[摘 要] 孤島檢測是分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)必備的功能，對于分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。本文以有源孤島效應(yīng)檢測方法作為研究對象，詳細分析了幾種新型有源孤島檢測方法的原理、應(yīng)用條件及對電網(wǎng)的影響和優(yōu)缺點，最后對該領(lǐng)域的研究方向作出了展望。

[關(guān)鍵詞] 孤島檢測；并網(wǎng)系統(tǒng)；非檢測區(qū)

[中圖分類號] TM65 [文獻標識碼] A

1 引言

隨著世界能源危機的加劇，采用可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電以其自身優(yōu)勢得到迅速發(fā)展。所有與用戶端相靠近的小型模塊化、分散式電力設(shè)備，不論設(shè)施規(guī)模和能源形式，都可稱為分布式發(fā)電系統(tǒng)。孤島效應(yīng)是指電力公司由于人為的或者是意外事故引起供電故障時，分布式供電系統(tǒng)持續(xù)向周邊負載供電，形成電力公司無法掌控的自給供電孤島。孤島效應(yīng)給維修人員、用電設(shè)備以及分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)帶來許多危害，是分布式發(fā)電保護措施急需解決的重要課題[1]。

2 孤島檢測法

分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測方法根據(jù)檢測位置不同可以分為基于通信的電網(wǎng)側(cè)遠程孤島檢測法和基于并網(wǎng)逆變器的本地檢測法兩大類。基于通信的電網(wǎng)側(cè)遠程孤島檢測法實時監(jiān)測電網(wǎng)并利用無線電通信進行孤島檢測警報，例如傳輸斷路器跳閘信號檢測法、電力線路載波通信檢測法等。通信的電網(wǎng)側(cè)遠程孤島檢測法技術(shù)比較復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高，因此在實際中使用較少。并網(wǎng)逆變器側(cè)的本地檢測法最為常見孤島檢測方法，可以分為無源檢測法和有源檢測法，有源孤島檢測法是在無源孤島檢測法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

當(dāng)電網(wǎng)正常運行時，分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)向公共節(jié)點注入有功功率和無功功率，電網(wǎng)斷開后輸出功率與負載功率匹配時，逆變器繼續(xù)向負載供電，此時輸出電壓和頻率與并網(wǎng)工作時幾乎相同，無法檢測出孤島效應(yīng)的發(fā)生，無源檢測法失效；在輸出功率與負載功率不匹配的情況下，逆變器輸出電壓和頻率會發(fā)生較大變化，變化量超過設(shè)定的閾值時，保護電路動作即可檢測到孤島效應(yīng)的發(fā)生。無源孤島檢測法又稱為被動式檢測法，通過直接測量逆變器與電網(wǎng)連接點處的參數(shù)變化判斷孤島的發(fā)生。該方法的缺點是只能進行一般保護，檢測盲區(qū)較大，應(yīng)用于負載功率變動不大，且源—負載不匹配程度較大的場合。有源檢測法彌補了無源檢測法的缺點，下面著重對有源孤島檢測法進行介紹。

3 源孤島檢測法

有源孤島檢測法需要對逆變器的輸出量的某些參數(shù)如輸出功率、幅值、頻率或相位施加一些較小擾動信號。以電流擾動為例說明，逆變器輸出電流表達式為Iinv=Imsin（ωt+φ），可施加擾動的量有：電流幅值Im、電流頻率f和電流相位φ。并網(wǎng)運行時大電網(wǎng)鉗制作用使擾動不明顯；孤島發(fā)生時即使負載功率變動不大，且源—負載匹配，擾動也會使某些輸出量變化超過規(guī)定閾值，判斷到孤島的發(fā)生[2-3]。

