陸以軍，候梅毅

(廣州供電局有限公司，廣東廣州510620)

近年來，分布式發(fā)電（DG）以其清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、供電方式靈活等優(yōu)勢在世界各國快速發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、小水電以及利用工業(yè)廢氣發(fā)電等DG形式在我國已得到廣泛重視與應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，DG與大電網(wǎng)相結(jié)合將會是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向。然而，DG在給人們帶來各種效益的同時，也給電網(wǎng)帶來一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，孤島問題便是其中之一[1，2]。所謂孤島是指當(dāng)電網(wǎng)因故障等某些偶然原因使得DG系統(tǒng)脫離主電網(wǎng)運(yùn)行，并形成由DG系統(tǒng)和周圍的負(fù)載組成的一個自給供電子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)雖然與電網(wǎng)隔離，卻有電能的產(chǎn)生、傳輸和消耗，但脫離了電力部門的管理，稱之為孤島。非計劃孤島運(yùn)行會對電力設(shè)備及運(yùn)行人員的人身安全造成危害，并且供電質(zhì)量得不到保證。因此，并網(wǎng)系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的反孤島檢測功能。英國電力聯(lián)合會頒布的G59/1規(guī)定對于長期并網(wǎng)運(yùn)行且大于150 kV·A的DG都需配置反孤島保護(hù)；IEEE在P1547中規(guī)定非計劃孤島形成后反孤島保護(hù)要將DG從系統(tǒng)中切除。這在一定程度上保證了電力系統(tǒng)的安全性，卻破壞了DG的正常運(yùn)行，損害了DG發(fā)電商的利益，不利于DG技術(shù)的發(fā)展。因此，近幾年隨著DG技術(shù)的發(fā)展，提出了微網(wǎng)(Micro-grid)的概念。所謂微網(wǎng)是指由DG、負(fù)載、儲能裝置、能量變換設(shè)施、控制系統(tǒng)等組成的一個小型配電網(wǎng)系統(tǒng)，它既可以與公用電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以與公用電網(wǎng)分離后獨(dú)立運(yùn)行。DG以微網(wǎng)的形式與系統(tǒng)相連，在孤島狀態(tài)下可按計劃向微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷供電，但其運(yùn)行的模式將改變，因而也需要裝設(shè)孤島檢測裝置，一旦形成孤島運(yùn)行需將其切換至孤島運(yùn)行模式，這也是所謂的計劃孤島[3，4]?？傊?，無論DG以哪種方式運(yùn)行，都需要進(jìn)行孤島檢測。

目前DG種類繁多，根據(jù)所使用一次能源的類型可將DG可分為風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、小型水利發(fā)電、燃料電池發(fā)電、潮汐發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等。由于DG采用的發(fā)電技術(shù)不同，輸出的電壓類型也不同，概括起來主要可分為3種類型：工頻交流量、直流量和高頻交流量。不同類型的輸出也決定了其并網(wǎng)方式以及孤島檢測方法的不同，大致可分為三類[3]：第一種類型的DG一般可以直接并網(wǎng)，如小型水電、部分風(fēng)力發(fā)電。這類DG的孤島檢測常用無源法，即根據(jù)孤島發(fā)生時，DG側(cè)的電氣參數(shù)的變化來判斷孤島是否發(fā)生。直接并網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)的孤島檢測多采用這一方法，其中較為典型的是以頻率變化為依據(jù)的各種檢測方法。而直接并網(wǎng)的異步發(fā)電機(jī)由于脫離電網(wǎng)后無法獨(dú)立運(yùn)行，其控制系統(tǒng)中包含失去電網(wǎng)的保護(hù)，實(shí)質(zhì)就是孤島檢測，一般無需額外的孤島檢測裝置。第二種類型需經(jīng)逆變器并網(wǎng)，典型的如光伏發(fā)電。這類DG的孤島檢測常用有源法，即主動向系統(tǒng)注入特定的檢測信號，或者人為地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的工況，然后通過監(jiān)測由此引起的電氣參數(shù)的變化來判斷DG是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。第三種類型則需整流后再經(jīng)逆變器并網(wǎng)，如微型燃?xì)廨啓C(jī)。這類DG的孤島檢測也常用有源法。本文著重探討直接并網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)這一類型DG的孤島檢測方法。

