周 晨，徐華電，劉 歡，李春來

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.合肥工業(yè)大學教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥 230009；3.國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧810008）

分布式并網發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法研究

周 晨1，徐華電2，劉 歡1，李春來3

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.合肥工業(yè)大學教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥 230009；3.國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧810008）

目前基本的分布式并網發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法可分為遠程檢測法、本地被動法以及本地主動法三大類。綜述了三大類中常用的孤島檢測方法，分析了它們的原理和性能并對其優(yōu)缺點進行了比較；結合實際，提出了這些常用的孤島檢測方法的研究進展和發(fā)展趨勢。

分布式發(fā)電；孤島檢測；被動法；主動法

隨著人類社會對電能需求的增大和電力工業(yè)技術的進步，分布式發(fā)電DG（distributed generation）技術在世界各國得到了廣泛的關注和深入的研究。以光伏發(fā)電、風力發(fā)電等為代表的DG系統(tǒng)不僅清潔環(huán)保、能源可再生，而且與傳統(tǒng)集中式發(fā)電相比，還具有投資小，發(fā)電方式靈活等特點。但是，在DG的并網過程中，還存在一些技術難題，孤島效應就是其中之一。

所謂孤島效應，是指由于故障或檢修等原因導致DG系統(tǒng)發(fā)生脫網時，檢測裝置沒有及時檢測出相關故障并觸發(fā)相應的保護裝置動作，便形成了由DG和本地負載組成的自給自足的獨立運行系統(tǒng)，這種系統(tǒng)就稱為孤島系統(tǒng)［1］。

目前，國內外研究的孤島檢測方法主要包括遠程檢測和本地檢測［2,3］。遠程檢測即在電網端直接監(jiān)測并網斷路器等元件的狀態(tài)，并利用通訊方法將狀態(tài)信號傳至DG，實現(xiàn)孤島檢測；本地檢測是在DG側監(jiān)測其輸出電壓、頻率等參數(shù)的變化來實現(xiàn)孤島的檢測，根據(jù)其檢測方法的不同，基本分為被動法和主動法（又稱無源法和有源法）兩種檢測方法。

1 遠程檢測法

遠程孤島檢測方法均是在電網側完成孤島檢測的，其基本原理是通過通訊手段來檢測并網斷路器等保護裝置的狀態(tài)，或者利用安裝在電網側和DG側的信號收發(fā)裝置來判斷是否發(fā)生孤島。目前常用的遠程檢測法有開信號傳送SPD（signal produced by disconnect）法、電力線載波通訊PLCC（power line carries communication）法以及基于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集SCADA（supervisory control and data acquisition）的方法。

1.1 SPD法

SPD法［4,5］的基本原理是通過檢測所有能使DG脫離電網的斷路器和自動重合閘的狀態(tài)來判斷是否發(fā)生孤島。當某個斷路器斷開后，控制器通過相應的算法判斷發(fā)生孤島的區(qū)域并向DG發(fā)送相應的命令。

SPD法的優(yōu)點是能夠強化電網對DG的控制，使電網和DG配合更加緊密，其缺點在于需要大量的通信支持，方案設計較為復雜，當系統(tǒng)規(guī)模擴大時，這些缺陷更加突出。

1.2 PLCC法

PLCC法需要在變電站二次側裝設信號發(fā)送裝置，并持續(xù)地向安裝在DG側的信號接收裝置發(fā)送信號。利用PLCC法的基礎是電力傳輸擁有良好的通路這一特性，當DG側接收不到電網側的載波信號或者信號有所缺失時，則說明DG與電網的連接出現(xiàn)了問題，就判斷孤島發(fā)生。

PLCC法雖然不需要專門的通訊線路，但是信號發(fā)生器發(fā)出的信號可能會對其他的載波信號造成干擾，信號發(fā)生和接受裝置的費用較高，且在信號發(fā)生和接受裝置間距超過15 km時，需要加裝信號中繼設備增強載波信號［6,7］。