3.1 主動頻率偏移法（AFD）

AFD通過周期性地對并網(wǎng)逆變器的電流輸出值加入擾動實現(xiàn)孤島檢測。電網(wǎng)并聯(lián)時鎖相環(huán)對輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率實行同步調(diào)整，輸出電流頻率保持正常運行頻率，不會偏離額定值；電網(wǎng)斷電后輸出頻率隨著電網(wǎng)電流和負載性質(zhì)持續(xù)增減，變化超過規(guī)定閾值孤島狀態(tài)就被檢測出來。

基于AFD方法有幾種改進的方法，最有代表性的有帶正反饋的主動頻率偏移、頻率跳變法（FJD）和基于ARM的主動頻率偏移孤島檢測法。鑒于傳統(tǒng)AFD基準電流控制復(fù)雜，負載性質(zhì)對單一頻率擾動方向存在平衡作用，嚴重時會使孤島效應(yīng)檢測速度變慢甚至失效，有些學(xué)者對其進行了改進：該方法引入了不間斷地周期性正反兩個方向的頻率擾動，從而消除了負載的平衡作用。與AFD相似FJD每隔幾個周期對逆變器的輸出電流波形按預(yù)先設(shè)定模式插入一次死區(qū)。所插入的死區(qū)會引起逆變器電流的頻率突變，正常情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連時，大電網(wǎng)阻止了公共耦合點電壓的波動；電網(wǎng)故障后該方法使逆變器輸出電壓頻率產(chǎn)生偏差，通過檢測頻率變化是否超過電壓閾值來檢測孤島是否發(fā)生。

3.2 輸出功率擾動法

輸出功率擾動法可分為有功擾動檢測方法和無功補償法檢測方法兩種。當(dāng)逆變器輸出功率與負載功率相匹配時，無源法無法檢測出孤島發(fā)生，而通過公式推演發(fā)現(xiàn)有功功率與電壓變化密切關(guān)系，基于此有功擾動檢測法被提出。在輸出電流中加入幅值擾動，使輸出有功功率變化，市電正常工作時負載從電網(wǎng)中獲得所需功率；電網(wǎng)停止供電孤島發(fā)生時，擾動使電流幅值改變，負載上電壓隨之變化，跟著產(chǎn)生變化的是逆變器有功功率，當(dāng)變化范圍超過規(guī)定閾值的時候，保護電路即可檢測到孤島發(fā)生。這種方法的控制簡單，實用性很高。單個逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中，擾動不同步會使檢測精度受影響，造成電壓閃變和電網(wǎng)不穩(wěn)。同樣可以根據(jù)逆變器的無功功率則與系統(tǒng)的頻率和電壓相關(guān)可以利用無功補償進行孤島檢測。在大電網(wǎng)正常工作的情況下，電網(wǎng)的平衡作用使公共耦合點的電壓與頻率并不會有明顯變化；孤島發(fā)生后負載的頻率和電壓也因此改變。該方法檢測效率高且避免檢測盲區(qū)。但控制策略復(fù)雜，需對負載無功需求隨時檢測，速度較慢。

3.3 Sandia電壓偏移法

Sandia電壓偏移檢測是通過對公共耦合點電壓幅值加入正反饋，孤島發(fā)生后正反饋的循環(huán)作用下的電壓值改變會使輸出電流、頻率發(fā)生變化，由于負載不發(fā)生變化，電壓降低使輸出電流減小；電壓升高使輸出電流增大。電網(wǎng)正常工作的情況下，由電網(wǎng)維持PCC電壓，系統(tǒng)中引入的擾動值基本不會使電壓幅值發(fā)生改變。合理設(shè)置參數(shù)時該方法的檢測效率會非常高，但是控制算法較復(fù)雜，實際應(yīng)用困難，對于系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)和電能質(zhì)量產(chǎn)生一些不利的影響。主要適合于單逆變器的檢測，且檢測效果與負載性質(zhì)差異有很大關(guān)系，嚴重時甚至失效，依然存在非檢測盲區(qū)。

