(國(guó)網(wǎng)德陽(yáng)供電公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 形成孤島的原因和影響

1.1 孤島形成的原因

(1)頻率或電壓越限。當(dāng)系統(tǒng)頻率或者電壓超過(guò)上下邊界條件時(shí)，將引起聯(lián)網(wǎng)電氣保護(hù)裝置的動(dòng)作。如果是線路和變壓器的后備保護(hù)裝置動(dòng)作，將使得電網(wǎng)與分布式電源斷開連接，形成孤島。

(2)并網(wǎng)設(shè)備故障。電力系統(tǒng)的設(shè)備均是通過(guò)線路與分布式電源連接于并網(wǎng)耦合點(diǎn)(point of common coupling,PCC)。如果并網(wǎng)設(shè)備故障，將引起線路保護(hù)裝置動(dòng)作，跳開故障線路。如果連接于PCC所有電網(wǎng)線路均斷開，分布式電源與系統(tǒng)電網(wǎng)隔離開來(lái)，形成孤島。

(3)失步保護(hù)動(dòng)作。在配電網(wǎng)中，分布式電源與主系統(tǒng)之間的聯(lián)系很微弱，如果包含分布式旋轉(zhuǎn)電源的配電網(wǎng)與主電網(wǎng)失步時(shí)，失步保護(hù)裝置將動(dòng)作，斷開并網(wǎng)線，形成孤島。

1.2 孤島形成的影響

(1)孤島情況使得電壓和頻率失去控制，如果分布式發(fā)電裝置沒有電壓調(diào)節(jié)能力和頻率調(diào)節(jié)能力，并且也沒有電壓和頻率保護(hù)繼電器來(lái)限制電壓和頻率的偏移，孤島部分的電壓和頻率可能發(fā)生大的波動(dòng)，這可能將對(duì)用戶設(shè)備造成危害。

(2)孤島部分重新接入電網(wǎng)時(shí)，可能由于失步問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)中的斷路器等設(shè)備造成損壞，并可能產(chǎn)生很大的沖擊電流，產(chǎn)生的沖擊電流可能損壞孤島部分的分布式發(fā)電設(shè)備，甚至引起電網(wǎng)的再次跳閘。

(3)孤島情況可能導(dǎo)致不能清除接地故障或相間短路故障，可能對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成損壞，并且干擾電網(wǎng)的正常供電的自動(dòng)和手動(dòng)恢復(fù)。

(4)孤島情況使得一些被認(rèn)為與電網(wǎng)斷開連接的電路帶點(diǎn)，這使得運(yùn)行檢修人員誤將孤島帶電部分作為斷電部分，如果此時(shí)不正規(guī)的操作，可能危及檢修人員的人身安全。

2 孤島檢測(cè)方法

目前對(duì)于孤島研究的方法多種多樣。基本可以分為3類：有源孤島檢測(cè)方法、無(wú)源孤島檢測(cè)方法和基于通信的孤島檢測(cè)方法。

有源孤島檢測(cè)方法通常是對(duì)系統(tǒng)施加一定的擾動(dòng)量，這種擾動(dòng)量可以是正序電流或負(fù)序電流幅值、電流相位、輸出有功功率、輸出無(wú)功功率等。然后觀察這些擾動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)的影響。如果受擾后的系統(tǒng)能保持頻率和電壓幅值在規(guī)定范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行，那么可以判定系統(tǒng)處于分布式電源與電網(wǎng)并列運(yùn)行的正常狀態(tài)；如果受擾后負(fù)荷側(cè)的頻率或電壓幅值超過(guò)其上下邊界，可以判定分布式電源與電網(wǎng)已經(jīng)斷開連接。

無(wú)源檢測(cè)方法就是通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，并與規(guī)定的對(duì)應(yīng)參數(shù)的上下邊界相比較，來(lái)判定系統(tǒng)參數(shù)在監(jiān)測(cè)的時(shí)候是否越界，進(jìn)而通過(guò)比較分析來(lái)判定分布式電源是否與電網(wǎng)隔離開來(lái)。

