基于小波包变换的构网型变流器孤岛检测方法

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种基于小波包变换的构网型变流器孤岛检测方法。

背景技术：

1、随着新能源发电装机容量的持续增长，以光伏、风电为代表的可再生能源已成为新型电力系统的重要组成部分。作为新能源与电网之间的关键接口，并网变流器的运行性能直接影响电力系统的安全稳定运行。相比传统跟网型变流器，构网型变流器(grid-forming, gfm)能够主动提供电压和频率支撑，具有即插即用、无需通讯、弱电网下稳定性强等优势，在分布式发电和微电网中具有广阔的应用前景。随着构网型变流器应用规模的不断扩大，其安全保护问题日益受到关注，其中孤岛效应是新能源并网系统面临的重要运行风险之一。然而，现有孤岛检测技术主要面向跟网型变流器开展研究，而针对构网型变流器的孤岛检测研究却仍相对空白，尤其是在源荷匹配工况下仍存在较大的研究空间。

2、根据检测机理的不同，孤岛检测技术主要分为主动式和被动式两类。主动式方法通过向系统注入扰动信号增强孤岛前后的响应差异，可有效减小非检测区，但持续扰动会降低电能质量，并可能影响系统运行稳定性。相比之下，被动式方法通过监测并网点电压、频率、功率及谐波等自然电气量变化实现孤岛检测，具有实现简单、无需额外扰动、计算复杂度低以及对电能质量影响较小等优点，因此具有更高的工程应用价值。然而，传统被动式方法主要依赖时域特征，在源荷高度匹配工况下电压、频率等特征变化不明显，容易形成较大的ndz，导致检测性能显著下降。因此，如何在保持被动式检测优势的基础上提取更加敏感的孤岛特征，提升源荷匹配工况下的检测能力，是当前构网型变流器孤岛检测研究亟待解决的问题。

3、1）中国专利文献cn 116047212 b于2023年6月2日公开的《一种基于无功功率扰动的孤岛检测方法及装置》，本发明公开了一种适用于并网变流器的主动式孤岛检测方案，主要针对传统被动式孤岛检测存在较大检测盲区的问题，通过预设扰动重置判据动态调整各变流器的无功功率扰动状态，以增强孤岛前后的系统响应差异，从而提高多机并联系统的孤岛检测准确率并缩短检测时间。然而，该方法在源荷高度匹配等极端运行工况下仍存在一定局限性，同时其本质属于主动式孤岛检测技术，需要持续向控制系统注入扰动，会导致电能质量降低。当应用于具有受控电压源特性的构网型变流器时，由于其能够提供电压和频率的主动支撑，主动扰动在源荷高度匹配条件下难以引起足够明显的电压或频率偏移，检测灵敏度仍受到非检测区的限制。此外，在弱电网、高比例分布式新能源接入及多变流器并联运行等复杂场景中，持续注入的无功扰动不仅可能降低并网点电能质量，还可能与构网型变流器的下垂控制或虚拟同步机控制环路产生耦合作用，引发宽频振荡，从而影响系统的稳定运行。

4、2）中国专利文献cn 119492902 a于2025年2月21日公开的《一种基于特征频次谐波电压的孤岛检测方法及系统》，本发明公开了一种适用于分布式电源并网系统的被动式孤岛检测方案，主要针对传统被动式孤岛检测在源荷匹配工况下因电压、频率等信号变化不明显而导致检测盲区较大的问题，通过筛选并网点处满足皮尔逊相关系数要求的数据段估算电网侧基准谐波阻抗，并结合网侧与分布式电源侧特征频次谐波电压实际比值与理论比值的变化实现孤岛判别，以提高非检测区内的检测灵敏度，同时避免主动扰动注入对系统运行的影响。然而，该方法在构网型变流器尤其在源荷高度匹配等运行工况下仍存在一定局限性。本发明技术本质上仍依赖于特征频次谐波电压变化作为孤岛判据，当发明技术应用于构网型变流器时，由于其提供的电压和频率支撑能力，离网后并网点电压及谐波变化受到抑制，导致特征频次谐波电压难以产生明显变化从而降低孤岛检测灵敏度。

