鄭 濤 ，王燕萍，袁 飛 ，王增平，劉逸辰 ，王小立

（1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.國網寧夏電力公司，寧夏 銀川 750001）

0 引言

孤島是指新能源發(fā)電系統(tǒng)與大電網脫離時，新能源場站仍然為本地負荷供電的現象。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的不斷增加，孤島成為一個不容忽視的問題［1-2］。孤島的發(fā)生將會對用電設備的正常使用、電網的穩(wěn)定運行以及檢修人員的安全產生嚴重的威脅［3］。因此，及時準確地檢測出孤島是保證新能源并網系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要前提。

傳統(tǒng)的孤島檢測法主要有開關狀態(tài)檢測法［4］、主動檢測法［5-6］和被動檢測法［7-9］。開關狀態(tài)檢測法利用通信方法傳遞開關狀態(tài)信息進行孤島檢測，該方法檢測效率高，但成本過高，并不實用［10］；被動檢測法通過檢測孤島發(fā)生前后孤島系統(tǒng)內電氣量的變化來進行孤島檢測，該方法不影響電能質量，但檢測效率較低［11］；主動檢測法通過向系統(tǒng)內注入擾動，根據擾動產生的影響進行孤島檢測，該方法檢測效率較高，但會影響正常運行時的電能質量［12-13］。傳統(tǒng)的孤島檢測方法只針對新能源場站分布式接入電網的情況，而且都需要集成在并網逆變器中［14］，而針對集中式并網的新能源場站的孤島檢測方法的研究相對較少［15］。傳統(tǒng)的孤島檢測方法并不適用于新能源場站集中并網的情形，因此需要尋求新的孤島檢測方法［16］。

本文將突變量保護的方法應用于孤島檢測，提出一種基于突變量阻抗測量的新型孤島檢測方法。該方法利用并網點的突變量電流與突變量電壓求取并網點的等值阻抗，根據等值阻抗的大小進行孤島檢測。仿真證明，新方法能夠有效地檢測出孤島，不存在檢測盲區(qū)，在短路故障、負荷波動等擾動下不會發(fā)生誤判，具有較高的可靠性；針對可能出現誤判的偽孤島情形，采用檢測并網點電流有效值作為輔助判據，能正確區(qū)分孤島和偽孤島。另外，新方法是一種被動檢測法，不影響正常運行時的電能質量。

1 基于工頻突變量阻抗的孤島檢測方法

1.1 孤島前后系統(tǒng)等值阻抗變化分析

新能源并網系統(tǒng)如圖1所示。在新能源系統(tǒng)并網運行時，并網點（即A點和B點）的等值阻抗為大電網與新能源系統(tǒng)并聯(lián)的阻抗值，由于大電網的等值阻抗較小，所以在并網點測得的等值阻抗較小。當發(fā)生孤島時，在并網點測得的阻抗為新能源系統(tǒng)的阻抗，相對于并網運行時，數值較大。另外，當孤島發(fā)生時，并網點的等值阻抗的變化是瞬間發(fā)生的，而頻率、電壓等電氣量發(fā)生變化需要一定的時間，因此，通過并網點的等值阻抗的變化情況能夠快速準確地檢測出孤島。

圖1 集中式新能源并網系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of grid-connected centralized new-energy system

1.2 基于突變量阻抗測量的孤島檢測法的基本原理

基于工頻突變量阻抗測量的孤島檢測方法的原理如圖2所示。在新能源系統(tǒng)并網運行時，其等值電路圖如圖2（a）所示。當斷路器QF突然斷開，相當于系統(tǒng)發(fā)生斷路故障，流過N處的電流及N處的電壓發(fā)生變化，因此，當斷路器QF斷開時，電路可以等效為正常運行時的電路與突變量電路相疊加，其中突變量電路如圖2（b）所示。

圖2 基于工頻突變量阻抗測量的孤島檢測方法原理圖Fig.2 Schematic diagram of islanding detection based on power-frequency variation impedance

在圖2（b）中，突變量阻抗ΔZ、N側系統(tǒng)等值阻抗Zn、電壓突變量ΔU以及電流突變量ΔI存在如下關系：

由分析可知，當QF斷開形成孤島時，突變量ΔZ數值較大；而在并網運行時，突變量ΔZ數值較小。根據并網運行和發(fā)生孤島時并網點等值阻抗的差異，就可以檢測出孤島。