基于通信的孤島檢測(cè)方法的不可檢測(cè)區(qū)小到可以忽略，但是這種方法比前兩種方法更昂貴，雖然可靠卻不經(jīng)濟(jì)，也沒能得到最廣泛的應(yīng)用。

3 OVP/UVP孤島檢測(cè)法

采用大電網(wǎng)經(jīng)過(guò)斷路器與分布式電源和負(fù)荷接于并網(wǎng)耦合點(diǎn)PCC。圖1所示的系統(tǒng)由一個(gè)具有阻抗的大電源，用并聯(lián)RLC支路表示的負(fù)荷和一個(gè)基于逆變器的輸出有功功率為100 kW的分布式發(fā)電裝置組成。

圖1 待研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 孤島檢測(cè)方法

下面重點(diǎn)研究了OVP/UVP孤島檢測(cè)方法下的不可檢測(cè)區(qū)問(wèn)題。所以著重討論負(fù)荷的P-V特性曲線。負(fù)荷和分布式電源的P-V曲線如圖2所示。

圖2 負(fù)荷和分布式電源的P-V曲線

分布式電源輸出恒定有功功率100 kW，它與129 kW和82 kW的負(fù)荷分別交與點(diǎn)A和點(diǎn)B，點(diǎn)A和點(diǎn)B稱作孤島運(yùn)行點(diǎn)。從圖2上可以看到，點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的電壓為0.88Vp.u.，點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的電壓為1.1Vp.u.，其中Vp.u.為額定電壓標(biāo)幺值1。根據(jù)IEEE Std 1547的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電壓為額定電壓的88%～110%均為正常范圍。所以，如果OVP/UVP方法測(cè)量得到的電壓在額定電壓的88%到110%之間時(shí)，將無(wú)法檢測(cè)出孤島情況，也就是說(shuō)如果負(fù)荷的P-V曲線處于上述129 kW和82 kW的P-V特性曲線之間時(shí)，那么該負(fù)荷處于不可檢測(cè)區(qū)。

可以看到，造成不可檢測(cè)區(qū)的原因之一就是恒功率輸出曲線。不可檢測(cè)區(qū)的大小與分布式發(fā)電的參考功率設(shè)置有關(guān)。下面分別討論斜率正或?yàn)樨?fù)的情況。

3.2 參考有功功率曲線斜率為正的情況

假設(shè)參考有功功率斜率為正，例如a=0.05,b=0.05。參考有功功率Pref的表達(dá)式為

Pref=0.05Vp.u.+0.05

圖3 斜率為正時(shí)的DG和負(fù)荷P-V特性曲線

如圖3所示，100 kW的負(fù)荷與DG的有功功率曲線交于點(diǎn)E，此時(shí)輸出有功功率100 kW，電壓的標(biāo)幺值為1.82 kW和129 kW的負(fù)荷分別與恒DG參考有功輸出曲線(Pref=0.1)交于點(diǎn)A和點(diǎn)B，與修正后的DG參考有功功率曲線(Pref=0.05Vp.u.+0.05)交于點(diǎn)C和點(diǎn)D。從圖上可以看出，點(diǎn)A和點(diǎn)B正好處于電壓的邊界條件上；點(diǎn)C的電壓小于0.88 p.u.，小于電壓邊界的下限；點(diǎn)D的電壓大于1.1 p.u.，大于電壓邊界的上限。此時(shí)，運(yùn)用OVP/UVP方法將很容易地檢測(cè)出電壓越限，判斷出孤島情況的發(fā)生。如果DG參考有功功率的曲線為恒定的直線0.1 MW，對(duì)于82 kW和129 kW負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的電壓正好位于電壓的邊界條件上，即點(diǎn)A和點(diǎn)B，將無(wú)法檢測(cè)出孤島情況。所以，通過(guò)修正使DG參考有功功率曲線的斜率a為正，在一定程度上減小了OVP/UVP方法的不可檢測(cè)區(qū)。