3.4 特定頻率阻抗測量法

特定頻率阻抗測量法與電壓諧波檢測方法類似，區(qū)別是注入特定頻率電流諧波。電網(wǎng)正常工作時，雖然引入了諧波電流，但是大電網(wǎng)平衡作用使輸出量不會出現(xiàn)異常；電網(wǎng)斷開后，線性負載會由于諧波電流的存在而產(chǎn)生諧波電壓，可以通過檢測電壓諧波或諧波變化判斷，當(dāng)諧波電壓大小超過規(guī)定閾值時保護電路可以檢測到孤島發(fā)生。該方法中引入的諧波電流，可以部分克服電壓諧波檢測方法的缺點，但非線性負載的存在，導(dǎo)致很難在不引起逆變器誤動作前提下設(shè)定正確閥值。

3.5 阻抗測量法

阻抗測量法向電網(wǎng)周期性地注入電流幅值擾動使輸出功率發(fā)生變化，進而使輸出電壓改變，通過測量阻抗值來判斷孤島是否發(fā)生。電網(wǎng)正常運行時，電網(wǎng)小阻抗使電流幅值變動產(chǎn)生的電壓改變很小；電網(wǎng)故障斷開后，負載大阻抗使引入擾動后的電壓產(chǎn)生明顯變化，電壓變化超過規(guī)定閾值時保護電路就會觸發(fā)過/欠壓保護動作。該方法檢測盲區(qū)非常??；不需要精確測量阻抗值。但是輸出同步時會引起逆變器正常工作時誤動作等問題。另外工作于多逆變器時，引入電流變化可能會因相互沖突而使總電流抵消，輸出電壓變化無法被檢測；為了排除干擾引起的誤動作，所測量輸出量需要經(jīng)過濾波器，導(dǎo)致所得阻抗值實際值比理論值小，這兩種情況都會引起檢測算法非檢測盲區(qū)增大。

4 復(fù)合式孤島檢測法

有源孤島檢測和無源孤島檢測法的各類方法均存在各種缺點和不足，基于此將各種方法有機結(jié)合、揚長避短形成了復(fù)合式孤島檢測方法。已有的復(fù)合式孤島檢測方法有電壓相位偏移與改進型主動電流擾動法相結(jié)合、電壓平均變化率和有功偏移相結(jié)合、電壓平均變化率和有功偏移等。以電壓相位偏移與改進型主動電流擾動法相結(jié)合為例說明，孤島發(fā)生后負載有功功率變化不大時，端電壓相位偏移無法達到足夠大使保護電路區(qū)分孤島與非孤島，這種情況下僅靠檢測相位偏移不能很好地檢測孤島?？紤]到有源孤島檢測算法的優(yōu)點可以選主動電流擾動法結(jié)合電壓相位突變法，以電壓相位突變檢測為主、主動電流擾動法為輔補充電壓相位突變法的檢測盲區(qū)。兩種或多種孤島檢測相結(jié)合的復(fù)合式孤島檢測方法克服了單一采用有源法和無源法的不足，可以提高孤島檢測方法的準確性和靈敏度。

5 結(jié)束語

分布式并網(wǎng)發(fā)電孤島檢測方法的技術(shù)手段尚未完全成熟，在此基礎(chǔ)上的孤島檢測方法也需要有更加深入的研究，在該方面的研究具有廣泛的研究前景和發(fā)展空間。本文對幾種有源孤島檢測方法和復(fù)合式孤島檢測方法進行了分析比較，總結(jié)了各種孤島檢測方法的優(yōu)缺點，對實際工作中孤島檢測方法選擇有一定參考指導(dǎo)價值。

參考文獻：

[1]吳威，韓愚拙，陳昆等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)綜述[J].電工電氣，2012（4）：2-6

[2]曹海燕，田悅新.并網(wǎng)逆變器孤島控制技術(shù)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（9）：72-75.

[3]蔡濟瑋，并網(wǎng)DG系統(tǒng)孤島檢測及劃分方法的研究[D].河北：燕山大學(xué)，2012.

作者簡介：李迎迎（1986-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：光伏并網(wǎng)研究。