償前后的母線電壓波形示意Fig.7 Bus voltage before and after harmonic compensation

圖8 孤島檢測誤差變化示意Fig.8 Schematic change of island detection error

4 結論

面向新能源互補電力主網的孤島效應問題，采用諧波補償方法實現孤島檢測，與以往孤島檢測方法相比，本文方法計算方便快捷，可更為精準地識別孤島與非孤島狀態，具備一定的工程推廣價值。但該方法在孤島檢測中有可能輸出幅值較高的諧波，對畸變諧波檢測具備一定不良影響，在今后研究中會對此點進行補充完善。