王猛 李夢(mèng)達(dá)

摘要：對(duì)目前光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中主流的本地孤島檢測(cè)法相關(guān)原理進(jìn)行了介紹，總結(jié)了主動(dòng)式和被動(dòng)式檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了混合式檢測(cè)法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)該基于實(shí)際的工況，合理選擇至少一種方法用于孤島檢測(cè)，其中將主、被動(dòng)兩種或以上不同原理的方法按照一定方法組合使用，檢出率更高，對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)更小。

Abstract： The relevant principles of local island detection in the current photovoltaic grid-connected system are introduced. The advantages and disadvantages of active and passive detection methods are summarized. On this basis， a hybrid detection method is proposed.In practical engineering applications， at least one method should be reasonably selected for island detection based on actual working conditions， in which two or more methods with different principles of active and passive should be combined in accordance with certain methods to achieve higher detection rate and less disturbance to power grid.

關(guān)鍵詞：孤島檢測(cè);光伏并網(wǎng)系統(tǒng);逆變器;檢測(cè)盲區(qū)

Key words： island detection;photovoltaic grid-connected system;inverter;detection blind area

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712???????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0219-02

0? 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)（Distributed Generation）的不斷發(fā)展，其在電網(wǎng)中所占比例也在不斷提高。孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，DG系統(tǒng)繼續(xù)向負(fù)載供電形成了自給供電的孤島。非計(jì)劃孤島會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一系列嚴(yán)重的問(wèn)題，因此如何在DG系統(tǒng)中將孤島識(shí)別出來(lái)成為了關(guān)鍵。

孤島檢測(cè)的主流方法根據(jù)其是否向電網(wǎng)中注入擾動(dòng)可以分為主動(dòng)式檢測(cè)法和被動(dòng)式檢測(cè)法兩大類(lèi)。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文在分析其原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該方法在近年來(lái)的一些新進(jìn)展，以供參考。

1? 孤島檢測(cè)方法

目前本地孤島檢測(cè)方法主要有主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式三大類(lèi)，其中混合式檢測(cè)法主要是由主動(dòng)式和被動(dòng)式至少各一種組合而成。

1.1 主動(dòng)式檢測(cè)法

主動(dòng)式檢測(cè)法主要通過(guò)向逆變器中注入電流、頻率、相位等擾動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于擾動(dòng)持續(xù)注入，PCC點(diǎn)電壓、頻率持續(xù)偏移直至超出閾值被檢測(cè)出來(lái)。下面是當(dāng)前在工程中應(yīng)用最為廣泛的兩類(lèi)主動(dòng)檢測(cè)法：

1.1.1 阻抗測(cè)量法

它通過(guò)測(cè)量電流幅值變動(dòng)后PCC點(diǎn)電壓與逆變器輸出電流變化量的比值（即dUa/dI）來(lái)判斷孤島發(fā)生：首先通過(guò)逆變器向電網(wǎng)中注入擾動(dòng)電流，正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)阻抗很小，由此產(chǎn)生的電壓改變也很小;一旦電網(wǎng)斷開(kāi)，負(fù)載阻抗較大，則Ua會(huì)發(fā)生明顯的變化，在超出閾值后觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)盲區(qū)（Non-detection Zone，NDZ）較小，檢測(cè)量在并網(wǎng)前后相差大。缺點(diǎn)是多逆變器并聯(lián)時(shí)，由于稀釋效應(yīng)，NDZ增大。

文獻(xiàn)[1]通過(guò)在分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)接入信號(hào)發(fā)生裝置來(lái)判斷系統(tǒng)阻抗的變化進(jìn)行孤島檢測(cè)。引入的高頻小電壓信號(hào)來(lái)主動(dòng)判斷系統(tǒng)阻抗變化，無(wú)檢測(cè)盲區(qū);并且在時(shí)頻上將此信號(hào)隔離，不對(duì)原有工頻網(wǎng)絡(luò)造成影響。文獻(xiàn)[2]在電流參考相位中加入一個(gè)幅值很小的二倍頻擾動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)量網(wǎng)側(cè)阻抗，可用于多臺(tái)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的檢測(cè)。

這里值得一提的是近年來(lái)有學(xué)者將阻抗法進(jìn)行改進(jìn)，由于并網(wǎng)點(diǎn)的阻抗變化是在瞬間完成的，而PCC點(diǎn)電壓、頻率和逆變器輸出電流等電氣量的變化則需要一定時(shí)間，因此能夠通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)等值阻抗變化來(lái)快速準(zhǔn)確地推算出孤島。文獻(xiàn)[3]利用突變量求取并網(wǎng)點(diǎn)等值阻抗，并且針對(duì)電網(wǎng)與新能源系統(tǒng)單線連接時(shí)發(fā)生三相短路故障會(huì)與孤島下突變量相似的情況，采用測(cè)量并網(wǎng)點(diǎn)電流有效值的方式來(lái)對(duì)兩種工況進(jìn)行區(qū)分。