3.3 參考有功功率曲線斜率為負(fù)的情況

下面討論當(dāng)DG的參考有功功率曲線斜率為負(fù)的情況。具體方法同上，假設(shè)a=-0.06,b=0.16。參考有功功率Pref的表達(dá)式為

Pref=0.06Vp.u.+0.16

圖4 斜率為負(fù)時(shí)的DG和負(fù)荷P-V特性曲線

圖4表示了3種負(fù)荷狀態(tài)和DG的P-V特性曲線。類似的，100 kW負(fù)荷曲線與DG的修正后的參考有功功率曲線交于點(diǎn)M，點(diǎn)M的有功功率輸出為0.1 MW，電壓為1 p.u.。82 kW和129 kW的負(fù)荷曲線與修正后的DG輸出功率曲線分別交與點(diǎn)C′和點(diǎn)D′。點(diǎn)C′的電壓在0.9 p.u.到1 p.u.之間，點(diǎn)D′的電壓在1 p.u.到1.1 p.u.之間，均在電壓的允許范圍內(nèi)。此時(shí)，情況比恒有功功率輸出時(shí)更加糟糕，運(yùn)用OVP/UVP方法將不能檢測(cè)出孤島情況。當(dāng)斜率為負(fù)時(shí)，使運(yùn)行點(diǎn)的電壓更加接近于1 p.u.，這使得不可檢測(cè)區(qū)不但沒有減小，反而擴(kuò)大了。假如負(fù)荷是接近于邊界負(fù)荷的某個(gè)值，例如130 kW和80 kW，如果是恒定的有功輸出曲線，交點(diǎn)應(yīng)該超過(guò)了電壓的邊界條件，用OVP/UVP方法能測(cè)出孤島狀態(tài)。但是由于修正后的DG參考有功功率曲線使得交點(diǎn)電壓將更加接近于額定值，即原本運(yùn)用OVP/UVP孤島檢測(cè)方法能測(cè)到的負(fù)荷情況變得不能檢測(cè)到，擴(kuò)大了不可檢測(cè)區(qū)。所以，通過(guò)修正DG參考有功功率曲線為負(fù)斜率的方法不可行。

3.4 尋找減小不可檢測(cè)區(qū)的最優(yōu)斜率

比較圖3和圖4，可以看出用正斜率的P-V特性曲線能減小不可檢測(cè)區(qū)，用負(fù)斜率的P-V特性曲線反而會(huì)增大不可檢測(cè)區(qū)。為了更好地減小不可檢測(cè)區(qū)，所選擇的P-V特性斜率必然為正，不妨考慮斜率為正時(shí)的極限情況，即將DG參考有功功率曲線的斜率設(shè)置為點(diǎn)C的切線。

Pref=0.2Vp.u.-0.1

圖5 斜率為點(diǎn)C的切線時(shí)DG和負(fù)荷P-V特性曲線

圖5表示了3種負(fù)荷狀態(tài)和上式中的DG的P-V特性曲線。100 kW負(fù)荷和DG的有功功率曲線相交于點(diǎn)C，C點(diǎn)的有功功率為100 kW，電壓為1 p.u.。對(duì)于大于100 kW的負(fù)荷，DG的參考有功功率曲線與負(fù)荷曲線不相交，即當(dāng)負(fù)荷大于100 kW時(shí)，DG和負(fù)荷沒有交點(diǎn)，也就是說(shuō)DG不能帶動(dòng)大于100 kW的負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于82 kW負(fù)荷，DG的參考有功功率曲線與負(fù)荷曲線交于點(diǎn)D，另外一點(diǎn)不在框圖內(nèi)。通過(guò)這樣的修正，最大程度地使孤島運(yùn)行電壓偏離了額定值，這使得用OVP/UVP方法能很好地檢測(cè)出孤島情況，即最大程度地減小了不可檢測(cè)區(qū)。