為了防止負荷波動造成檢測裝置頻繁啟動，需對新方法設置啟動門檻，當ΔI超過設定的閾值時啟動算法，以消除潮流變化引起裝置的頻繁啟動。本文參照文獻［15］中突變量算法的啟動判據的設定方法，設In為線路額定負荷電流，令新算法的啟動判據為：

參照文獻［15］的啟動判據整定原則，結合實際運行經驗，令k=0.05～0.1，當測得ΔI大于啟動判據時，啟動算法，計算突變量阻抗，根據突變量阻抗的數值對系統(tǒng)是否發(fā)生孤島進行判斷。

1.3 新方法的檢測性能分析

基于阻抗測量的孤島檢測法［3-6］的難點在于并網點的等值阻抗的測量。傳統(tǒng)的方法利用逆變器向系統(tǒng)注入非特征諧波電流，測量由非特征諧波電流產生的非特征諧波電壓，進而求取非特征諧波阻抗。傳統(tǒng)方法的缺陷主要在于兩方面：需要向系統(tǒng)注入諧波電流，影響正常運行時的電能質量；當多逆變器并聯(lián)運行時，逆變器之間的注入諧波會相互影響，可能造成盲區(qū)增大或誤判的情況。因此，傳統(tǒng)的阻抗式孤島檢測法不能適用于大規(guī)模新能源場站集中式接入電網的情況。

本文提出的方法是一種被動式檢測法，不需要注入諧波，也就不存在影響電能質量和逆變器之間相互影響等問題，可以用于大規(guī)模新能源場站集中式并網情況下的孤島檢測。另外，新方法可以在孤島發(fā)生后很短的時間（2個周期）內檢測出孤島，具有較高的檢測效率。

2 新方法的適用性

2.1 新方法在集中式新能源并網系統(tǒng)中的適用性

由圖1可知，當斷路器QF1和QF2均斷開時，若新能源場站仍為負荷供電，就會形成孤島。在這種情況下，并網點等值阻抗的數值較大，采用新方法能夠準確檢測出孤島。當新能源場站并網運行時，如果系統(tǒng)內發(fā)生短路故障或負荷波動，并網點都會產生突變量，啟動檢測裝置，但此時新能源系統(tǒng)仍然與大電網相連，在并網點測量的等值阻抗很小，不會產生誤判。

當斷路器QF1斷開、斷路器QF2閉合時，新能源系統(tǒng)只通過線路2與大電網相連，此時線路2發(fā)生短路故障，或系統(tǒng)發(fā)生負荷波動時，B點處的檢測裝置會發(fā)生誤判，這是一種偽孤島，針對這種情況，需引入輔助判據來防止誤判。

2.2 輔助判據

圖1所示的新能源場站并網系統(tǒng)，可以等效為圖 3（a）所示的電路，圖 3（a）可分解為圖 3（b）與圖 3（c）的疊加，圖中ZS為大電網的等值阻抗，Zp為新能源場站的等值阻抗，Z為新能源場站本地負載的等值阻抗。

圖3 新能源場站并網系統(tǒng)的等值電路Fig.3 Equivalent circuits of gridconnected new-energy system

非孤島運行時，當系統(tǒng)工頻功率匹配時，電氣量存在如下關系：

其中，I為新能源場站流出的工頻電流；Ia為流入大電網的工頻電流；Ib為流出大電網的工頻電流。而對于諧波分量（新能源場站通常會產生多種諧波），若要滿足系統(tǒng)諧波功率匹配，則需要滿足：

其中，Inh為新能源場站發(fā)出的n次諧波電流；Znh為本地負載的n次諧波阻抗；Znhp為大電網的n次諧波等值阻抗；Inha為流入大電網的n次諧波電流；Inhb為大電網流出的n次諧波電流。當n=3，5，7，…時，在非純阻性負載和非純感性負載情況下，聯(lián)立式（3）—（6），方程組無解。所以，不存在工頻分量和諧波分量同時達到功率匹配的情況，即在未發(fā)生孤島的情況下，不存在并網點的工頻電流和諧波電流同時為0的情況。

電流有效值的表達式為：

其中，I0為直流分量；I1和 I2、…、In分別為工頻電流和各次諧波電流分量。由有效值的定義可知，在未發(fā)生孤島的情況下，并網點的電流有效值不為0。

孤島運行與并網運行時，并網點的電流有效值存在著明顯的差異。當孤島發(fā)生時，流過并網點（即A點和B點）的工頻電流與諧波電流均為0，測得的電流有效值為0；當新能源系統(tǒng)并網運行時，并網點存在工頻電流或諧波電流，測得的電流有效值不為0?？紤]到零漂現象，為排除測量裝置的測量誤差，實際工程應用中需設定一個電流有效值的閾值。通過測量流過并網點電流的有效值是否超過閾值，就可以排除偽孤島的情況。

