楊彥會(huì)

（北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司，北京100176）

分布式發(fā)電反孤島保護(hù)檢測方法

楊彥會(huì)

（北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司，北京100176）

介紹了分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)孤島檢測的基本方法。根據(jù)孤島檢測的基本原理和分布式電源的類型進(jìn)行分類，從4個(gè)大方面（基于通信技術(shù)的檢測、本地檢測、逆變器內(nèi)無源檢測及新型孤島檢測）對(duì)孤島檢測方法進(jìn)行了闡述，對(duì)每一方面又根據(jù)其不同的檢測原理給出了若干具體的檢測方法。詳細(xì)闡述了各種檢測方法的理論依據(jù)和性能，并比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)每種檢測方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和效果進(jìn)行了論述，對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

分布式發(fā)電；并網(wǎng)系統(tǒng)；孤島運(yùn)行；孤島檢測

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來越大，分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）在電力系統(tǒng)中的作用越來越大。不同于常規(guī)的大容量的以化石燃料或核能作為一次能源的發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)（Distributed Generation System）是指功率為數(shù)千瓦至幾十兆瓦、與環(huán)境兼容的獨(dú)立電源系統(tǒng)，用以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特殊要求。它具有靈活的變負(fù)荷調(diào)峰性能，可為邊遠(yuǎn)用戶或商業(yè)區(qū)提供較高的供電可靠性，節(jié)省輸變電投資，適合于可再生能源的利用［1］。大部分DG系統(tǒng)采用風(fēng)能、太陽能或水能等綠色能源。分布式電源并網(wǎng)有助于改善電能質(zhì)量，減小線損，緩解輸配電容量并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，分布式電源的接入會(huì)不可避免地給電網(wǎng)運(yùn)行帶來一系列的難題，其中一個(gè)重要難題就是分布式發(fā)電的保護(hù)問題。

分布式電源接入配電網(wǎng)最重要的一點(diǎn)是改變原來配電網(wǎng)絡(luò)的潮流方向，使配電系統(tǒng)從單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p端或多端有源網(wǎng)絡(luò)。由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)是單電源放射狀結(jié)構(gòu)，其保護(hù)系統(tǒng)相對(duì)較為簡單。分布式電源的接入使配電系統(tǒng)中的潮流方向理論上可以是任意的，這樣，原先配電網(wǎng)的保護(hù)功能就不再適用。針對(duì)分布式發(fā)電對(duì)繼電保護(hù)的影響及應(yīng)采取的措施，一些學(xué)者給出了非常精辟的見解［2、3］。

當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)分布式發(fā)電保護(hù)問題的研究主要集中在以下三個(gè)方面：布式發(fā)電與原有配電網(wǎng)保護(hù)的配合問題；分布式發(fā)電對(duì)線路重合閘的影響；孤島檢測和保護(hù)問題［1、4、5］。本文主要研究分布式發(fā)電反孤島保護(hù)檢測方法。

當(dāng)帶部分負(fù)荷的DG與電力系統(tǒng)斷開時(shí)，DG將有可能繼續(xù)向孤立運(yùn)行的電力系統(tǒng)供電，形成的孤立系統(tǒng)即孤島。一般情況下，基于對(duì)設(shè)備、運(yùn)行人員的安全以及孤島系統(tǒng)中電能質(zhì)量等方面的考慮，應(yīng)該避免DG運(yùn)行在孤島狀態(tài)。因此，研究孤島檢測方法及保護(hù)措施，將孤島產(chǎn)生的危害降低到最小，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［6］。對(duì)孤島檢測的研究，最初是從并網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)的研究開始的［7］。隨著新能源并網(wǎng)情況的增多，特別是DG系統(tǒng)的出現(xiàn)，孤島發(fā)生的可能性及對(duì)系統(tǒng)和用戶的影響越來越大，對(duì)孤島檢測方法的研究成為了新的研究熱點(diǎn)。根據(jù)國內(nèi)外目前的研究情況，孤島檢測方法可分為被動(dòng)檢測法和主動(dòng)檢測法兩大類，同時(shí)，也有一些文獻(xiàn)提出了基于通訊的反孤島策略。下面將對(duì)這些方法進(jìn)行較為全面的論述。

2 分布式發(fā)電孤島問題

由于所用能源形式?jīng)Q定了分布式發(fā)電設(shè)備的發(fā)電規(guī)模較小，一般在幾十千瓦至一百兆瓦之間，其通常與配電網(wǎng)相連接，分散在負(fù)載附近。在許多國家分布式發(fā)電一般不經(jīng)中央調(diào)度。一個(gè)典型的包含分布式電源的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 包含分布式電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

正常運(yùn)行情況下，負(fù)載L由電網(wǎng)和分布式電源DG共同提供電能。由于線路故障等原因，斷路器CB2或CB3跳開，此時(shí)DG和負(fù)載L就構(gòu)成了一個(gè)孤島系統(tǒng)。在孤島系統(tǒng)中，DG脫離電網(wǎng)后以一定的電壓、頻率繼續(xù)運(yùn)行，獨(dú)立地給負(fù)載L供電，稱為孤島運(yùn)行。