1.3 基于SCADA的方法

SCADA系統(tǒng)是基于SCADA孤島檢測方法的實現(xiàn)基礎。SCADA系統(tǒng)能直接獲取并網斷路器的連接狀態(tài)，孤島發(fā)生時，SCADA系統(tǒng)直接判斷孤島區(qū)域，并給DG或保護裝置發(fā)送命令，觸發(fā)動作。

基于SCADA的方法雖然比較直接，且能夠讓電網對DG附加一些控制；但對于多DG系統(tǒng)，需要許多解裂裝置和通訊裝置，且安裝繁瑣，成本增加，對于小型系統(tǒng)的實用性和經濟性降低［8］。

除上述3種遠程檢測方法外，文獻［9］提出了基于智能電網和新的通訊線路與通訊協(xié)議的智能遠程檢測方法，雖然增強了檢測的可靠性，但是增大了檢測時間。遠程檢測方法沒有檢測盲區(qū)NDZ（none detection zone），適用于不同的DG類型，不會對電能質量產生影響，但是需要額外增加通訊裝置，經濟性差成為影響其實際應用的主要因素。隨著智能電網的發(fā)展，遠程方法的經濟可行性也不斷提高。然而，檢測時間是一個關鍵問題。

2 本地被動式法

本地被動檢測法是在DG端直接監(jiān)測公共耦合點PCC（point of common coupling）處的電壓幅值、頻率、相位以及諧波等是否超過預設的閾值，以此來判斷是否發(fā)生孤島。

2.1 過/欠壓、過/欠頻檢測法

孤島發(fā)生后，DG獨自給本地負載供電，當DG的輸出功率和負載功率不平衡時，孤島系統(tǒng)的電壓幅值和頻率就會發(fā)生變化，使得系統(tǒng)的供需趨向于平衡。孤島形成后不平衡的程度越大，電壓幅值和頻率變化越大。當電壓幅值和頻率的變化達到一定程度，并超過預設的閾值時，孤島就會被檢測出來，這就是過/欠壓OUV（over/under voltage）和過/欠頻OUF（over/under frequency）的實現(xiàn)原理［10］。

OUV和OUF原理簡單，容易實現(xiàn)，且利用DG本身的電壓幅值和頻率測量裝置即可實現(xiàn)，無需外加任何硬件電路，經濟性好。然而，當孤島發(fā)生后，DG的輸出功率和負載功率平衡或者相差較小時，電壓的幅值和頻率變化較小甚至沒有變化，無法超過閾值，此時孤島檢測失敗，也就出現(xiàn)了NDZ。另外，閾值的設定需要考慮電網電壓的波動范圍和負載的突增與突減。

2.2 相位跳變檢測法

相位跳變檢測PJD（phase jump detection）法［1,11］是通過監(jiān)控DG輸出電壓和輸出電流的相位差并根據(jù)兩者的相位差是否超過預設的閾值來檢測孤島效應的一種方法。并網穩(wěn)態(tài)情況下，逆變器單位功率因數(shù)運行，輸出電壓和電流的相位差為0；電網斷開后，相位差則完全由負載的阻抗特性決定。如果負載為純阻性，則相位差依然為0，但是若負載為非純阻性時，相位差就會發(fā)生突變，當其超過閾值時，就判定孤島發(fā)生。

PJD雖然容易實現(xiàn)，但是在特定負載，如純阻性負載條件下出現(xiàn)NDZ。另外，PJD的閾值設定困難，閾值設定太低，則容易被電動機起動等引發(fā)誤動作，設定太高則會出現(xiàn)孤島時無法觸發(fā)的情況，這些都給實際應用帶來不便。

2.3 電壓諧波檢測法

電壓諧波檢測HD（harmonic detection）［1,12］是通過監(jiān)測PCC點處電壓的總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）是否越限來檢測孤島是否發(fā)生的。當DG并網運行時，PCC處電壓受電網電壓鉗制，諧波含量較小，DG脫網形成孤島后，產生的諧波電流注入阻抗遠大于電網阻抗的負載，從而使PCC處電壓產生較大的諧波失真；另外，DG系統(tǒng)中變壓器磁滯非線性特性也會使電壓諧波含量增加。這樣，便可通過檢測PCC處電壓的THD是否超過預設閾值判定孤島是否發(fā)生。

