席攀，王致杰，袁建華，何大清，劉嬌嬌

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240;2.上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200070)

0 引言

近年來(lái)，作為有效利用分布式能源的一種重要形式-微電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。微電網(wǎng)通過(guò)本地分布式微型電源為附近負(fù)荷提供電能和熱能，是一種基于傳統(tǒng)電源的較大規(guī)模的獨(dú)立系統(tǒng)［1］，既可以單獨(dú)向本地負(fù)載供電，又可以與大電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行。

孤島是指當(dāng)包含分布式電源(Distributed Generation，即DG)和微電網(wǎng)的系統(tǒng)因電氣故障或停電維修等原因引起跳閘后，各用戶端的DG由于未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)，將自身切離大電網(wǎng)，從而形成的一個(gè)由DG繼續(xù)向本地負(fù)載供電的電力孤島［2］。孤島運(yùn)行按照是否經(jīng)過(guò)事先規(guī)劃可分為計(jì)劃孤島運(yùn)行和非計(jì)劃孤島運(yùn)行。計(jì)劃孤島運(yùn)行可以有效發(fā)揮DG的積極作用，為大電網(wǎng)緩解部分供電壓力，提高供電可靠性;非計(jì)劃孤島運(yùn)行會(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，帶來(lái)一系列危害。因此，應(yīng)盡量避免非計(jì)劃孤島的產(chǎn)生，并由此制訂了 IEEE Std.999-2000，UL1741以及IEEE Std.1547-2003等一系列標(biāo)準(zhǔn)，且規(guī)定所有的并網(wǎng)逆變器都必須及時(shí)有效檢測(cè)出孤島狀態(tài)，即孤島檢測(cè)［3-4］。

其中，基于逆變器側(cè)的孤島檢測(cè)方法可分為主動(dòng)檢測(cè)和被動(dòng)檢測(cè)兩大類。主動(dòng)檢測(cè)由于引入相應(yīng)的擾動(dòng)到逆變器端的控制信號(hào)中，因而對(duì)電能質(zhì)量有一定影響;傳統(tǒng)的被動(dòng)檢測(cè)雖然對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響，但其檢測(cè)盲區(qū)較大;而新型的被動(dòng)檢測(cè)即使在逆變器的輸出與負(fù)載匹配的情況下，也能有效檢測(cè)出孤島情況。

1 孤島檢測(cè)的機(jī)理分析

對(duì)DG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，有效、及時(shí)地檢測(cè)出孤島狀態(tài)對(duì)整個(gè)分布式并網(wǎng)系統(tǒng)具有十分重要的意義。IEEE Std.1547-2003規(guī)定孤島檢測(cè)必須在2 s內(nèi)完成，檢測(cè)時(shí)間越短越好。

圖1 孤島檢測(cè)原理示意圖

如圖1所示，為基于逆變器側(cè)的孤島檢測(cè)原理示意圖［5］。Grid為電網(wǎng)側(cè)電壓，DG為分布式系統(tǒng)逆變器端的輸出電壓。P、Q為分布式電源發(fā)出的有功和無(wú)功，ΔP、ΔQ為電網(wǎng)發(fā)出的有功和無(wú)功，V、f為公共點(diǎn)的電壓和頻率。

當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S2同時(shí)閉合時(shí)，DG系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或停電維修等情況時(shí)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，此時(shí)DG系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)出孤島狀態(tài)，并將DG側(cè)開(kāi)關(guān)S2切斷。

由文獻(xiàn)［6］140可知，當(dāng)分布式系統(tǒng)的逆變器孤島運(yùn)行時(shí)，若逆變器的輸出功率與負(fù)載功率完全匹配時(shí)，即ΔP=0時(shí)，其頻率、電壓與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)幾乎無(wú)變化，此時(shí)很難檢測(cè)出孤島情況，進(jìn)入檢測(cè)盲區(qū)。

2 被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法

被動(dòng)法是通過(guò)監(jiān)測(cè)出現(xiàn)孤島后公共點(diǎn)(PCC點(diǎn))的端電壓、頻率、相位、諧波等變化來(lái)判斷孤島，對(duì)電能質(zhì)量無(wú)影響，但存在較大盲區(qū)。