如果配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在保證電力系統(tǒng)安全的前提下，盡可能地維持DG正常供電，而將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為若干個(gè)孤島自治運(yùn)行，將可以減小停電面積，提高供電的可靠性，這對(duì)電網(wǎng)公司、DG發(fā)電商和用戶都是有利的。

然而，由于跳閘等原因偶然形成的孤島運(yùn)行，又可稱之為非計(jì)劃孤島運(yùn)行。非計(jì)劃孤島運(yùn)行具有偶然性和不確定性，會(huì)對(duì)系統(tǒng)、用戶和DG本身帶來嚴(yán)重的影響［8］。

（1）當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)重合完成故障排除和電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，由于DG機(jī)組與電網(wǎng)的非同步運(yùn)行，可能造成DG機(jī)組與電網(wǎng)的非同步并列，從而對(duì)電網(wǎng)造成危害，同時(shí)也有可能損壞分布式發(fā)電設(shè)備。

（2）出現(xiàn)孤島現(xiàn)象時(shí)，DG與負(fù)載的功率不平衡，需要調(diào)節(jié)DG的輸出功率。當(dāng)負(fù)載功率大于DG的容量時(shí)還需要減小負(fù)荷。由于多數(shù)分布式發(fā)電設(shè)備的電壓和頻率調(diào)節(jié)能力有限，在孤島狀態(tài)下又沒有電網(wǎng)的支持，這種調(diào)節(jié)可能會(huì)損壞DG。同時(shí)，DG輸出的電壓和頻率值有可能超出規(guī)定的范圍，所提供的電能質(zhì)量得不到保障，可能會(huì)損壞用電設(shè)備。

（3）各種保護(hù)裝置通常是按照DG與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行來設(shè)計(jì)的，如果部分電網(wǎng)成為孤島狀態(tài)，發(fā)生再次故障時(shí)短路電流只由DG提供，故障水平降低，從而使某些繼電保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作。

（4）電網(wǎng)維護(hù)人員可能由于孤島運(yùn)行而誤接觸帶電導(dǎo)體從而發(fā)生觸電事故。

為了避免上述問題，國外現(xiàn)行的運(yùn)行規(guī)程一般要求DG配置反孤島保護(hù)（Anti－islanding Protection）以便快速、準(zhǔn)確地檢測出孤島狀態(tài)，一旦孤島現(xiàn)象發(fā)生就立即跳開DG與系統(tǒng)連接點(diǎn)的斷路器（如圖1中的CB1）。例如英國電力聯(lián)合會(huì)頒布的G59標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于容量小于5WM、接入電壓等級(jí)低于20kV的DG接入電網(wǎng)時(shí)規(guī)定“對(duì)于長期并網(wǎng)運(yùn)行的DG，大于150kVA的都需要配置反孤島保護(hù)”。2003年，IEEE頒布了P1547標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了DG接入主電網(wǎng)的基本技術(shù)要求，規(guī)定在非計(jì)劃孤島形成2s內(nèi)反孤島保護(hù)要?jiǎng)幼鳎G從系統(tǒng)中切除。

在實(shí)際運(yùn)行中，感應(yīng)式發(fā)電機(jī)（如感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備）需要從系統(tǒng)中吸收無功功率，失去電網(wǎng)支持后就不能發(fā)電，不存在孤島運(yùn)行的可能。因而反孤島保護(hù)主要用于同步發(fā)電機(jī)和基于逆變器的發(fā)電設(shè)備。其中基于逆變器接口的分布式發(fā)電設(shè)備（如光伏電池）一般在逆變器中設(shè)置集成的保護(hù)功能，反孤島保護(hù)也是主要由其逆變器內(nèi)部的控制系統(tǒng)來完成，無需另外設(shè)置反孤島保護(hù)，而同步發(fā)電機(jī)則需要安裝專門的反孤島保護(hù)裝置。

3 孤島檢測方法

3.1 基于通信的孤島檢測方法

基于通信的孤島檢測是依靠無線電通訊傳輸孤島狀態(tài)信號(hào)［9、10］，其孤島檢測性能通常與分布式發(fā)電機(jī)的類型無關(guān)，它并不需要測量系統(tǒng)中的任何電氣量參數(shù)，而是直接通過檢測系統(tǒng)中所有相關(guān)的線路斷路器和重合閘裝置來判斷孤島形成與否。該方法可采用傳輸斷路器跳閘信號(hào)或電力線路載波通信等。

3.1.1 傳輸斷路器跳閘信號(hào)

傳輸斷路器跳閘信號(hào)檢測孤島的方法是監(jiān)控所有DG與電網(wǎng)之間的斷路器和自動(dòng)重合閘的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有開關(guān)操作使變電站母線斷路，即通過中央處理算法確定孤島范圍，跳開分布式發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間的斷路器。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定、自動(dòng)重合閘數(shù)量有限的變電站，每個(gè)監(jiān)控端（自動(dòng)重合閘）的信號(hào)可以直接送給DG，避免采用中央處理算法。該方法的主要缺點(diǎn)是對(duì)于多重網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰?個(gè)中央處理算法；當(dāng)自動(dòng)重合閘和配電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)算算法需要依據(jù)最新的配電網(wǎng)拓?fù)湫畔?；另外，該方法還需要有通信支持，對(duì)于無線電和電話線不能覆蓋的DG系統(tǒng)而言，若采用此方法費(fèi)用將會(huì)非常高。