1 同步發(fā)電機(jī)的孤島檢測方法

目前基于同步發(fā)電機(jī)的DG孤島檢測最為常用的2種方法是相位偏移法和頻率變化率法，本文重點(diǎn)探討相位偏移法[5-7]。

相位偏移法是通過測量DG機(jī)端電壓相位角的變化來檢測孤島狀態(tài)。安裝有相位偏移檢測裝置的DG系統(tǒng)等值電路，DG為同步發(fā)電機(jī)，如圖1所示。DG并網(wǎng)運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)的電動勢與端電壓的相位差為，相量圖如圖2（a）所示。如果由于故障等原因斷路器CB2跳開形成孤島，負(fù)載L的功率完全由DG承擔(dān)，由于DG所帶負(fù)載功率的突然增加（或減少），流過發(fā)電機(jī)電抗的電流增大（或減少），電動勢與端電壓的相位差隨之增大（或減少），如圖2（b）所示（圖示為增大情況）。相應(yīng)地，端電壓將從孤島前的跳變到一個新的值，其相位也隨之改變。而在孤島發(fā)生瞬間可認(rèn)為電動勢是不變的，則與之間的相位差即為的變化值。端電壓的這種變化稱之為相位偏移，相位偏移法就是根據(jù)這一特性來判斷DG是否處于孤島狀態(tài)的。

圖1 裝有孤島檢測裝置的系統(tǒng)等值電路

圖2 孤島前后發(fā)電機(jī)電動勢與端電壓相量圖

2 相位偏移法的算法研究

相位偏移法的檢測性能與相位偏移的算法密切相關(guān)。傳統(tǒng)的相位偏移算法，算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)孤島瞬間功率不平衡程度較小時，很容易產(chǎn)生檢測死區(qū)。降低檢測門檻值能縮小檢測死區(qū)，但同時也會增加誤判的風(fēng)險，存在靈敏性和可靠性的矛盾。鑒于此，本文給出了另外一種積分算法。當(dāng)孤島瞬間DG輸出的有功功率與負(fù)載的功率不平衡程度較小時，由此產(chǎn)生的相位偏移量會很小，存在檢測死區(qū)。這種情況下，如果能夠計算出一段時間內(nèi)相位偏移的累計值，這樣即使很小的功率不平衡度，也能使相位偏移量超過門檻值，從而很容易地檢測出孤島狀態(tài)，提高孤島檢測的靈敏度[8]。當(dāng)孤島發(fā)生時頻率會發(fā)生變化，孤島后一段時間內(nèi)相位偏移的累積值為：

式（1）中：fDG為孤島后的頻率；f0為孤島前的頻率，一般為系統(tǒng)的額定頻率，故計算時可近似為f0=50 Hz。

由式（1）可知，當(dāng)孤島瞬間不平衡功率很小時，頻率變化也很小，但如若積分時間足夠長（小于重合閘時間），即使很小的也會使相位角發(fā)生較大偏移，通過選取適當(dāng)?shù)拈T檻值便能很容易將孤島檢測出來。

通過前文對相位偏移特性和算法的分析，下面給出一種基于相位偏移的復(fù)合型孤島檢測方法，該方法將孤島發(fā)生時DG的頻率變化與相位偏移相結(jié)合組成復(fù)合判據(jù)。

3 基于相位偏移法的復(fù)合型判據(jù)