5、3）2024年发表于《ieee transactions on industrial electronics》第71卷第4期的《an islanding detection method based on the reactive power disturbancefor multiple inverter-based dg systems》（2024年发表于《ieee工业电子汇刊》第71卷第4期的《基于无功功率扰动的多变流器系统孤岛检测方法》）一文，提出了一种基于无功功率扰动的多变流器主动式孤岛检测方法，提出正、负无功功率扰动交替注入的非对称扰动策略，并在扰动回路中引入基于频率偏差的正反馈机制，实现无需通信条件下多机系统的快速孤岛检测。然而，该方法仍存在一定局限性，通过引入非对称无功功率扰动及频率正反馈机制提升了多机系统的检测性能，但其本质上仍属于主动式孤岛检测技术，长期注入扰动会降低电能质量。当应用于构网型变流器时，扰动引起的频率偏移将被控制系统所抑制，从而削弱所构建检测判据的有效性。对于弱电网及多变流器并联系统，不同变流器之间的控制耦合还可能改变系统动态响应特性，降低所提检测策略在复杂运行场景下的适用性。

6、4）中国专利文献cn 115508667 b于2024年12月31日公开的《一种基于信号协同注入的孤岛检测方法》，本发明公开了一种适用于分布式电源并网系统的主动式孤岛检测方案，主要针对传统注入式孤岛检测方法因缺乏同步机制而导致注入信号相互抵消、阻抗测量精度下降及孤岛检测准确率降低等问题，提出采用卫星授时信号同步或母线电压同步的方式实现多台变流器注入信号的协同一致，并结合多信号注入与多阻抗判据进行孤岛状态识别，以提高多机并联系统的孤岛检测精度。然而，该方法高度依赖卫星授时信号同步技术，导致其实现方式复杂、成本高昂，同时卫星授时信号在孤岛检测技术中的可靠性尚未得到验证，因此无法作为孤岛检测的通用方法进行推广。本发明技术本质属于主动式孤岛检测技术，需要持续向系统注入扰动以进行检测，能够大幅减小检测盲区，会降低电能质量。由于本发明技术的扰动注入会影响电能质量，且卫星授时信号的可靠性与技术复杂度的限制，故其应用受到了限制。

7、5）2025年发表于《电力自动化设备》第45卷第5期的《基于谐波阻抗特性识别的主动式孤岛检测方法》一文，提出了一种基于系统并网点谐波阻抗特性识别的主动式孤岛检测方法，主要针对分布式光伏并网系统在源荷功率匹配导致的防孤岛保护拒动、多分布式电源并网导致扰动信号稀释以及低电压穿越与孤岛检测之间存在运行冲突等问题，提出采用特定频带谐波信号同步注入策略，并结合三参数频域等效模型与最小二乘参数识别算法，实现并网点等效阻抗参数辨识，以提高多机并联系统孤岛检测的准确性及电压扰动辨识能力。该方法实现了源荷匹配条件下的谐波阻抗特征识别，但需要向系统同步注入特定频带谐波信号，长期运行会增加并网点的谐波含量，从而对系统电能质量产生一定影响。此外，该方法依赖于频域模型参数辨识，其检测性能对系统阻抗变化及参数辨识精度具有一定依赖性，系统阻抗动态变化及多机控制交互也可能影响阻抗参数辨识结果，进而降低所提检测策略在复杂运行工况下的适用性。

8、6）2024年发表于《电力系统保护与控制》第52卷第16期的《基于低频扰动的多分布式电源孤岛检测方法》一文，提出了一种基于主、被动结合的多分布式电源孤岛检测方法，主要针对被动检测方法在源荷匹配下存在较大检测盲区，以及主动检测方法在多变流器并联系统中因扰动信号不一致导致检测性能下降等问题，提出利用有源电力滤波器（apf）作为扰动源，通过注入2hz低频无功功率扰动激发系统频率变化，并结合小波分解重构与快速傅里叶变换提取频率信号中的低频特征，实现无需通信条件下多分布式电源系统的孤岛检测。但是，该方法依赖于apf作为统一扰动源及低频特征提取，在弱电网及多变流器并联运行等复杂场景下，系统动态特性变化及多设备控制交互可能影响低频特征的稳定性，进而降低所提检测策略在复杂运行工况下的适用性。

9、综上所述，现有技术主要存在以下问题：

10、1）现有孤岛检测技术大多针对跟网型变流器开展研究，其检测机理主要建立在孤岛发生后并网点电压、频率等自然电气量发生明显偏移的基础上。然而，构网型变流器具有受控电压源外特性，其下垂控制或虚拟同步机控制能够主动建立并维持系统电压与频率，孤岛状态下仍能提供电压和频率支撑。当系统处于源荷高度匹配工况时，孤岛前后电压、频率及功率等传统特征量变化极为微弱，现有检测技术难以准确反映系统运行状态变化，导致构网型变流器孤岛检测的机理尚不明确，检测盲区的形成原因及其变化规律仍有待进一步研究。