新方法的檢測過程為：首先利用基于工頻突變量阻抗測量的方法進行檢測，如果算法不啟動或突變量阻抗小于閾值，那么就判定為非孤島；如果突變量阻抗大于等于閾值，那么就測量并網點的電流有效值，如果電流有效值小于等于閾值，就判定為孤島，如果電流有效值大于閾值，就判定為偽孤島。圖4所示為檢測過程流程圖。

3 仿真驗證

利用MATLAB的Simulink模塊搭建新能源場站并網模型，對新方法進行仿真驗證。為驗證新方法的檢測效率，分別對孤島后功率不匹配與功率近似匹配（傳統(tǒng)的被動檢測法將出現檢測盲區(qū)）2種情況進行仿真，然后分別在輸電線路發(fā)生短路故障、系統(tǒng)發(fā)生負荷波動等擾動情況下驗證新方法的可靠性，最后對會引起誤判的偽孤島情況進行仿真，驗證輔助判據在防止誤判時的有效性。

3.1 新方法在孤島發(fā)生情況下的檢測性能

圖4 新方法檢測過程流程圖Fig.4 Flowchart of proposed islanding detection method

新能源場站并網模型及算法參數如下：電源線電壓為380 V，頻率為50 Hz，啟動判據k取0.05，并網逆變器采用PQ控制，設定0.5 s時并網點斷路器斷開。當孤島系統(tǒng)內功率不匹配時突變量阻抗的仿真結果如圖5所示。由圖可知，在并網運行時，算法并不啟動；當孤島發(fā)生時，突變量阻抗在孤島后2個周期內產生較大的變化，可見采用新方法能夠快速檢測出孤島。

圖5 孤島系統(tǒng)內功率不匹配時突變量阻抗的仿真圖Fig.5 Simulative diagram of ΔZ for islanded system with mismatched power

功率近似匹配是指新能源場站的送出功率與負荷消耗功率近似相等。功率近似匹配情況下的仿真結果如圖6所示。由圖可知，在功率近似匹配的情況下，孤島發(fā)生后，并網點的電壓、頻率變化很小，傳統(tǒng)的過/欠壓與過/欠頻方法會產生檢測盲區(qū)，而突變量阻抗在孤島后2個周期之內變化就很大，可見采用新方法能準確快速地檢測出孤島。

3.2 新方法在系統(tǒng)發(fā)生擾動時的可靠性

新能源場站并網模型的擾動仿真原理圖如圖7所示。本節(jié)主要針對2種情況進行仿真，即短路故障和負荷波動，這2種情況都會引起并網點產生突變量，啟動算法。

在新能源場站并網運行時，對于發(fā)生短路故障以及負荷波動的情況，利用本文提出的方法進行仿真，并與發(fā)生孤島的情況進行對比，本算例設定閾值為 5 Ω。 圖 8（a）、圖 8（b）分別為 0.5 s在 K1、K2點發(fā)生三相短路故障時在A點測得的突變量阻抗，圖8（c）為并網運行狀態(tài)下0.5 s時系統(tǒng)所帶負荷從30 Ω變?yōu)?0 Ω時，A點測得的突變量阻抗，圖8（d）為發(fā)生孤島時A點測得的突變量阻抗。由圖8可知，不論三相短路故障發(fā)生在新能源系統(tǒng)的送出線路上，還是發(fā)生在新能源系統(tǒng)中，在A點測得的突變量阻抗數值在故障后2個周期內變化很小，都在0.3 Ω左右，遠小于5 Ω；而發(fā)生孤島時，在A點測得的突變量阻抗已超過5 Ω；對于負荷波動的情況，A點測得的突變量阻抗也在0.3 Ω左右。

發(fā)生負荷波動與發(fā)生短路故障時，A點測得的等值阻抗均為新能源系統(tǒng)與大電網并聯(lián)的等值阻抗，數值相近，都與孤島發(fā)生時測得的數值相差很大。因此，在發(fā)生負荷波動與孤島時，A點測得的突變量阻抗存在著明顯的差異，設定合適的檢測閾值，新方法不會發(fā)生誤判。對于K1、K2點發(fā)生其他類型的短路故障的仿真結果由表1、表2給出；表3給出了4種不同的負荷變化的仿真結果。