3.1.2 電力線路載波通信

電力線路載波通信的孤島檢測方法采用輸電線傳輸信號(hào)。該方法采用連接在變電站母線二次側(cè)的信號(hào)發(fā)生器不斷地給所有的配電線路發(fā)送信號(hào)，每個(gè)DG設(shè)備都裝設(shè)信號(hào)探測器，如果探測器沒有檢測到該信號(hào)，則說明變電站和該DG設(shè)備之間的任何一個(gè)斷路器都可能跳閘，則DG處于孤島狀態(tài)。該方法的原理圖如圖2所示，其主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)配電網(wǎng)中的分布式電源密度增加時(shí)不需增加信號(hào)發(fā)生器，而且信號(hào)探測器只需檢測信號(hào)的連續(xù)性，因此非?？煽?。另外，該方法不用考慮配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。該方法的主要缺點(diǎn)是信號(hào)發(fā)生器為中壓設(shè)備，需要通過1個(gè)降壓變壓器連接在變電站，如果只有1臺(tái)或2臺(tái)DG使用這個(gè)設(shè)備，則花費(fèi)是不合理的，且信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的孤島檢測信號(hào)還可能干擾其他電力線路的載波通信。

圖2 電力線路載波通信孤島檢測原理圖

3.1.3 連鎖跳閘方案

文獻(xiàn)［11］提出了連鎖跳閘方案，其基本思想是監(jiān)控電路中所有可能導(dǎo)致孤島形成的斷路器或自動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)動(dòng)作并導(dǎo)致分布式發(fā)電系統(tǒng)中變電站分離時(shí)，中央控制單元將確定孤島地帶，并立即發(fā)送信號(hào)中止孤島區(qū)域內(nèi)分布式發(fā)電裝置的運(yùn)行。連鎖跳閘方案對(duì)有著固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的饋電線來說十分有效，它允許電網(wǎng)對(duì)分布式發(fā)電裝置的附加控制，增加了分布式發(fā)電裝置與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)，并且在故障清除后，還可以用一個(gè)中央控制單元提供分布式發(fā)電裝置的重連信號(hào)，但其成本高，執(zhí)行復(fù)雜。

3.2 孤島的本地檢測

孤島的本地檢測方法一般檢測DG的輸出電壓和電流的信號(hào)，該方法可分為2種子類型：其中被動(dòng)式孤島檢測方法是根據(jù)所測量的電壓和電流的信號(hào)判斷孤島是否發(fā)生，亦稱為無源孤島檢測方法；主動(dòng)式孤島檢測方法是向供電系統(tǒng)中注入擾動(dòng)信號(hào)，通過測量其響應(yīng)情況來判斷孤島是否發(fā)生，亦稱為有源孤島檢測方法。

3.2.1 被動(dòng)式孤島檢測方法

被動(dòng)式孤島檢測方法是通過被動(dòng)地測量和監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)來偵測孤島現(xiàn)象，通常是在系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)（PPC）檢測電壓、頻率、諧波失真等參數(shù)，當(dāng)孤島運(yùn)行發(fā)生時(shí)，這些參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化。被動(dòng)檢測法又可以被分為頻率及頻率變化率法、相位偏移法、電壓幅值檢測法等，下面對(duì)各種被動(dòng)孤島檢測方法逐一進(jìn)行簡要介紹。

（1）頻率及頻率變化率法（Rate of Change of Frequency，ROCOF）

當(dāng)DG與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其頻率基本恒定。當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，由于DG與負(fù)荷的不匹配，會(huì)引起頻率發(fā)生變化。因此，可以根據(jù)頻率的變化來判斷DG是否處于孤島狀態(tài)。頻率法是直接測量DG端電壓的頻率，而頻率變化率法是測量DG端電壓頻率的變化率df／dt來檢測孤島狀態(tài)。利用df／dt能更好地檢測出孤島狀態(tài)，其原理為：在孤島形成時(shí)刻，孤島內(nèi)部由于功率供求不平衡會(huì)造成系統(tǒng)頻率突變，而頻率的變化率是關(guān)于孤島內(nèi)部有功功率供求差值的函數(shù)。當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，頻率變化率繼電器ROCOF動(dòng)作：頻率的變化率超過設(shè)定值；持續(xù)時(shí)間超過延時(shí)繼電器的設(shè)定值。

圖3裝有ROCOF繼電器的系統(tǒng)等值電路

圖3為安裝有ROCOF繼電器的分布式發(fā)電系統(tǒng)的等值電路，正常情況下負(fù)載L由DG和公共電網(wǎng)共同提供電能。若斷路器CB2跳開形成孤島，則負(fù)載L完全由DG提供電能，這一瞬間DG輸出的功率與負(fù)載L的功率不平衡，從而引起頻率變化。若忽略無功功率，頻率的變化率可用下式表示：