2.1 傳動(dòng)被動(dòng)式方法

2.1.1 公共點(diǎn)電壓/頻率檢測(cè)法

此法［7］也稱為過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻檢測(cè)法，通過(guò)監(jiān)測(cè)公共點(diǎn)的電壓、頻率是否超過(guò)正常范圍來(lái)判斷孤島。在逆變器的輸出功率與負(fù)載不匹配的情況下，當(dāng)出現(xiàn)孤島時(shí)，公共點(diǎn)的電壓、頻率會(huì)隨之發(fā)生變化，當(dāng)超出設(shè)定的閾值時(shí)，則可檢測(cè)到孤島，這是檢測(cè)孤島最直接、最常用的方法。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEEE Std.999-2000，UL1741 以及 IEEE Std.1547-2003等規(guī)定了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電后檢測(cè)到孤島狀態(tài)并實(shí)施跳閘措施的具體時(shí)間要求［8］，包括電壓和頻率檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中，Un是電網(wǎng)電壓正常幅值，fn是電網(wǎng)電壓正常頻率。表1為IEEE Std.20000-929/UL1741孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，表2、表3分別為IEEE Std.1547電壓和頻率的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 IEEE Std.20000-929/UL1741對(duì)孤島最大檢測(cè)時(shí)間的限制

我國(guó)于2005年發(fā)布了GB19939-2005-T光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求［9］5-6，規(guī)定光伏系統(tǒng)的逆變器必須具備過(guò)/欠壓保護(hù)、過(guò)/欠頻保護(hù)功能，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定發(fā)生孤島后，即使電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)至正常范圍，光伏系統(tǒng)仍不能向電網(wǎng)供電。

優(yōu)點(diǎn):原理簡(jiǎn)單，不需要外加其他硬件，成本低。

缺點(diǎn):如前所述，當(dāng)逆變器的輸出功率與所帶負(fù)載接近匹配［10］時(shí)，則電網(wǎng)斷電后公共點(diǎn)的電壓、頻率變化非常小，此方法就無(wú)法檢測(cè)出孤島，存在較大盲區(qū);若不與其他技術(shù)配合使用，很難有效檢測(cè)。

表2 IEEE Std.1547的電壓檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表3 IEEE Std.1547的頻率檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 電壓相位跳變檢測(cè)法

此法通過(guò)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓之間相位差判斷孤島［6］141。當(dāng)DG系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于并網(wǎng)逆變器中鎖相環(huán)PLL的作用，逆變器電流與電壓同相位，以確保系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下工作;當(dāng)DG系統(tǒng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)后，公共點(diǎn)電壓不再與電網(wǎng)電壓相同，而由逆變器輸出電流和負(fù)載阻抗共同決定，其中，逆變器輸出電流由于PLL的作用繼續(xù)保持頻率和相位不變，因此，對(duì)于非阻性負(fù)載，一旦發(fā)生孤島，公共點(diǎn)的電壓相位將發(fā)生跳變，通過(guò)檢測(cè)輸出電流和公共點(diǎn)電壓之間的相位差是否變化便可判斷孤島。

優(yōu)點(diǎn):原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，只需要檢測(cè)逆變器輸出電流與公共點(diǎn)電壓之間的相位差，對(duì)于多DG系統(tǒng)仍然適用;

缺點(diǎn):當(dāng)本地負(fù)載為純阻性或其阻抗角很小時(shí)，相位差幾乎無(wú)變化，無(wú)法有效檢測(cè)出孤島;在投切感性、容性負(fù)載或啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的過(guò)程中將會(huì)有較大的瞬間相位跳變，容易引起誤判，這也使得相位差的閾值很難確定。

2.1.3 電壓諧波檢測(cè)法

此法通過(guò)檢測(cè)DG系統(tǒng)逆變器端電壓總的諧波畸變率(即VTHD)來(lái)判斷孤島［11］。當(dāng)DG系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)阻抗小，逆變器輸出的諧波電流主要流入電網(wǎng)，公共點(diǎn)的電壓諧波量小;孤島運(yùn)行時(shí)，諧波電流全部流入比電網(wǎng)阻抗大得多的負(fù)載阻抗，導(dǎo)致逆變器端電壓諧波含量較大，當(dāng)諧波電壓量足夠大時(shí)，則可檢測(cè)到孤島狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單易行，多臺(tái)逆變器工作時(shí)效果基本不變;

缺點(diǎn):存在檢測(cè)盲區(qū);檢測(cè)閾值難以確定。

2.1.4 關(guān)鍵電量變化率檢測(cè)法

此法通過(guò)檢測(cè)孤島前后一些電量的變化值是否超過(guò)設(shè)定的閾值來(lái)判斷孤島，如輸出功率變化率、頻率變化率、相位電壓變化率［5］、頻率對(duì)功率的偏導(dǎo)、頻率對(duì)電壓的偏導(dǎo)等電量特征值。文獻(xiàn)［12］表明，頻率電壓變化率作為孤島檢測(cè)的指標(biāo)比頻率功率變化率靈敏度高，是一種有效的檢測(cè)方法。