圖6 孤島系統(tǒng)內功率不近似匹配時的仿真圖Fig.6 Simulative diagrams for islanded system with approximately matched power

圖7 故障仿真原理圖Fig.7 Schematic diagram of fault simulation

圖8 短路故障、負荷波動和孤島時突變量阻抗仿真對比圖Fig.8 Comparison of ΔZ among short circuit faults，load fluctuation and islanding

表1 K1點發(fā)生短路故障與孤島的仿真對比結果Table 1 Comparison of simulative ΔZ between fault and islanding for short circuit faults at K1

表2 K2點發(fā)生短路故障與孤島的仿真對比結果Table 2 Comparison of simulative ΔZ between fault and islanding for short circuit faults at K2

表3 負荷波動與孤島的仿真對比結果Table 3 Comparison of simulative ΔZ between load fluctuation and islanding

由表1—3可知，在并網狀態(tài)下，盡管當系統(tǒng)發(fā)生短路和負荷波動等擾動時會產生突變量，啟動并網點處的測量裝置，但是在這2種擾動下測得的突變量阻抗與孤島時的突變量阻抗存在很大的差異，只要設定合適的判定閾值，就可以避免誤判。由此可見，采用新方法進行孤島檢測具有較高的可靠性，能夠有效區(qū)分擾動與孤島。

3.3 系統(tǒng)發(fā)生偽孤島時新方法的可靠性

3.3.1 偽孤島發(fā)生時新方法檢測的局限性

如圖7所示，當QF1斷開，只有線路2連接大電網與新能源系統(tǒng)時，當線路2發(fā)生三相短路故障時，在B點測得的突變量阻抗如圖9（a）所示；當QF1、QF2均斷開，發(fā)生孤島時，在B點測得的突變量阻抗如圖9（b）所示?？梢姰敶箅娋W與新能源系統(tǒng)單線連接時，發(fā)生三相短路情況下的突變量阻抗與孤島時的突變量阻抗數值很接近，難以設定合適的閾值將它們區(qū)分出來，在實際運行中很容易發(fā)生誤判。

圖9 三相短路故障和孤島情況下突變量阻抗仿真對比圖Fig.9 Comparison of simulative ΔZ between three-phase short circuit fault and islanding

3.3.2 輔助判據的仿真驗證

當出現根據突變量阻抗無法區(qū)分孤島與偽孤島的情況時，繼續(xù)測量B點電流有效值，仿真如圖10所示，圖10（a）為線路1退出運行、線路2發(fā)生三相短路故障時B點流過的電流有效值，圖10（b）為發(fā)生孤島時B點流過的電流有效值。由圖10可知，在發(fā)生三相短路故障時并網點的電流有效值較大，當發(fā)生孤島時并網點的電流有效值為0，2種情況下的并網點電流有效值差別很大。因此，采用測量并網點電流有效值的方法可以作為新方法的輔助判據，用來防止電網與新能源系統(tǒng)單線連接情況下的誤判。

圖10 三相短路故障和孤島情況下B點電流仿真對比圖Fig.10 Comparison of simulative current of Point B between three-phase short circuit fault and islanding

4 結論

本文所提出的方法利用突變量求取并網點的等值阻抗，根據等值阻抗的大小進行孤島的判別，針對于偽孤島的情況，引入了輔助判據以避免誤判。經理論分析與仿真驗證，新方法檢測效率較高，能夠在孤島發(fā)生后2個周期內檢測出孤島；在系統(tǒng)出現短路故障、負荷波動等情況下采用新方法都具有較高的可靠性；針對可能出現誤判的偽孤島，采用檢測并網點電流有效值的方法作為輔助判據，能正確區(qū)分孤島和偽孤島。新方法屬于被動檢測法，在檢測過程中不會影響電能質量，并且適用于新能源場站集中并網情況下的孤島檢測。

［1］ASIMINOAEI L，TEODORESCU R，BLAABJERG F，et al．A new method of on-line grid impedance estimation for PV inverters［C］∥Applied Power Electronics Conference and Exposition. ［S.l.］：IEEE，2004：1527-1533.

［2］ASIMINOAEIL，TEODORESCU R，BLAABJERG F．A digital controlled PV-inverter with grid impedance estimation for ENS detection［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20（6）：1480-1490.