HD基本不受功率匹配程度的影響，即使是在功率完全匹配的情況下也能檢測出孤島，原理簡單，易于實現(xiàn)。這種方法的缺陷是受電網諧波影響較大，難以確定合適的閾值。

2.4 關鍵電量變化率檢測法

孤島形成后，由于慣性較小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，功率、頻率等電量的變化率將增大。關鍵電量變化率檢測法CRDKP（change rate detection of key power）以功率變化率［13］、頻率變化率［14］、頻率變化對功率變化之比［15］以及頻率變化對PCC點電壓變化之比［16］等作為檢測孤島的判據(jù)。

這類方法可以提高孤島檢測的精度，但是測量成本會有所提高，而且在DG輸出功率和負載匹配的情況下，也存在NDZ。

本地被動法只是在DG端監(jiān)測相關參量，沒有向電網注入任何擾動，因而不會對電能質量產生影響，且在多DG情況下檢測效率不會降低。但是該類方法存在較大NDZ，上述4種本地被動式孤島檢測方法都存在閾值選擇的問題：一方面，閾值的選擇要保證孤島檢測的有效性，使孤島的發(fā)生能夠盡量被檢測出來，減小NDZ；另一方面，閾值的選擇需要保證孤島檢測的可靠性，使得孤島檢測盡量不受電網波動、負荷投切以及負荷類型等因素的干擾而發(fā)生誤判。

3 本地主動法

為了克服本地被動法在孤島檢測中存在較大NDZ的缺陷，研究人員提出了本地主動法。其基本原理是通過DG向系統(tǒng)注入事先設計的信號，然后觀察孤島前后系統(tǒng)對擾動信號響應的差異來檢測孤島，尤其是在功率平衡狀態(tài)下，本地主動法通過向系統(tǒng)注入擾動能夠破壞系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，造成系統(tǒng)電壓、頻率以及相位差等的變化，從而檢測出孤島。根據(jù)擾動的對象不同，可將本地主動法［17］分為：頻移法、輸出功率擾動法和阻抗測量法。

3.1 頻移法

頻移法是最常用的主動式孤島檢測方法，鑒于主動頻率偏移AFD（active frequency drift）法仍具有較大的NDZ，在AFD中加入頻率正反饋，形成Sandia頻率偏移SFS（Sandia frequency shift）法。為了克服稀釋效應，對電流相位運用正反饋的滑模頻率偏移SMF（slide-mode frequency shift）法。

AFD的原理［18］是周期性的向系統(tǒng)注入頻率有微小變化的電流，使得PCC點電壓在斷網之后有一個連續(xù)向上或者連續(xù)向下改變，從而最終超出設定的閾值，致使孤島被檢測出來。而對于并聯(lián)RLC負載，AFD可能存在NDZ，比如，若負載呈阻感性，則運行于單位功率因數(shù)的DG會使系統(tǒng)的頻率向上偏移，此時如果采用向下移頻，則兩者的效果有抵消趨勢，致使孤島在規(guī)定時間內不能被檢測出來。AFD雖然比被動式孤島檢測方法具有更小的NDZ，但是對于多DG系統(tǒng)，若部分DG采用向上移頻，另一部分采用向下移頻，則其移頻效果相互抵消，即產生所謂的稀釋效應，會降低孤島檢測的有效性。

SFS就是對頻率運用正反饋的AFD方案［19］，當檢測到系統(tǒng)微小的頻率變化，就會試圖加快頻率的變化，DG并網運行時，電網的穩(wěn)定性限制了頻率的變化，DG脫網后，由于正反饋的作用，系統(tǒng)的頻率會迅速超出閾值，使孤島被檢測出來。SFS雖然解決了AFD的負載阻抗特性可能阻止頻率偏移的特性，但是正反饋增加了對電網的擾動。