傳統(tǒng)被動(dòng)式檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)很大，而新型被動(dòng)式檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)得到了大大減小。

2.2 新型被動(dòng)式方法

2.2.1 基于數(shù)字挖掘的檢測(cè)法

基于數(shù)字挖掘的孤島檢測(cè)法主要是將具有統(tǒng)計(jì)學(xué)思想的分類算法引入檢測(cè)中，以優(yōu)化整定檢測(cè)閾值的方法。

文獻(xiàn)［13］主要利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的C4.5決策樹(shù)來(lái)判斷孤島狀態(tài)，以頻率、電壓幅值、頻率變化率、有功功率變化率等電氣量作為判據(jù)，建立if-then規(guī)則，適用于挖掘數(shù)據(jù)量多，且對(duì)效率和性能要求高的場(chǎng)合，但并未說(shuō)明所選判據(jù)的理由，且未考慮功率不平衡度的情況下孤島檢測(cè)的有效性;文獻(xiàn)［14］綜合運(yùn)用8種電氣量，仍然采用C4.5決策樹(shù)檢測(cè)孤島，具有較好的實(shí)時(shí)性，由于采用的判據(jù)較多，計(jì)算量大，影響檢測(cè)速度;文獻(xiàn)［15］引入小波分析中的各層多分辨率奇異熵，將其作為新型判據(jù)，采用RELIFE算法進(jìn)行特征選擇，并通過(guò)ROC分析來(lái)比較C4.5、CART、SVM三種分類算法，但未考慮如投切負(fù)荷、電網(wǎng)諧波等多種偽孤島情況。

2.2.2 基于小波分析的檢測(cè)法

小波作為一種重要的信號(hào)處理工具，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用、圖像分析、電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)等方面已取得了很多成果。近年來(lái)，小波也被引入到分布式系統(tǒng)的孤島檢測(cè)技術(shù)中。

文獻(xiàn)［16］針對(duì)單相光伏系統(tǒng)，通過(guò)分別對(duì)孤島前后公共點(diǎn)電壓(VPCC)對(duì)逆變器等效電源的電壓(VDG)的變化率、逆變器輸出電流(IDG)對(duì)VDG的變化率以及逆變器輸出功率(PDG)對(duì)VDG的變化率繪制幅頻曲線，并對(duì)頻帶進(jìn)行積分，經(jīng)比較，最終選取PDG對(duì)VDG的變化率作為孤島判據(jù)，選用Biorthogonal 1.5小波并對(duì)其d5進(jìn)行處理，但缺乏與偽孤島情況的比較;文獻(xiàn)［17］選用三相電壓中的一相作為特征值，利用db4小波對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，選擇D2的小波系數(shù)能量值，當(dāng)其超過(guò)設(shè)定的閾值，則判斷為孤島情況，但未說(shuō)明所選母小波及小波分解層數(shù)的理由;文獻(xiàn)［18］利用db4小波分別對(duì)三相電壓、電流六個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，并考慮其他偽孤島情況，但由于要計(jì)算六路信號(hào)，所以大大增加了計(jì)算量，影響檢測(cè)速度;文獻(xiàn)［9］26-37利用小波變換提取公共點(diǎn)電壓信號(hào)中的高次諧波含量，但未考慮不同功率平衡度下孤島檢測(cè)的有效性;文獻(xiàn)［19］采用db4小波對(duì)單相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理，將得到的小波系數(shù)值送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練;文獻(xiàn)［20］以公共點(diǎn)電壓為研究對(duì)象，將多分辨率奇異譜熵和支持向量機(jī)結(jié)合用于區(qū)分孤島和其他電能質(zhì)量擾動(dòng)。

2.2.3 基于S變換的檢測(cè)法

S變換作為對(duì)小波變換的一種改進(jìn)，其用于電能質(zhì)量擾動(dòng)識(shí)別已經(jīng)取得了良好的效果。目前，一些學(xué)者開(kāi)始嘗試將其引入到分布式系統(tǒng)的孤島檢測(cè)中。