其中，fN為系統(tǒng)的額定頻率，H是DG的慣性系數(shù)，PDGN為DG的額定容量，PDG為形成孤島瞬間DG的輸出功率。

當(dāng)測得的頻率變化率大于某一定值時(shí)就可以認(rèn)為系統(tǒng)中有孤島形成，這種孤島檢測方法的原理簡單且容易實(shí)現(xiàn)，但是其測量的準(zhǔn)確度受孤島內(nèi)功率供給的不平衡程度影響較大，當(dāng)不平衡程度低時(shí)存在檢測盲區(qū)，而當(dāng)微電網(wǎng)中有大功率用電負(fù)荷投切時(shí)又有誤動(dòng)作的可能性，因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須添加輔助判據(jù)以保證孤島檢測的準(zhǔn)確性。

（2）相位偏移法（Vector Shift，VS）

圖4 裝有VS繼電器的系統(tǒng)等值電路

相位偏移法就是通過測量DG機(jī)端電壓相位角的變化來檢測孤島［12－14］。圖4為安裝有VS繼電器的分布式發(fā)電系統(tǒng)的等值電路。在圖4中，如果斷路器CB2跳開形成孤島，由于DG所帶負(fù)載功率的突然增加（或減少），DG端電壓U˙和電動(dòng)勢E˙之間的相位差δ會(huì)發(fā)生變化，端電壓U˙將跳變到一個(gè)新的值，其相位也隨之改變，如圖5所示。端電壓的這種變化稱之為相位偏移，電壓矢量轉(zhuǎn)移法就是基于這一特性的。相位偏移繼電器不間斷地檢測端電壓U˙的相位變化值Δθ，如果Δθ大于VS繼電器設(shè)定的閾值α，則判定為發(fā)生孤島。通常VS繼電器的動(dòng)作角度在60°～120°之間。

圖5 端電壓相位變化曲線

（3）電壓幅值檢測法

除了頻率和相位，還可將DG的端電壓幅值作為判別量用于孤島檢測。孤島發(fā)生時(shí)，由于DG與負(fù)載之間無功功率的不匹配，使DG的端電壓幅值發(fā)生變化，根據(jù)電壓幅值的變化或者電壓幅值的變化率可以判斷DG是否處于孤島狀態(tài)。由于電壓幅值的變化比頻率變化快，因而該方法可以用于頻率法無法鑒別的情況。另外，由于電壓繼電器常用于其它的保護(hù)，如過電壓保護(hù)等，因而利用電壓繼電器來進(jìn)行孤島鑒別不需要額外的投資。不過考慮到在其它情況下也會(huì)引起電壓幅值的變化，故該方法不能單獨(dú)使用，只可作為輔助判據(jù)。

（4）其他新型被動(dòng)式孤島檢測方法

為解決實(shí)際應(yīng)用中相位偏移法存在的靈敏度和檢測死區(qū)的問題，文獻(xiàn)［15］提出了一種新的檢測判據(jù)，綜合應(yīng)用了頻率檢測法和相位偏移法。

相位偏移角Δθ是頻率變化Δf所引起的累積值，其大小由頻率變化的大小和變化所持續(xù)的時(shí)間兩個(gè)因素所決定，它們之間的關(guān)系為：

其中，fDG為孤島系統(tǒng)的頻率，f0為孤島發(fā)生前系統(tǒng)的頻率，Δt為孤島檢測裝置的檢測時(shí)間。

可以看出，式（2）與傳統(tǒng)相位偏移法最大的不同是其并沒有在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)相位偏移角進(jìn)行計(jì)算，而是計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的累積值，這樣即使發(fā)生很小的頻率波動(dòng)，只要孤島檢測時(shí)間設(shè)定得足夠長，由式（2）計(jì)算所得的相位偏移角Δθ也是相當(dāng)可觀的。因此，只要選擇合適的門檻值，就能很容易地檢測出孤島狀態(tài)。但如果門檻值選擇得較小，就會(huì)出現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生一些擾動(dòng)（如負(fù)荷波動(dòng)）導(dǎo)致裝置發(fā)生誤判；而如果選用較大的門檻值，則又會(huì)出現(xiàn)較大的檢測死區(qū)。由實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，即使當(dāng)DG與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)因擾動(dòng)而引起的相位偏移角等于當(dāng)DG出力與負(fù)荷功率差值較小時(shí)發(fā)生在孤島情況下的相位偏移角，它們相應(yīng)的頻率變化的最大值也是不同的。對(duì)于前一種情況，由于電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，其頻率變化的持續(xù)時(shí)間較小，相應(yīng)的頻率變化最大值較大；而對(duì)后一種情況，由于DG自身的頻率調(diào)節(jié)能力相對(duì)較弱，其頻率調(diào)節(jié)持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長，相同的相位偏移所對(duì)應(yīng)的頻率變化的最大值也較小。即在孤島與非孤島狀態(tài)下，相同的相位偏移量對(duì)應(yīng)的頻率變化的最大值相差較大，可以用圖6來表示。鑒于此，引入頻率變化量Δf這一輔助檢測量，從而在保證檢測裝置高靈敏度的前提下，提高裝置的可靠性。