SMF和SFS的機制類似，所不同的是SMF是對DG輸出電流的相位進行正反饋擾動［20］。SMF不會產生稀釋效應，且在鎖相環(huán)的基礎上容易實現(xiàn)，但是需要不停地對輸出電流的相位進行擾動，更大程度上降低了電能質量。

3.2 輸出功率擾動法

當DG輸出功率和負載功率完全匹配時，PCC處的電壓幅值和頻率在孤島發(fā)生前后是不發(fā)生變化的，此時發(fā)生孤島也最難檢測。為了破壞孤島時的平衡狀態(tài)，可以通過控制DG的輸出，周期性地對有功功率和無功功率施加擾動，造成孤島狀態(tài)下電壓幅值和頻率的明顯變化，從而檢測出孤島。

對于電流控制型的逆變器而言，有功功率擾動就是周期性地改變電流的給定值，從而改變其輸出有功功率。并網運行時，逆變器的輸出電壓由電網決定；電網斷開后，PCC處電壓由逆變器輸出電流和負載決定，當輸出電流受到擾動時，輸出電壓就會隨之變化，當變化超過閾值時孤島就會被檢測出來。相對于頻移法而言，有功功率擾動向電網注入的諧波含量較小，但是并網運行時會因有功功率擾動而減少發(fā)電量，因此考慮無功功率擾動法。

無功功率擾動方式下，逆變器不僅向電網輸送有功功率，也提供一部分無功功率。同樣地，在并網條件下，PCC處電壓受到電網鉗制，不受擾動的影響，孤島狀態(tài)時，一旦擾動破壞了平衡狀態(tài)，PCC處的電壓幅值和頻率都將發(fā)生變化。無功功率擾動法不會影響電能質量，也不會降低發(fā)電量，但是當系統(tǒng)中含有多臺逆變器時，需要解決各個逆變器之間擾動的同步同向問題，否則會失效，這增加了實現(xiàn)的成本與復雜性。

3.3 阻抗測量法

從DG輸出端口看，本地負載和電網視為一個二端口網絡。阻抗測量法就是通過測量DG輸出的電壓和電流并計算其諧波，得到諧波阻抗，根據(jù)諧波阻抗的大小來判斷孤島的一種方法，分為被動測量技術和主動測量技術。由于電網的阻抗較小，因而并網條件下阻抗較?。浑娋W斷開后，測得的阻抗即為負載阻抗，通常遠大于并網時的阻抗。在大多數(shù)情況下，電網的諧波很小，難以被準確檢測到，所以被動測量技術不適用于孤島檢測。主動測量技術［21］是通過檢測裝置或者逆變器本身向電網輸入一定的諧波電流擾動，然后測量DG的輸出電壓，并經過處理運算，得到諧波阻抗。

主動阻抗測量法雖然能夠很好地檢測出孤島，但是對弱電網或者電網本身波動較大的情況，測量結果容易受到影響。另外，多個逆變器并聯(lián)運行時，擾動信號會相互干擾，可能會使阻抗測量錯誤。

本地主動式孤島檢測方法相對于本地被動式孤島檢測方法，具有更小的NDZ，也能更準確地檢測出孤島。但是，由于需要添加擾動量，控制算法更加復雜；除功率擾動法外，其他主動法都會降低電能質量；另外，一些方法（如AFD）的準確性還會受負載性質影響較大、稀釋效應以及擾動不同步等問題的影響。

4 孤島檢測方法的進展

通過上述分析，總結了遠程法、本地被動法以及本地主動發(fā)的主要優(yōu)缺點，如表1所示。為了適應現(xiàn)代電網對供電可靠性與安全性的高要求、對電能質量的高標準等特點，更好地提高孤島檢測的實效性，當前孤島檢測方法的研究方向和進展主要有以下4個方面。