11、2）现有孤岛检测技术主要包括主动式检测与被动式检测两大类。主动式检测方法通过向系统持续注入扰动信号，增强孤岛前后的响应差异，虽然能够在一定程度上提高检测灵敏度，但扰动注入会增加系统谐波含量，对电能质量产生影响。相比之下，被动式检测方法无需额外扰动，具有实现简单、对系统运行影响较小等优点，但其主要依赖电压、频率及功率等时域特征进行判别，在源荷高度匹配等极端工况下容易形成较大的非检测区，检测可靠性仍有待进一步提升。

12、3）现有被动式孤岛检测方法主要关注时域电气量变化，对系统内部频域动态特性的利用不足，难以提取源荷匹配工况下仍然存在的微弱特征信息，导致检测灵敏度受到限制。因此，亟需挖掘变流器孤岛运行本质特征作为孤岛检测的判断依据，并建立适用于非平稳信号分析的特征提取方法，提高源荷匹配条件下孤岛检测的准确性与鲁棒性，为构网型变流器的高可靠孤岛检测提供新的技术途径。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有构网型变流器在源荷匹配工况下存在检测盲区的问题。随着新能源渗透率不断提高，弱电网情况越来越普遍，构网型变流器应用更加广泛，现有孤岛检测技术多基于跟网型变流器，主动式检测技术影响电能质量，被动式检测技术存在检测盲区的问题，因此针对构网型变流器的孤岛检测技术研究有待发展。

2、为突破这一技术瓶颈，本发明提出一种基于小波包变换的构网型变流器孤岛检测方法，通过对构网型变流器的下垂控制结构进行检测盲区分析，以并网点等效阻抗的频域特征为检测标准，使用小波包变换提取并网点的时频域电气信息，实现源荷匹配这一极端工况条件下的孤岛检测。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种基于小波包变换的构网型变流器孤岛检测方法，该检测方法涉及分布式电源并网系统，该系统包括构网型变流器、本地负载

z

l、电网阻抗

z

g及三相电网，其中，所述构网型变流器的输出端和本地负载

z

l的输出端接入并网点后，通过电网阻抗

z

g接入三相电网；所述检测方法包括以下步骤：

5、步骤1，建立构网型变流器下垂控制模型，计算源荷匹配工况下变流器的有功功率和无功功率，根据功率平衡关系推导系统谐振频率，确定影响孤岛检测性能的关键频率特性；

6、步骤2，分别建立孤岛运行状态和并网运行状态下的系统等效电路模型，得到孤岛运行状态和并网运行状态下的等效电路；所述等效电路的拓扑结构由变流器等效电压源

v

o、变流器等效输出阻抗

z

o、本地负载

z

l、电网阻抗

z

g、电网等效电压源

v

g、断路器组成，其中断路器的连接和断开分别代表变流器的并网状态和孤岛状态；

7、步骤3，给定检测频段x，根据等效电路得到该检测频段x内孤岛前等效阻抗和孤岛后等效阻抗的两组数据，并绘制孤岛前后两条等效阻抗幅频曲线，结合小波包变换频率分解规律，选取两条曲线重合前的频率范围为目标检测频段；

8、步骤4，在实际运行过程中连续采集未知运行状态下的并网点电压信号va和并网点电流信号ia；对目标检测频段对应的并网点电压信号va和并网点电流信号ia进行四层小波包分解，提取目标检测频段对应的等效阻抗信号za的小波包能量特征；

9、步骤5，根据步骤4得到的所述小波包能量特征计算目标检测频段对应的等效阻抗信号za的标准差，并以标准差作为孤岛判据，当标准差超过预设阈值时判定发生孤岛，否则判定系统处于并网运行状态。

10、优选地，步骤1所述变流器的输出功率和无功功率的计算式为：

11、

12、其中，为有功功率参考值，为无功功率参考值，和分别为变流器的有功下垂系数和无功下垂系数，和分别为变流器角频率及参考值，和分别为变流器输出电压及参考值，为本地负载的电阻值，为本地负载的电容值，为本地负载的电感值；