圖6 擾動(dòng)時(shí)相位偏移與頻率變化的關(guān)系

傳統(tǒng)的被動(dòng)式孤島檢測方法根據(jù)電量的變化來判斷孤島的發(fā)生，但是當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率匹配時(shí)，即使發(fā)生孤島效應(yīng)，輸出電壓或頻率的變化很小，保護(hù)電路會(huì)因電壓和頻率未超出正常范圍而檢測不到孤島的發(fā)生。文獻(xiàn)［16］設(shè)置了一個(gè)新的檢測指標(biāo)Δf／ΔPL，通過將其計(jì)算值與所給的門檻值相比較來判定是否發(fā)生孤島現(xiàn)象。

圖7 分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

如圖7所示是分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，將分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)1和2，以ΔP1和ΔP2分別代表子系統(tǒng)1和2的功率的變化，Δf1和Δf2分別代表子系統(tǒng)1和2的頻率的變化。當(dāng)子系統(tǒng)2中負(fù)載突然變化時(shí)，假設(shè)此時(shí)負(fù)載功率變化為ΔPL，子系統(tǒng)1到2的功率變化為ΔP，忽略分布式發(fā)電系統(tǒng)功率的變化，可得：

當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)正常并網(wǎng)工作時(shí)，子系統(tǒng)1和2的頻率變化相同，則有：

式（5）可轉(zhuǎn)化為：

由于ΔP／Δf正比于其子發(fā)電系統(tǒng)容量，而子系統(tǒng)1包含電網(wǎng)，所以ΔP1／Δf1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ΔP2／Δf2，則式（6）可轉(zhuǎn)化為：

當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)，子系統(tǒng)1和2各自獨(dú)立，負(fù)載功率的變化即為子系統(tǒng)2的功率變化，即：

故孤島效應(yīng)發(fā)生后，有：

由于Δf1／ΔP1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Δf2／ΔP2，故當(dāng)發(fā)生孤島效應(yīng)時(shí)，盡管子系統(tǒng)2中的ΔPL可能會(huì)較小，但Δf／ΔPL在孤島效應(yīng)發(fā)生前后的變化卻很大，因此應(yīng)用Δf／ΔPL來判斷孤島效應(yīng)靈敏度高。

以上是關(guān)于反孤島保護(hù)被動(dòng)檢測法的相關(guān)介紹。被動(dòng)檢測法在檢測過程中不會(huì)向系統(tǒng)加入有源元件，對(duì)系統(tǒng)影響小，但是方法本身受孤島內(nèi)部功率不平衡量的影響較大，當(dāng)孤島內(nèi)部功率供給基本匹配時(shí)存在檢測盲區(qū)。不過一些致力于提高被動(dòng)檢測法靈敏度的研究工作正在開展，如文獻(xiàn)［15］和［16］就是研究解決這個(gè)問題。

3.2.2 主動(dòng)檢測法

主動(dòng)檢測法通常會(huì)在DG的控制信號(hào)中加入一個(gè)較小的電壓、電流或者相位擾動(dòng)信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，DG相當(dāng)于連接在無窮大的系統(tǒng)上，此擾動(dòng)信號(hào)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)供電造成太大影響。當(dāng)形成孤島之后，擾動(dòng)信號(hào)的效果就會(huì)明顯加強(qiáng)，因此通過檢測公共耦合點(diǎn)（PCC）處的系統(tǒng)響應(yīng)，就可以判斷系統(tǒng)中是否出現(xiàn)孤島現(xiàn)象。

目前配電網(wǎng)中應(yīng)用的DG大多采用逆變電源，其在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器工作在電流控制方式下，其輸出電流可以表示為：

式（10）中的三個(gè)變量（電流幅值Im、角頻率ω、電流與公共耦合點(diǎn)電壓之間的相量夾角φ）都可以作為主動(dòng)法中的擾動(dòng)信號(hào)。因此，根據(jù)選擇擾動(dòng)變量的不同可將主動(dòng)檢測法分為三類：幅值偏移檢測法（阻抗測量法）、頻率偏移法和相位偏移法。在工程實(shí)際中，較常用的有幅值偏移檢測法、阻抗測量法和無功差值輸出檢測法等，下面分別介紹這些方法。

（1）幅值偏移檢測法

幅值偏移檢測法是通過改變DG的端電壓，測量其輸出的無功來檢測孤島是否存在［17］。由于DG孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的阻抗相差很大，因此孤島運(yùn)行時(shí)端電壓的改變將引起無功功率的顯著變化。實(shí)現(xiàn)時(shí)只需改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。該方法比無源孤島檢測方法復(fù)雜，并且還可能造成某些負(fù)面影響，如電能質(zhì)量變差和轉(zhuǎn)子振動(dòng)等。

（2）阻抗測量法

當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)端的等效阻抗很小，而當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)等效阻抗很大，故通過檢測電阻的變化就能檢測出系統(tǒng)是否處于孤島狀態(tài)［18］。阻抗測量法的原理圖如圖8所示。由于等效阻抗相差很大，所以不需要對(duì)阻抗值進(jìn)行精確測量。孤島運(yùn)行時(shí)，功率不平衡大小不會(huì)影響孤島檢測。