由式（1）可知，相位偏移角由頻率波動的大小和波動所持續(xù)的時間2個因素決定。而對于相同大小的相位偏移量，若頻率變化所持續(xù)的時間不同，相應(yīng)的頻率變化情況也不盡相同，如圖3所示。圖中t1，t2及t1'，t2'分別為兩種不同情況下頻率變化的起始及結(jié)束時刻，Δθ為圖中陰影部分的面積，Δfmax為頻率恢復(fù)時間內(nèi)變化的最大值?？梢妼τ谙嗤摩う?，相應(yīng)的頻率變化最大值是不同的。

圖3 相同相位偏移量情況下頻率變化量區(qū)別

對于相位偏移法來說，比較難以區(qū)分的兩種情況是孤島狀態(tài)下功率不平衡程度很小時所導(dǎo)致DG端電壓的相位偏移以及DG正常并網(wǎng)運(yùn)行時靠近DG端的較大負(fù)荷波動而導(dǎo)致DG端電壓的相位偏移。對于前者，孤島狀態(tài)下DG有功輸出基本與孤島區(qū)域內(nèi)負(fù)荷相當(dāng)，DG端電壓的相位偏移量會很小，可能會判斷不出孤島狀態(tài)如圖3（b）所示；而對于后者，較大的負(fù)載波動也有可能導(dǎo)致DG端電壓發(fā)生一定的相位偏移，可能會誤判為孤島狀態(tài)，如圖3（a）所示。假定上述兩種情況下相位偏移大小相同，下面重點(diǎn)分析頻率變化的情況。對于孤島狀態(tài)而言，由于DG自身的頻率調(diào)節(jié)能力相對較弱，其頻率調(diào)節(jié)持續(xù)的時間相對較長，相應(yīng)的頻率變化值較小。而對于近端負(fù)載波動情況，即使波動瞬間導(dǎo)致DG轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但由于電網(wǎng)較強(qiáng)的抗擾動能力，很快會將DG重新拖入同步，因此，DG頻率變化的持續(xù)時間通常會很短，由圖3（a）可知，若產(chǎn)生相同的相位偏移量，其所對應(yīng)的頻率變化量也較大。根據(jù)以上分析可知，當(dāng)兩者產(chǎn)生相同的相位偏移量時，相應(yīng)的頻率變化量是不同的。鑒于此，可以將頻率變化值作為孤島檢測量，與相位偏移相結(jié)合組成復(fù)合判據(jù)用于孤島檢測。

復(fù)合型檢測方法仍以檢測相位偏移為主，設(shè)置2個門檻值 Δθ1和 Δθ2，且 Δθ1＞ Δθ2。 為避免負(fù)荷波動導(dǎo)致的誤判，可將Δθ1選的相對較大，而Δθ2是為減小檢測死區(qū)而設(shè)置的。當(dāng)相位偏移角Δθ＞Δθ1時，直接判斷為孤島狀態(tài)；而當(dāng)最大檢測時間內(nèi)Δθ＜Δθ1時，引入頻率變化門檻值Δfthr，只有同時滿足Δθ＞Δθ2且Δfmax＜Δfthr，判斷為孤島狀態(tài)，此時的Δθ為最大檢測時間內(nèi)的相位偏移累計值，Δfmax為最大檢測時間內(nèi)頻率變化的最大值。此外為了防止避免發(fā)電機(jī)啟動、系統(tǒng)發(fā)生電壓波動等情況下誤判，這里還設(shè)置了電壓輔助判據(jù)，而當(dāng)電壓低于某一門檻值時即閉鎖孤島檢測。綜上所述，可將孤島檢測的復(fù)合型判據(jù)歸納如下：

該方法增加了輔助判據(jù)，用于孤島后不平衡有功功率變化不大的情況，即利用主判據(jù)無法檢測出的孤島狀況，通過降低門檻值、引入頻率變化值來區(qū)分孤島與非孤島狀態(tài)。Δfthr的選取應(yīng)大于上述臨界情況下（主判據(jù)剛好無法檢測出）孤島時產(chǎn)生的頻率變化最大值，的選取與靈敏度要求有關(guān)，選取的值越小靈敏度越高，誤判的幾率也會相應(yīng)增加。