文獻(xiàn)［21］通過(guò)提取公共點(diǎn)電壓的負(fù)序成分，分別對(duì)其進(jìn)行S變換和小波變換，獲取能量值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果表明，在孤島情況和多種電能擾動(dòng)情況下，S變換的結(jié)果要優(yōu)于小波變換，但并未考慮不同負(fù)載投入時(shí)孤島檢測(cè)的有效性;文獻(xiàn)［22］利用S變換，提取公共點(diǎn)電壓信號(hào)的高次諧波分量，但未考慮其他電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)孤島情況的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

分布式發(fā)電系統(tǒng)的裝置必須具備孤島檢測(cè)的功能。本文首先介紹了孤島檢測(cè)的機(jī)理，然后對(duì)傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)方法和基于數(shù)據(jù)挖掘、小波變換、S變換等新型被動(dòng)式檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述。傳統(tǒng)的被動(dòng)式檢測(cè)方法在分布式發(fā)電系統(tǒng)供給的功率與負(fù)載功率完全匹配時(shí)會(huì)失效，而新型被動(dòng)式檢測(cè)方法即使在這種情況下也能有效檢測(cè)出孤島。但如何尋找合適、有效的判據(jù)，如何確定適當(dāng)?shù)拈撝凳切滦捅粍?dòng)式方法需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

另外，在實(shí)際進(jìn)行孤島檢測(cè)時(shí)，往往至少包含一種主動(dòng)式檢測(cè)方法和一種被動(dòng)式檢測(cè)方法，這樣的檢測(cè)效果可靠性、有效性較高。

［1］張建華，黃偉.微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

［2］牛沖宣.微電網(wǎng)的孤島檢測(cè)與孤島劃分［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［3］程啟明，王映斐，程尹曼，等.分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島檢測(cè)方法的綜述研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(6):147-154.

［4］余運(yùn)俊，張燕飛，萬(wàn)曉鳳，等.光伏微網(wǎng)主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法綜述［J］.電測(cè)與儀表，2014，51(1):22-30.

［5］賀眉眉，李華強(qiáng)，甘立勇，等.RLC負(fù)荷模型分布式發(fā)電孤島檢測(cè)方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(6):7-11.

［6］張有兵，穆淼婕，翁國(guó)慶.分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(1):139-146.

［7］YE ZHIHONG，KOLWALKAR A，ZHANG YU，et al.Evaluation of antiislanding schemes based on nondetection zone concept［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2004，19(5):1171-1176.

［8］鄧中原.分布式發(fā)電孤島檢測(cè)技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

［9］青桃.光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)與運(yùn)行控制研究［D］.江西:南昌大學(xué)，2010.

［10］殷桂梁，孫美玲，肖麗萍.分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2007，30(1):1-6.

［11］LOPES L A C，SUN H.Performance assessment of active frequency drifting islanding detection methods［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(1):171-180.

［12］曾議，吳政球，劉楊華，等.分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2009，21(3):106-110.

［13］林霞，董曉峰，陸于平，等.基于數(shù)據(jù)挖掘的分布式系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，23(2):38-44.

［14］戴陽(yáng)，董曉峰，朱亮，等.基于C4.5算法的分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測(cè)方法［J］.電測(cè)與儀表，2014，51(8):80-85.

［15］譚嘯風(fēng)，許錦喜，顏晟，等.基于數(shù)據(jù)挖掘的孤島檢測(cè)整定閾值優(yōu)化［J］.可再生能源，2014，32(1):39-43.

［16］A PIGAZO，M LISERRE，R A MASTROMAURO，et al.Wavelet-based islanding detection in grid-connected PV systems［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56，(11):4445-4455.

［17］M HANIF，U D DWIVEDI，M BASU，et al.Wavelet based islanding detection of DC-AC inverter interfaced DG systems［C］.The 45th International Universities Power Engineering Conference(UPEC)，2010:1-5.

［18］N W A LIDULA，A D RAJAPAKSE.A pattern-recognition approach for detecting power islands using transient signals—Part II:Performance evaluation［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(3):1071-1080.

［19］謝東，張興，曹仁賢.基于小波變換與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的孤島檢測(cè)技術(shù)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(4):537-545.

［20］朱艷偉，石新春，李鵬.多分辨率奇異譜熵和支持向量機(jī)在孤島與擾動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(7):64-70.

［21］PRAKASH K RAY，NAND KISHOR，SOUMYA R MOHANTY.Islanding and power quality disturbance detection in grid-connected hybrid power system using wavelet and s-transform ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1082-1094.

［22］青桃，江智軍.S變換在孤島檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37(1):31-34.