圖8 阻抗測量法的原理圖

采用該方法仍有一些不足之處：首先，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)分布式發(fā)電機(jī)時(shí)，注入的各干擾信號(hào)可能相互沖突，從而影響阻抗的測量；其次，檢測成本也是一個(gè)需要考慮的因素，因?yàn)樵摲椒ㄐ枰诿總€(gè)分布式發(fā)電機(jī)側(cè)安裝一個(gè)專用的干擾信號(hào)發(fā)生器；最后，某些負(fù)荷的頻率響應(yīng)可能正好將此干擾信號(hào)濾除掉，而不能產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和電流響應(yīng)。

（3）無功差值輸出檢測法

這種方法的原理是利用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置（AVR）。當(dāng)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的無功供求是穩(wěn)定的，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)設(shè)備不動(dòng)作；一旦有孤島形成，孤島內(nèi)部的無功供求將發(fā)生變化，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置將動(dòng)作，以保證無功功率的供求平衡。因此，我們可以通過繼電器感應(yīng)AVR上的無功變化，當(dāng)超過一定限度時(shí)就判定為孤島形成。當(dāng)孤島形成后，有可能島內(nèi)的負(fù)荷變化不大，在這種情況下，用一般的檢測方法無法判定孤島形成，但是用無功差值輸出檢測法就能很好地判定孤島是否存在。

這種方法的缺點(diǎn)在于其動(dòng)作速度非常慢（因受繼電器動(dòng)作時(shí)間的影響），通常需要2～5s，很難達(dá)到時(shí)效性的要求。因此，這種方法常作為其它檢測方法的后備方案并與其配合使用。

（4）其它主動(dòng)式孤島檢測法

文獻(xiàn)［19］提出使分布式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一定大小的無功潮流，此無功潮流在DG與電網(wǎng)連接時(shí)能正常流動(dòng)，一旦DG與電網(wǎng)斷開，無功潮流將無法正常流動(dòng)，據(jù)此可判斷是否發(fā)生了孤島現(xiàn)象。

文獻(xiàn)［20］采用Point－on－wave開關(guān)晶閘管在電網(wǎng)特定位置測量故障水平，系統(tǒng)阻抗和故障水平可以通過快速計(jì)算得到，其缺點(diǎn)是接近零點(diǎn)時(shí)電壓波形會(huì)產(chǎn)生輕微的失真。

文獻(xiàn)［21］針對(duì)現(xiàn)有孤島檢測中的“檢測盲點(diǎn)”，提出一種用無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行孤島檢測的方法。文中通過dq變換實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流和無功電流的分離，利用直流側(cè)實(shí)測電壓和直流側(cè)參考電壓的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后作為有功電流分量的參考值。通過檢測負(fù)載電流的無功分量，將其作為逆變器補(bǔ)償無功電流的參考值，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和無功補(bǔ)償?shù)耐娇刂?。文中逆變器系統(tǒng)只提供部分無功補(bǔ)償電流，其余部分仍由電網(wǎng)提供，這樣會(huì)保證在形成孤島后，逆變器輸出的無功功率與負(fù)載需求不一致，最后導(dǎo)致電壓幅值和頻率超過限定值，這便于孤島的檢測。

以上介紹了一些常用的主動(dòng)式孤島檢測方法，主動(dòng)檢測向系統(tǒng)施加外部干擾，即使是功率完全平衡的孤島，也可以通過主動(dòng)干擾來破壞功率平衡，以便可靠進(jìn)行孤島檢測。但外部干擾會(huì)影響供電質(zhì)量，檢測時(shí)間也比被動(dòng)檢測長。當(dāng)系統(tǒng)中包含多個(gè)DG時(shí)，各電源主動(dòng)檢測裝置發(fā)出的干擾信號(hào)可能互相影響，這會(huì)降低檢測效果。

3.3 逆變器內(nèi)無源檢測方法

該檢測方法和同步發(fā)電機(jī)的本地?zé)o源檢測方法相似，通過監(jiān)控逆變器輸出端電壓、頻率和相位等參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)。其主要的檢測方法有過／欠電壓和高／低頻率孤島檢測法、電壓相位突變孤島檢測法（PJD）和電壓諧波孤島檢測法等。

（1）過／欠電壓（OVP／UVP）和高／低頻率（OFP／UFP）孤島檢測方法［22］

當(dāng)基于逆變器的DG處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，若逆變器的輸出功率（有功和／或無功）和本地負(fù)荷功率不平衡，則電壓和／或頻率就會(huì)產(chǎn)生偏移。如果電壓和／或頻率偏移達(dá)到孤島檢測設(shè)定閾值，則可檢測到孤島發(fā)生。許多有源孤島檢測方法也采用使逆變器的輸出電壓或頻率在孤島狀態(tài)下偏離到設(shè)定的閾值，從而通過OVP／UVP或OFP／UFP檢測孤島是否發(fā)生。然而，當(dāng)逆變器所帶的本地負(fù)荷與其輸出功率接近于匹配時(shí)，電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在檢測盲區(qū)（NDZ）。