4 復(fù)合型判據(jù)的仿真研究

為對判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建如圖4所示的仿真系統(tǒng)。其中DG為帶有勵磁調(diào)節(jié)和調(diào)速控制的同步發(fā)電機(jī)，勵磁系統(tǒng)采用IEEE的AC8B勵磁模型，發(fā)電機(jī)模型為TUR1，其調(diào)速系統(tǒng)采用IEEE的EDH模型。負(fù)載L1接在近DG側(cè)，其類型設(shè)定為恒功率模型。以下仿真均假定t=0.5 s時斷路器QF2斷開，DG和負(fù)載L1脫離公用電網(wǎng)組成一個孤島系統(tǒng)或是在t=0.5 s時投切負(fù)荷模擬系統(tǒng)負(fù)荷波動。且本文只給出了孤島瞬間孤島內(nèi)總負(fù)荷大于機(jī)組出力的仿真結(jié)果和結(jié)論，負(fù)荷波動則只給出了系統(tǒng)增加負(fù)荷的仿真結(jié)果與結(jié)論，而通過對與這兩種情況相反的情況進(jìn)行仿真分析，也可以得到同樣的結(jié)論。

圖4 孤島仿真系統(tǒng)

利用PSCAD/EMTDC的邏輯模塊構(gòu)建出復(fù)合判據(jù)的邏輯判斷框圖，如圖5所示。

4.1 主判據(jù)的仿真分析

采用圖4所述的仿真系統(tǒng)，這里將端電壓相位偏移的最大檢測時間設(shè)為500 ms（小于重合閘時間），為了避免負(fù)荷波動導(dǎo)致誤判，這里將主判據(jù)門檻值設(shè)定的較大，為Δθ1=50°。DG并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)中負(fù)荷L1總有功為3.65 MW，DG輸出有功為3 MW，孤島瞬間DG輸出的有功功率則會由3MW突變至3.65 MW，發(fā)電機(jī)端電壓的頻率變化、相位偏移以及孤島狀態(tài)檢測情況如圖6所示。

圖5 復(fù)合型孤島檢測方法邏輯判斷框圖

圖6 主判據(jù)臨界點(diǎn)情況（ΔP=0.65 MW）

由圖 6（b）、圖 6 （c）可以看出，相位偏移角在孤島檢測最大允許時間500 ms時達(dá)到50°，若在此基礎(chǔ)上繼續(xù)減小有功功率的不平衡程度，則主判據(jù)將不能檢測出孤島，即主判據(jù)所能檢測的臨界不平衡功率為ΔP=0.65 MW，若不平衡功率大于0.65 MW時，均可以正確判斷出孤島狀態(tài)。此外，由圖6（a）可知，此時頻率變化最大值約為0.4 Hz，可以以此作為輔助判據(jù)的頻率動作門檻值。

4.2 輔助判據(jù)的仿真分析

為進(jìn)一步減小檢測死區(qū)，這里取Δθ2=15°，Δfthr=0.4 Hz。DG并網(wǎng)運(yùn)行時，系統(tǒng)中負(fù)荷L1有功為3.18 MW，DG輸出有功為3 MW。孤島瞬間DG輸出的有功功率由3 MW突變至3.18 MW，發(fā)電機(jī)端電壓的頻率變化和相位偏移如圖7所示。

圖7 輔助判據(jù)臨界動作點(diǎn)情況（ΔP=0.18 MW）

由圖7可知，相位偏移角在孤島檢測最大允許時間500 ms時達(dá)到15°，且頻率變化的最大值小于0.4 Hz，即輔助判據(jù)所能檢測的臨界不平衡功率ΔP=0.18 MW。在主判據(jù)不能在規(guī)定時間內(nèi)判出孤島的情況下，輔助判據(jù)能正確判斷出孤島狀態(tài)，縮小了檢測死區(qū)。為驗(yàn)證輔助判據(jù)的可靠性，這里進(jìn)行如下仿真。DG并網(wǎng)運(yùn)行時，當(dāng)t=0.5 s時，在DG近端投入負(fù)荷3.5 MW，DG端電壓頻率變化及相位偏移如圖8所示。