1.1.2 頻率、相位偏移法

通過(guò)逆變器向PCC點(diǎn)注入頻率、相位擾動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，在電網(wǎng)電壓鉗制下，PCC點(diǎn)頻率、電壓相位不發(fā)生變化;電網(wǎng)斷開(kāi)后，由于逆變器不斷注入擾動(dòng)，頻率、電壓相位會(huì)發(fā)生偏移，直到超出閾值觸發(fā)保護(hù)，逆變器斷開(kāi)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速檢測(cè)出孤島，對(duì)純阻性負(fù)載無(wú)NDZ，且方法易于實(shí)現(xiàn)，檢出率高。缺點(diǎn)是對(duì)電能質(zhì)量造成一定影響，對(duì)非純阻性負(fù)載會(huì)存在NDZ，多逆變器場(chǎng)合可能會(huì)由于負(fù)載性質(zhì)相反導(dǎo)致注入的擾動(dòng)方向相反，相互抵消。

文獻(xiàn)[4]針對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載擾動(dòng)建立了擾動(dòng)方程來(lái)判斷負(fù)載性質(zhì)，并以PCC點(diǎn)頻率變化及頻率變化率為輸入量對(duì)正反饋系數(shù)k進(jìn)行模糊優(yōu)化，使其能夠自適應(yīng)地變化。文獻(xiàn)[5]針對(duì)下垂控制策略提出一種基于p-f有功功率環(huán)相位簇?cái)_動(dòng)的孤島檢測(cè)方法，根據(jù)Goertzel算法提取各次諧波幅值進(jìn)行孤島檢測(cè)。

1.2 被動(dòng)式檢測(cè)法

被動(dòng)式檢測(cè)法主要通過(guò)檢測(cè)孤島前后變化顯著的電氣量來(lái)判斷電網(wǎng)狀態(tài)。傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)以過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻為主。雖然不需要對(duì)電網(wǎng)注入擾動(dòng)，但由于這種方法的閾值難以確定：過(guò)大會(huì)導(dǎo)致漏檢，過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致誤判。因此，近年來(lái)被動(dòng)檢測(cè)法研究熱點(diǎn)聚焦到了數(shù)據(jù)挖掘分析和智能算法在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

被動(dòng)式檢測(cè)法不會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生干擾，但存在NDZ，且在某些工況下可能會(huì)由于要檢測(cè)的特征量發(fā)生變化產(chǎn)生誤判。

文獻(xiàn)[6]用PCC點(diǎn)電壓、頻率、電壓與電流相位差、電流諧波失真參數(shù)定義了4項(xiàng)指標(biāo)，使用決策樹(shù)分類(lèi)器進(jìn)行邏輯判斷分類(lèi)，檢測(cè)盲區(qū)較小，能適應(yīng)復(fù)雜多系統(tǒng)需要。

文獻(xiàn)[7]采用S變換和SVD來(lái)對(duì)電網(wǎng)中的3-15奇數(shù)次諧波分解得到特征向量，將特征向量進(jìn)行訓(xùn)練得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?？紤]了功率匹配、電能質(zhì)量擾動(dòng)、電容器投切等多種工況下的孤島和偽孤島。

文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)PCC點(diǎn)處電壓進(jìn)行快速傅里葉變換提取出發(fā)生孤島時(shí)特定的諧波序分量信號(hào)。

文獻(xiàn)[9]提出由關(guān)鍵特征識(shí)別、基學(xué)習(xí)器和元學(xué)習(xí)器三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。利用RELIEF算法識(shí)別孤島檢測(cè)的關(guān)鍵特征。

1.3 混合式檢測(cè)法

混合式檢測(cè)法通常包含至少一種被動(dòng)式檢測(cè)法和一種主動(dòng)式檢測(cè)法。由于主動(dòng)式檢測(cè)法會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成擾動(dòng)，被動(dòng)式檢測(cè)法存在檢測(cè)盲區(qū)，因此混合式檢測(cè)法通常能夠根據(jù)不同工況對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行選擇：在多數(shù)被動(dòng)式檢測(cè)法能夠檢出孤島的工況下，僅使用被動(dòng)式檢測(cè)法以防止逆變器注入擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響;在少數(shù)特定情況下被動(dòng)式檢測(cè)法可能會(huì)出現(xiàn)漏檢或者誤判，因此采用主動(dòng)式檢測(cè)法對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