逆變器的輸出功率（P，Q）和本地負(fù)荷（P＋ΔP，Q＋ΔQ）間的有功不平衡功率（ΔP）、無功不平衡功率（ΔQ）和NDZ的大小將取決于逆變器的控制方法。若逆變器的輸出功率恒定且為單位功率因數(shù)，則NDZ的大小可以通過下式計(jì)算得到［23］：

式中，Vmax、Vmin、fmax、fmin分別為電壓和頻率偏高／偏低的設(shè)定值，Qf為本地負(fù)荷的品質(zhì)因數(shù)。如果負(fù)荷采用并聯(lián)RLC電路建模，則品質(zhì)因數(shù)為：

這種方法的經(jīng)濟(jì)性比較好，但由于此檢測方法的非檢測區(qū)比較大［24］，所以單獨(dú)使用OVP／UVP和OFP／UFP孤島檢測保護(hù)是不夠的。

（2）電壓相位突變檢測法（PJD）

相位突變檢測是檢測逆變器輸出端電壓和輸出電流之間相位是否發(fā)生突變［25］，若突變超過設(shè)定閾值，則說明檢測到孤島。正常工作時(shí)，電流源型逆變器檢測電壓過零點(diǎn)，使輸出電流波形（通常由鎖相環(huán)來完成）與系統(tǒng)電壓同步。電壓源型逆變器則正好相反。如圖9所示，對(duì)于電流源型逆變器而言，當(dāng)與系統(tǒng)斷開后，逆變器輸出端的電壓不再被系統(tǒng)電壓所固定，而逆變器輸出的電流由于鎖相環(huán)（PLL）的作用是固定的，只有在過零點(diǎn)時(shí)輸出的電流和端電壓是同步的。在過零點(diǎn)之間，逆變器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于電流頻率沒有發(fā)生變化，負(fù)載相位必然與系統(tǒng)斷開前相同，因此電壓必須跳到新的相位。在下一個(gè)過零點(diǎn)之前，“新”電壓和逆變器輸出電流之間的相位差即可用來檢測孤島。此方法的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，只需要檢測逆變器輸出電流和端電壓的相位誤差即可，若超過閾值則關(guān)斷逆變器，這樣既不影響電能質(zhì)量也不影響系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，而且對(duì)于含多臺(tái)逆變器的DG系統(tǒng)來說，孤島檢測的效果也不會(huì)減弱。其缺點(diǎn)是可編程邏輯器件（PJD）很難提供可靠的孤島檢測閾值，閾值過低將會(huì)導(dǎo)致逆變器誤動(dòng)作。

圖9 相位突變檢測原理

（3）電壓諧波檢測法

電壓諧波孤島檢測方法是監(jiān)控逆變器輸出端電壓總的諧波畸變（THD），如果THD超過設(shè)定的閾值，則可檢測到孤島發(fā)生。逆變器輸出電流中總是包含一定的諧波信號(hào)。當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)為低阻抗的電壓源，逆變器端電壓諧波畸變很低，THD≈0。而當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)，逆變器內(nèi)阻抗增大，輸出的諧波電流將使端電壓的電壓諧波增大［26］。另外，孤島中的非線性負(fù)荷，尤其是配電變壓器，將通過逆變器輸出電流勵(lì)磁，這些非線性負(fù)荷的電壓響應(yīng)在電流諧波激勵(lì)作用下出現(xiàn)高度失真，通常為三次諧波。該方法的優(yōu)點(diǎn)是孤島檢測的范圍寬，在多臺(tái)逆變器情況下的檢測效果基本不變。其缺點(diǎn)是在不引起逆變器誤動(dòng)作的前提下，很難確定動(dòng)作閾值。如果出現(xiàn)孤島中負(fù)荷具有很強(qiáng)的低通特性、孤島系統(tǒng)中不包含配電變壓器、或非線性負(fù)荷需要其輸入諧波電流與逆變器輸出電流匹配等情況時(shí)，該方法可能失效。

3.4 反孤島保護(hù)的其它檢測方法

3.4.1 主被動(dòng)相結(jié)合的檢測方法

上面介紹了一些反孤島保護(hù)的檢測方法，這些方法或多或少都有一些缺點(diǎn)。被動(dòng)式孤島檢測方法檢測盲區(qū)大。主動(dòng)式孤島檢測方法檢測盲區(qū)雖小，但會(huì)對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量有影響，同時(shí)，主動(dòng)式孤島檢測方法較復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。由此可以看出，單純采用一種檢測方法并不能取得滿意的效果。