圖8 輔助判據(jù)的可靠性驗(yàn)證（ΔP=3.5 MW）

由圖8可知，在孤島最大檢測時間內(nèi)，相位偏移的最大值達(dá)到15°，但由于DG頻率變化的最大值大于0.4 Hz，故不會發(fā)生誤判。當(dāng)負(fù)荷波動小于3.5 MW時，相位偏移的最大值也小于15°，亦不會誤判；如果負(fù)荷波動大于3.5 MW，雖然DG端電壓相位偏移角超過15°，但其頻率變化的最大值也會大于0.4 Hz，所以也不會發(fā)生誤判。而上述這些情況，如果不引入頻率作為輔助判據(jù)，則當(dāng)負(fù)荷波動大于3.5 MW時，就會發(fā)生誤判情況。由此可見輔助判據(jù)是十分可靠的。此外這里也可以看出，不能一味通過縮小輔助判據(jù)的的大小來減小檢測死區(qū)，因?yàn)樾∝?fù)荷波動很可能會導(dǎo)致相位偏移量大于，同時頻率最大變化量又小于的情況出現(xiàn)，從而使得輔助判據(jù)誤判。

綜上所述，基于相位偏移和頻率變化的復(fù)合型孤島檢測方法在保證可靠性的前提下，能有效檢測出孤島狀態(tài)，縮小孤島檢測死區(qū)，提高孤島檢測靈敏度。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了相位偏移法的原理及算法，針對傳統(tǒng)相位偏移法存在的靈敏度和可靠性矛盾的問題，文中給出一種基于相位偏移和頻率變化的復(fù)合型孤島檢測方法。該方法設(shè)置了主輔兩個判據(jù)，在輔助判據(jù)中引入了頻率變化作為輔助判斷量，在保證可靠性的前提下，有效解決了功率不平衡程度較小時孤島檢測難的問題，縮小了孤島檢測死區(qū)。最后在PSCAD/EMTDC中對該復(fù)合判據(jù)進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法在保證可靠性的前提下，能準(zhǔn)確地檢測出孤島狀態(tài)，縮小孤島檢測死區(qū)，提高孤島檢測靈敏度。

[1]JENKINS N,ALLAN R,CROSSLEY P,et al.Embedded Generation[M].London:IEE,2000:1-19.

[2]丁 明，王 敏.分布式發(fā)電技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2004，24(7)：31-36.

[3]XU W,MAUCH K,MARTEL S.An Assessment of DG Islanding Detection Methods and Issues for Canada[R].Ottawa,Canada:CETC,2004:15-23.

[4]KIM J E,HWANG J S.Islanding Detection Method of Distributed Generation Units Connected to Power Distribution System[C].Proceedings of IEEE International Conference on Power System Technology,December：643-647.

[5]FREITAS W,XU W,AFFONSO C M,HUANG Z.Comparative Analysis Between ROCOF and Vector Surge Relays for Distributed Generation Applications[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005,20(2)：1315-1324.

[6]ISHIBASHI A,IMAI M,OMATA K,et al.New Type of Islanding Detection System for Distributed Generation Based on Voltage Angle Difference Between Utility Network and Distributed Generation Site[C].Eighth International Conference on Developments in Power System Protection,Amsterdam,Netherlands:IEE,2004:542-545.

[7]FREITAS W,HUANG Z,XU W.A Practical Method for Assessing the Effectiveness of Vector Surge Relays for Distributed Generation Applications[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005,20(1):57-63.

[8]HOU M,GAO H,LU Y.A Composite Method for Islanding Detection Based on Vector Shift and Frequency Variation[C].Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conerence,2010,China.