3.5 建模與仿真

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下完成了對(duì)系統(tǒng)的建模和仿真。對(duì)于圖1所示的待研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇一個(gè)恒定直流電壓源代替DG，取dcV=0.9 kV，Lf=2.1 mH，DG的輸出有功功率為100 kW。負(fù)荷參數(shù)R=2.304 Ω,L=3.395 mH，C=2.075 mF。電網(wǎng)參數(shù)頻率f=60 Hz,電抗Lg=0.305 6 mH，電阻Rg=0.012 Ω?？刂破鲄?shù)KI=0.000 8，Kp=2.5，KI′=0.1，Kp′=20。直流電壓源通過(guò)逆變電路逆變?yōu)槿嘟涣麟妷海缓蠼?jīng)電抗Lf接于PCC，阻抗分別為Rg和Lg的大電網(wǎng)通過(guò)斷路器BRK接于PCC，負(fù)荷也接于PCC。斷路器BRK在t=3 s時(shí)斷開，在t=7 s時(shí)重新合上。

僅從理論上分析應(yīng)該得到的仿真波形。對(duì)于82 kW的負(fù)荷，Pref設(shè)為100 kW恒定值，電壓穩(wěn)定在1.1 p.u.附近，負(fù)荷的有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為100 kW。當(dāng)采用正斜率時(shí)，電壓和有功功率將跳變比為1.1 p.u.和100 kW更大的值，對(duì)應(yīng)的D點(diǎn)。當(dāng)斜率為負(fù)時(shí)，電壓和有功功率將低于1.1 p.u.和100 kW，相當(dāng)于對(duì)應(yīng)的D′點(diǎn)。所以，DG的P-V特性斜率為正時(shí)能減小不可檢測(cè)區(qū)，斜率為負(fù)時(shí)將增大不可檢測(cè)區(qū)。

對(duì)于100 kW的負(fù)荷，3個(gè)DG的P-V特性曲線的電壓和有功功率穩(wěn)定在1.1 p.u.和100 kW，相當(dāng)于點(diǎn)E和點(diǎn)M。OVP/UVP方法在這樣的條件下將很難檢測(cè)出孤島情形。當(dāng)采用正斜率時(shí)，電壓和有功功率將跳變比為0.88 p.u.和100 kW更小的值，對(duì)應(yīng)的C點(diǎn)。當(dāng)斜率為負(fù)時(shí)，電壓和有功功率將略大于0.88 p.u.和100 kW，相當(dāng)于對(duì)應(yīng)的C′點(diǎn)。同樣的，DG的P-V特性斜率為正時(shí)能減小不可檢測(cè)區(qū)，斜率為負(fù)時(shí)將增大不可檢測(cè)區(qū)。對(duì)于129 kW的負(fù)荷條件下也有同樣的結(jié)論。

所以，理想的仿真波形應(yīng)該是能支持所提的改進(jìn)后的OVP/UVP孤島檢測(cè)方法。調(diào)節(jié)DG的P-V特性曲線斜率為正能減小OVP/UVP孤島檢測(cè)方法的不可檢測(cè)區(qū)，調(diào)節(jié)DG的P-V特性曲線斜率為負(fù)將增大OVP/UVP孤島檢測(cè)方法的不可檢測(cè)區(qū)。

4 結(jié) 論

孤島情況可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和運(yùn)行檢修人員產(chǎn)生極大的危害，因此，必須重視并逐步完善孤島檢測(cè)方法。首先分析了孤島形成的原因，目前孤島檢測(cè)方法的分類以及各種方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。所研究的方法主要對(duì)OVP/UVP方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)修正DG的P-V特性曲線的斜率來(lái)減小OVP/UVP方法的不可檢測(cè)區(qū)。當(dāng)DG的P-V特性曲線斜率為正時(shí)，能有效減小OVP/UVP方法的不可檢測(cè)區(qū)；當(dāng)DG的P-V特性曲線斜率為負(fù)時(shí)，反而會(huì)增大OVP/UVP方法的不可檢測(cè)區(qū)。當(dāng)斜率為額定運(yùn)行點(diǎn)(電壓為1 p.u.，功率為額定功率100 kW)的切線時(shí)，不可檢測(cè)區(qū)可以控制到最小。

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