文獻(xiàn)［27］提出了一種主被動(dòng)相結(jié)合的檢測方法。文中利用過壓欠壓檢測、相位突變檢測和AFD檢測（周期性地改變輸出并網(wǎng)電流頻率以實(shí)現(xiàn)反孤島效應(yīng)的功能）相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)檢測。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和負(fù)載功率不匹配時(shí)，利用過壓欠壓檢測就可以檢測孤島效應(yīng)的發(fā)生情況。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率基本匹配但負(fù)載呈非線性時(shí)，可以采用相位突變的方法來檢測孤島效應(yīng)的發(fā)生情況。當(dāng)負(fù)載近似呈阻性且分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和負(fù)載功率匹配時(shí)，前兩種被動(dòng)式孤島檢測方法均失效，此時(shí)即可用AFD方法檢測。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)孤島效應(yīng)的無盲區(qū)檢測，這種檢測方法對(duì)電能質(zhì)量影響小，檢測簡單方便，不會(huì)增加系統(tǒng)成本，適合工程實(shí)現(xiàn)。

3.4.2 基于混沌理論的孤島檢測方法

主動(dòng)式檢測方法由于輸出諧波較大或控制算法過于復(fù)雜而在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)式檢測方法雖然檢測盲區(qū)大，但它原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電能質(zhì)量無影響。

為了彌補(bǔ)被動(dòng)式檢測方法中檢測盲區(qū)過大這個(gè)缺點(diǎn)，文獻(xiàn)［28］采用了混沌檢測系統(tǒng)，其檢測精度可達(dá)到百萬分之一。文中在過／欠電壓孤島檢測方法的基礎(chǔ)上，首先將周期性正弦電壓信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，然后采用混沌系統(tǒng)進(jìn)行檢測：

式中，取h＝0.725524，這樣，只要被檢測的電壓信號(hào)幅值超過并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓的限值，系統(tǒng)就會(huì)由臨界混沌狀態(tài)進(jìn)入大尺度周期狀態(tài)，或從大尺度周期狀態(tài)進(jìn)入臨界混沌狀態(tài)，從而可通過混沌系統(tǒng)相圖判斷并網(wǎng)系統(tǒng)是否進(jìn)入孤島狀態(tài)。

3.4.3 基于PMU的孤島檢測方法

在前面介紹的一系列孤島檢測方法中，相比較而言，被動(dòng)檢測法中的相量突變量檢測法可以很好地消除檢測盲區(qū)，又不需要追加太大的投資，檢測過程中對(duì)微電網(wǎng)的正常運(yùn)行也沒有影響，是一種較為理想的孤島檢測方案。由于在其判定的過程中需要從線路不同點(diǎn)采集線路的電壓信號(hào)進(jìn)行相量計(jì)算，為了保證判定的精確性，必須保證用于計(jì)算的不同點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)嚴(yán)格取自同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，因此將PMU引入控制系統(tǒng)，以PMU提供的實(shí)時(shí)同步電壓向量為基礎(chǔ)就可以保證較精確的孤島檢測效果。

文獻(xiàn)［29］介紹了基于PMU的孤島檢測方法。針對(duì)當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)部有大功率用電設(shè)備投切或者當(dāng)配電網(wǎng)外部發(fā)生故障時(shí)，距系統(tǒng)側(cè)斷路器電氣距離較遠(yuǎn)的DG可能發(fā)生誤動(dòng)作的情況，文中提出了以下兩個(gè)措施：借鑒基于通訊量的孤島檢測方案，在每個(gè)DG接入點(diǎn)左右兩側(cè)都加裝PMU設(shè)備；引入輔助判據(jù)，如電壓突變量等。此外，文獻(xiàn)中對(duì)用于孤島檢測的PMU算法進(jìn)行了改進(jìn)，將采樣頻率根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際頻率同步變化。最后，文獻(xiàn)中指出了基于PMU的孤島檢測方法仍然存在的一些問題，如PMU的暫態(tài)特性較差等。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了分布式發(fā)電系統(tǒng)中孤島檢測的主要方法，并根據(jù)孤島檢測的基本原理和安裝地點(diǎn)不同進(jìn)行了分類介紹；詳細(xì)分析了基于通信的孤島檢測方法、被動(dòng)式本地孤島檢測方法、主動(dòng)式本地孤島檢測方法、基于逆變器的分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法和一些新型的孤島檢測方法及其基本原理；并比較說明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和其非檢測區(qū)的大小。綜合考慮孤島檢測的性能以及對(duì)電能質(zhì)量的影響，主被動(dòng)相結(jié)合的孤島檢測方法以及基于混沌理論的孤島檢測方法將是未來發(fā)展的一個(gè)新方向。

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Detection method for distributed generation anti－islanding protection

YANG Yan－h(huán)ui
（Beijing Etechwin Electric Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

The basic method of island detection for distributed generation system is introduced.According to the basic principle of islanding detection and the type of distributed generator，the island detection method is described from four aspects，which are based on communication technology，local detection，passive detection in inverter and new island detection.Each aspect is divided into a number of specific testing methods according to the different detection principles.The theoretical basis and performance of various detection methods are expounded in detail，and the advantages and disadvantages of each detection method are compared，and the feasibility and effect of each detection method in practical application are discussed.The developing prospect of the distributed island detection system is also given.

distributed power generation；grid－connected system；islanding operation；islanding detection

TM61；TP273

：A

1005—7277（2017）01—0034—10

楊彥會(huì)（1977－），男，河北保定人，工程師，高級(jí)技師，主要從事智能微電網(wǎng)工程的應(yīng)用設(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制的分析和研究工作。

2016－10－02