13、所述谐振频率的表达式为：

14、

15、其中，a为影响因子1，，b为影响因子2，，品质因数，f为系统运行频率。

16、优选地，步骤2所述等效电路的拓扑结构中，本地负载

z

l的一端接地，另一端接入并网点；变流器等效电压源

v

o的负极接地，正极串联变流器等效输出阻抗

z

o后接入并网点；电网等效电压源

v的负极接地，正极串联电网阻抗

z

g后接入并网点，断路器接在并网点和电网阻抗

z

g之间。

17、优选地，所述步骤3的实现过程如下；

18、给定检测频段x，并确定多个频率点；

19、步骤3.1，计算得到多个频率点对应的以下数据：孤岛前并网电流、孤岛前并网电压、孤岛后并网电流和孤岛后并网电压；

20、

21、

22、

23、

24、步骤3.2，计算得到多个频率点对应的孤岛前等效阻抗和孤岛后等效阻抗，表达式为：

25、

26、

27、通过以上计算得到孤岛前等效阻抗和孤岛后等效阻抗的两组数据；

28、步骤3.3，根据步骤3.2得到的两组数据，以频率为横轴，等效阻抗的幅值为纵轴，在平面坐标系内绘制出孤岛前幅频曲线和孤岛后幅频曲线，该两条曲线在中低频段存在差异且在高频段趋于重合，结合小波包变换频率分解规律，选取两条曲线重合前的频率范围为目标检测频段。

29、优选地，所述步骤4的实现过程为：

30、在变流器实际运行过程中，采集并网点电压信号va和并网点电流信号ia，并将并网点电压信号va和并网点电流信号ia的比值定义为等效阻抗信号za；

31、选取daubechies 4小波作为小波包变换的母小波，并将小波包分解层数设定为4层；对目标检测频段对应的等效阻抗信号za进行四层小波包分解，提取目标检测频段对应的等效阻抗信号za的小波包能量特征。

32、优选地，所述步骤5的实现过程如下：

33、基于步骤4提取的目标检测频段对应的等效阻抗信号za的小波包能量特征采用滑动时间窗口实时计算其标准差；

34、将实时计算得到的标准差与设定阈值进行比较：

35、当标准差发生突变并超过设定阈值时，判定系统进入孤岛运行状态，并输出孤岛保护动作信号；

36、当标准差未超过设定阈值时，判定系统仍处于正常并网运行状态。

37、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

38、1.本发明针对源荷匹配极端工况下的孤岛检测盲区开展深入研究，基于构网型变流器的下垂控制结构进行分析，推导出变流器输出功率和谐振频率的具体表达式，明确了影响检测盲区的核心因素，克服了传统被动式孤岛检测方法的检测盲区机理不明、无法预测的问题，显著提升了孤岛检测理论体系的严谨性。

39、2.本发明通过分别建立并网状态与孤岛运行状态下的等效电路模型，得到了并网点处孤岛前后的电压电流表达式，将电压与电流比值定义为并网点等效阻抗，绘制并对比并网点处等效阻抗的幅频曲线，通过观测并网点等效阻抗能够敏锐捕捉孤岛发生后因电网断开而引发的微弱频域特征，从孤岛本质出发挖掘出高检测精度的特征识别标准，为源荷匹配极端工况下的无盲区孤岛识别奠定了坚实的基础。

40、3.本发明创新性地引入小波包变换对并网点处的电压、电流信号进行多尺度时频域分析，采用daubechies 4母小波及四层分解结构，实现了对非平稳电气信号的精细化表征。通过对敏感频段的等效阻抗特征信息的提取与识别，能够高灵敏度地识别等效阻抗在孤岛前后的微弱变化，有效提高源荷高度匹配等极端工况下孤岛检测的准确性与可靠性。

41、4.本发明结合统计分析方法，以敏感频带小波包特征量的标准差作为孤岛状态的判别依据，并基于并网运行状态的孤岛运行状态的检测数据设定检测阈值，明确了孤岛检测的判别标准。该方法能够有效区分并网状态和孤岛状态，有效排除本地负载波动变化、背景谐波及电网电压扰动等因素引起的不利影响，在保证检测灵敏度的同时，显著提升了孤岛检测的准确度，提高了孤岛检测的鲁棒性。

42、5.本发明属于被动式孤岛检测技术，利用频域阻抗特征识别方法，在整个检测过程中无需向构网型变流器系统注入谐波、低频无功功率或相位扰动等额外激励信号，不会对变流器原有控制策略及电能质量产生不利影响。同时，避免了主动式检测方法因扰动注入而与构网型变流器下垂控制或虚拟同步控制产生控制耦合的风险，有利于保障新能源发电系统的稳定运行。

43、6.本发明所提出的孤岛检测策略控制逻辑简单、物理意义明确，仅依赖并网点现有的电压、电流采样信号即可完成检测，无需改变变流器主电路拓扑，也无需配置额外的通信或同步授时设备。在既有控制框架下即可实现快速、可靠的孤岛状态识别，具有较高的工程可实施性、通用性和推广应用价值。