（1）遠程法雖然沒有檢測盲區(qū)，可靠性高，但是提高了設備成本，裝置安裝的復雜性也限制了其在工程中使用。然而，隨著智能電網的發(fā)展和電網中智能電子設備IED（intelligent electronic devices）的增加，出現(xiàn)了一些新的遠程檢測方法，如基于相量測量單元PMU（phasor measurment unit）的遠程檢測法［22］和改進數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控SCADA（supervisony control and data acquisition）系統(tǒng)法［23］等。

（2）為了減小或者消除NDZ，降低對電能質量的影響，將多種孤島檢測方法組合使用。例如，文獻［24］提出將頻率變化與功率因數(shù)角變化相結合的孤島檢測方法，既減小檢測時間，又消除了OUF的NDZ；文獻［25］組合無功變化與基于正反饋的頻移法一起進行孤島檢測，在不影響電能質量的同時，加快了檢測速度并消除了NDZ。

（3）為了克服被動式孤島檢測方法閾值選擇等問題，將智能算法和模式識別應用于孤島檢測。文獻［26］利用小波變化提取電壓和電流的諧波形成特征向量后，再通過BP神經網絡進行模式識別，從而判斷孤島是否發(fā)生，解決了主動法影響電能質量以及被動法閾值選擇的問題；此外，決策樹和Fisher等模式識別算法和智能算法也相繼被應用于孤島檢測［27,28］。

（4）多逆變器并聯(lián)運行下的孤島檢測技術將得到深入研究。當前孤島檢測的許多方法都是基于單機情況下處理和分析的，為了適應實際工程需要，克服多逆變器并聯(lián)時的稀釋效應以及主動法檢測過程中由于擾動方向不一致等因素降低檢測效果的缺陷，需要對多逆變器并聯(lián)運行時的孤島檢測方法進行研究［29-31］。

表1 孤島檢測方法優(yōu)缺點比較Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of islanding detection method

5 結語

孤島檢測是分布式并網發(fā)電系統(tǒng)必須具備的功能。本文介紹了當前主要的幾種分布式并網發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測方法，分析了它們的原理，并對其優(yōu)點和不足進行了比較。綜合考慮孤島檢測的性能和對電能質量的選擇，將智能算法和模式識別應用于被動式檢測方法是未來發(fā)展的一個重要方向。

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Research on Islanding Detection Methods for Grid-connected Distributed Generation

ZHOU Chen1,XU Huadian2,LIU Huan1,LI Chunlai3
（1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China；2.Research Center for Photovoltaic System Engineering of Ministry of Education,Hefei University of Technology，Hefei 230009,China；3.Electric Power Research Institute of Qinghai Power Grid Corporation,Xining 810008,China）

The islanding detection methods of distributed generation（DG）system currently can be divided into three categories,namely remote techniques,local passive techniques and local active techniques.In this paper,the common detection methods of three categories is presented,their principles are analyzed and their advantages/disadvantages are compared.In accordance with engineering practice in this paper,the research progress developing trend of islanding detection methods is discussed.

DG（distributed generation）;islanding detection;passive techniques;active techniques

周晨

周晨（1985-），男，碩士，中級工程師，研究方向：儲能直流變換控制技術及智能微電網技術，E-mail：zhouchen@epri.sgcc. com.cn。

徐華電（1990-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：光伏發(fā)電技術、微電網建模與仿真，E-mail：xuhuadian@163.com。

劉歡（1987-），男，本科，助理工程師，研究方向：新能源發(fā)電和電力電子技術在電力系統(tǒng)的應用，E-mail：liuhuan@ epri.sgcc.com.cn。

李春來（1981-），男，碩士，高級工程師，研究方向：新能源發(fā)電及并網技術、太陽能電站測試及實證技術，E-mail：lichun lai0216@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.125

：TM 615

：A

2015-09-25

青海省光伏發(fā)電并網技術重點實驗室資助項目（2014-Z-Y34A）

Project Supported by Key Laboratory of Grid-connected Photovoltaic Technology in Qinghai Province（2014-Z-Y34A）