由于混合式檢測(cè)法對(duì)電網(wǎng)造成的擾動(dòng)減小且不存在檢測(cè)盲區(qū)，根據(jù)GB/T 20046-2006相關(guān)規(guī)定，在光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)至少應(yīng)采用一種主動(dòng)式和被動(dòng)式檢測(cè)法以保證供電的安全可靠性。由上述分析可知，混合式檢測(cè)法需要至少一種主動(dòng)、被動(dòng)式檢測(cè)法進(jìn)行組合，采用何種方式將至少兩種孤島檢測(cè)方式進(jìn)行有效地結(jié)合是該方法能夠成功應(yīng)用于工程中的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[10]分別采集電網(wǎng)側(cè)流向負(fù)載及逆變器側(cè)流向負(fù)載的幾個(gè)電參量結(jié)合判定公式進(jìn)行計(jì)算和預(yù)評(píng)估。被動(dòng)式檢測(cè)法采用過(guò)/欠頻檢測(cè)，并在（Qf，f）坐標(biāo)系下推導(dǎo)出了在Qf=2.5極端條件下的檢測(cè)盲區(qū)，在此檢測(cè)盲區(qū)內(nèi)使用主動(dòng)頻移式檢測(cè)法。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)負(fù)載消耗的有功功率和逆變器輸出的有功功率匹配度高時(shí)，過(guò)/欠頻法檢測(cè)盲區(qū)較大問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算逆變輸出的有功功率、負(fù)載消耗的有功功率和無(wú)功功率是否匹配來(lái)決定采用何種方法進(jìn)行檢測(cè)。

文獻(xiàn)[12]將主動(dòng)移相法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)了鎖相環(huán)相位信號(hào)輸出公式，當(dāng)脫網(wǎng)時(shí)，如果負(fù)載消耗與逆變器輸出功率不匹配，此時(shí)相位會(huì)不斷加速偏移，頻率f也會(huì)隨之而改變。并提出了一種基于分頻器的三相鎖相環(huán)過(guò)/欠壓保護(hù)法，通過(guò)監(jiān)測(cè)鑒相器uq的跳變情況，即可檢測(cè)出孤島效應(yīng)的電壓相位跳變保護(hù)。

文獻(xiàn)[13]結(jié)合頻率檢測(cè)、電壓相位檢測(cè)和可控短路阻抗檢測(cè)三種主動(dòng)檢測(cè)法和過(guò)/欠壓、過(guò)/欠頻檢測(cè)法兩種被動(dòng)式檢測(cè)法各自特點(diǎn)，以頻率檢測(cè)和相位突變組合為主要檢測(cè)手段，對(duì)于內(nèi)部阻抗接近阻性且內(nèi)部功率基本平衡的情況，采用可控短路阻抗檢測(cè)作為輔助檢測(cè)。

2? 孤島檢測(cè)方法的趨勢(shì)

以上三類(lèi)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適方法進(jìn)行孤島檢測(cè)，除了可靠性，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等。

由于當(dāng)前孤島檢測(cè)技術(shù)還不成熟，在未來(lái)的研究中在以下幾個(gè)方面是主要趨勢(shì)：①當(dāng)前大多數(shù)的方法理論都是建立在單機(jī)逆變器的基礎(chǔ)上，而實(shí)際工程中，可能會(huì)面臨多機(jī)組合并網(wǎng)，在多機(jī)并網(wǎng)時(shí)，考慮稀釋效應(yīng)，很多方法的NDZ都會(huì)增大，因此，要如何確保多機(jī)并網(wǎng)不受影響。②當(dāng)前主要研究對(duì)象是單相并網(wǎng)孤島檢測(cè)，三相并網(wǎng)孤島檢測(cè)的仿真建模及實(shí)驗(yàn)分析在后續(xù)需要針對(duì)性研究。③如何將主、被動(dòng)檢測(cè)法進(jìn)行有效地組合來(lái)識(shí)別孤島也是未來(lái)研究的一個(gè)方向。④孤島檢測(cè)目前僅局限于理論研究階段，試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備的匱乏也限制這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，接下來(lái)的研究可以將已有的理論用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

3? 結(jié)論

本文地對(duì)當(dāng)前主流的檢測(cè)法進(jìn)行綜述性分析，并說(shuō)明了其基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)近年來(lái)學(xué)者研究成果進(jìn)行了探討，最后，對(duì)未來(lái)的趨勢(shì)和研究方向進(jìn)行總結(jié)，對(duì)于今后孤島檢測(cè)方法的選擇判斷具有一定參考價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（59820485）。

作者簡(jiǎn)介：王猛（1994-），男，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電。