［3］李軍，黃學良，陳小虎，等．基于分壓器原理的孤島檢測技術在微電網中的應用［J］．中國電機工程學報，2010，30（34）：15-21．LI Jun，HUANG Xueliang，CHEN Xiaohu，et al． Islanding detection method based on voltage divider for micro grid ［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30（34）：15-21．

［4］李軍，黃學良，陳小虎，等．基于雙重判據的微電網快速孤島檢測技術［J］．電力自動化設備，2012，32（5）：38-42．LIJun，HUANG Xueliang，CHEN Xiaohu，etal．Detection of islanded microgrid based on double criterions［J］．Electric Power Automation Equipment，2012，32（5）：38-42．

［5］王華偉，韓民曉，范園園，等．呼遼直流孤島運行方式下送端系統(tǒng)頻率特性及控制策略［J］．電網技術，2013，37（5）：1401-1406．WANG Huawei，HAN Minxiao，FAN Yuanyuan，et al．Sending end frequency characteristics under islanded operation mode of HVDC transmission system from Hulun Buir to Liaoning and corresponding control strategy［J］．Power System Technology，2013，37（5）：1401-1406．

［6］蔡文，劉邦銀，段善旭，等．三相不對稱條件下的電網阻抗檢測方法［J］．中國電機工程學報，2012，32（18）：37-42．CAI Wen，LIU Bangyin，DUAN Shanxu，et al．A grid impedance detection method under unbalanced three-phase conditions ［J］．Proceedings of the CSEE，2012，32（18）：37-42．

［7］HUANG S J，PAI F S．A new approach to islanding detection of dispersed generators with self-commutated static power converters［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15（2）：500-507．

［8］孫博，鄭建勇，梅軍．基于電壓不平衡度正反饋的孤島檢測新方法［J］．電力自動化設備，2015，35（2）：121-125．SUN Bo，ZHENG Jianyong，MEI Jun．Islanding detection based on positive feedback of voltage unbalance factor［J］．Electric Power Automation Equipment，2015，35（2）：121-125．

［9］郭小強，鄔偉揚．微電網非破壞性無盲區(qū)孤島檢測技術［J］．中國電機工程學報，2009，29（25）：7-12．GUO Xiaoqiang，WU Weiyang．Non-devastating islanding detection for microgrids without non detection zone［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29（25）：7-12．

［10］程啟明，王映斐，程尹曼，等．分布式發(fā)電并網系統(tǒng)中孤島檢測方法的綜述研究［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39（6）：147-154．CHENG Qiming，WANG Yingfei，CHENG Yinman，et al．Overview study on islanding detecting methods for distributed generation grid-connected system［J］．Power System Protection and Control，2011，39（6）：147-154．

［11］馬靜，米超，王增平，等．基于負序電壓分配因子的孤島檢測新原理［J］．電網技術，2012，36（8）：239-242．MA Jing，MI Chao，WANG Zengping，et al．A novel islanding detection method based on negative sequence voltage distribution factor［J］．Power System Technology，2012，36（8）：239-242．

［12］蔡逢煌，林瓊斌，王武．帶有諧波補償功能的主動移頻式孤島檢測法［J］．電力自動化設備，2014，34（9）：54-58．CAI Fenghuang，LIN Qiongbin，WANG Wu．Island detection by active frequency drift method with harmonic compensation ［J］．Electric Power Automation Equipment，2014，34（9）：54-58．

［13］VIEIRA J C M，FREITAS W，XU W，et al．Efficient coordination ofROCOF and frequency relaysfordistributed generation protection by using the application region［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（4）：1878-1884．

［14］劉方銳，康勇，張宇，等．帶正反饋的主動移頻孤島檢測法的參數優(yōu)化［J］．電工電能新技術，2008，27（3）：22-25．LIU Fangrui，KANG Yong，ZHANG Yu，et al．Parameter optimization ofactive frequency driftwith positive feedback islanding detection method［J］．Advanced Technology of Electric Engineering and Energy，2008，27（3）：22-25．

［15］楊奇遜，黃少鋒．微機型繼電保護基礎［M］．北京：中國電力出版社，2005．

［16］劉芙蓉，康勇，段善旭，等．主動移頻式孤島檢測方法的參數優(yōu)化［J］．中國電機工程學報，2008，28（1）：95-99．LIU Furong，KANG Yong，DUAN Shanxu，et al．Parameter optimization of active frequency drift islanding detection method［J］．Proceedings of the CSEE，2008，28（1）：95-99．