常見孤島檢測盲區描述方法

劉 建 ，崔德民 ，李曉博 ，王 晶 ，王 森

（1.德州供電公司，山東 德州 253000；2.山東鋁業職業學院，山東 淄博 255051；3.中國石油大學（華東），山東 青島 266580）

0 引言

孤島問題是指當電網因發生故障或停電維修等原因而跳閘，以致于不能可靠供電時，分布式并網發電系統如果未能快速及時檢測出停電狀態而仍舊與電網相連，并繼續供電，將形成供電孤島［1］。圖1所示為分布式電源并網運行結構圖。針對分布式并網發電系統的孤島檢測方法種類繁多，如表1所示，但大部分都存在檢測盲區問題，即在一些特殊的負載情況下，孤島檢測裝置不能及時有效地檢測出孤島狀態，對負載端用戶的設備造成損壞，孤島線路也將危及檢修人員的人身安全，在重新合閘前如沒有消除孤島狀態也將會導致不同步并網，其所帶來的危害可想而知。當所用檢測方法不能可靠檢測出孤島狀態時，其所對應的負荷空間或負載參數區間即可定義為孤島檢測盲區。孤島檢測盲區的大小可以作為判斷孤島檢測方法好壞的重要標準，通過對孤島檢測盲區進行恰如其分的描述，可以對相應的孤島檢測方法性能進行評價，進而有效地揭示孤島檢測方法的適用范圍。

圖1 孤島系統并網運行結構圖

研究孤島檢測盲區的描述方法可以更深入地找出孤島檢測失敗的原因，便于今后研究出更高效的孤島檢測方法。

1 孤島檢測盲區描述方法

對于孤島檢測盲區的描述，目前有多種方法，如功率失配區間描述法、負載參數L×Cnorm區間描述法、負載特性參數Qf×fres區間描述法、類負載特性參數Qf0×Cmorm區間描述法等，有著各自不同的特點和適應范圍。

1.1 功率失配區間描述法

由于電網跳閘前后系統中功率的變化情況可以通過功率不匹配的大小ΔP和ΔQ和很明顯的反映出來，因此，可以簡單地使用功率失配區間區間ΔP×ΔQ對被動式孤島檢測方法的檢測盲區（NDZ）進行定量描述［2］。

表1 孤島檢測方法

在圖1所示的孤島系統并網運行結構圖中，當分布式電源輸出的有功和無功功率比負載所需的有功和無功功率大時，電網將吸收多輸出的那一部分有功和無功功率；反之，當分布式電源發出的功率比負載所需的功率小時，負載將從電網吸收相應的功率缺額。 當電網側斷路器斷開形成孤島運行時，如果分布式電源發送的功率與負載所需的功率不相等，即ΔP＋jΔQ≠0時，公共耦合點a處的電壓幅值大小和頻率將發生變化，電路將運行于一個新的穩態平衡點。如果分布式電源發送的功率與負載所需的功率比較接近，即和特別小的時候，則孤島系統中的電壓幅值和頻率變化很微弱，系統不能檢測出孤島，孤島狀態將持續發生，也即是進入檢測盲區了。如果功率不匹配很嚴重，即ΔP和ΔQ足夠大時，則公共耦合點a處的電壓幅值和頻率將超出正常工作范圍，OUF和OUV保護將判斷出孤島并阻止孤島狀態的繼續運行。用功率失配區間ΔP×ΔQ區間，即如圖2所示，以坐標原點附近的區間來描述以上2種情況，公共耦合點a處的電壓幅值或者頻率的變化只要在此區間內都將不能夠觸發反孤島保護動作，所以將這個區間定義為功率失配區間ΔP×ΔQ區間中所描述的NDZ。NDZ越小說明所描述的孤島檢測方法性能越好。

圖2 ΔP×ΔQ區間描述的NDZ

1.2 負載參數L×Cnorm區間描述法

當分布式電源輸出功率與負載所需功率相匹配時，主動式孤島檢測方法仍能檢測出孤島，與被動式孤島檢測法相比，其檢測效率明顯提高。雖然功率失配區間ΔP×ΔQ區間在一定程度上能反映出孤島檢測方法的可行性，但是功率失配區間ΔP×ΔQ區間不能直觀地反映主動式孤島檢測方法的有效性，也不能反映出其與負載參數之間的關系。因此，可以考慮用一種基于具體負載參數的坐標區間方法來準確地描述主動式孤島檢測方法的檢測盲區，如L×Cnorm區間，其中L為負載電感，Cnorm為負載電容的標幺值。發生諧振時，電網角頻率

即可知諧振電容為

定義負載電容的標幺值Cnonm為

式中：C為負載電容；L為負載電感。

記θload孤島狀態時的負載阻抗角，θDG為所采用的孤島檢測方法決定的分布式電源輸出電流超前于端電壓的相位角，則相位平衡關系為

式（4）可作為孤島發生與否的一個判斷標準，即孤島發生的相位判據。

由θload=-θDG可推出L×Cnorm區間描述的相位判據

對L×Cnorm區間中的任意一點，孤島系統的穩態頻率都可以用（5）式所述相位判據進行計算，如果孤島系統的穩態頻率沒有超出過/欠頻保護的范圍，那么該負載參數位于所采用孤島檢測方法的NDZ之內，否則處于NDZ之外。需要注意的是，式（5）可以發現，由于相位判據只能對基于頻率的孤島檢測方法的NDZ的大小和位置進行描述，而對于預測孤島狀態持續發生的時間卻無能為力，并且根據（5）式的相位判據所確定出的NDZ的大小與電阻R的大小有關。因此，當負載電阻R不相同時，用同一種孤島檢測方法在L×Cnorm區間中所描述的NDZ也不盡相同，所以L×Cnorm區間在反映負載電阻的變化對基于頻率的孤島檢測方法所形成的NDZ的形狀及大小的影響時就顯得效果不是很理想，說明負載參數L×Cnorm區間描述法存在很大的局限性。文獻［3］對負載參數L×Cnorm區間描述法進行了詳細的實驗驗證。

1.3 負載特性參數Qf×fres區間描述法

諧振電路的品質因數

式中：ωres為負載電路諧振角頻率。

為了避免負載電阻的變化對孤島檢測盲區的影響，可以考慮以負載品質因數Qf為橫坐標和負載電路諧振頻率fres為縱坐標建立負載特性參數Qf×fres區間，即將（6）式和（7）式代入（5）式可以找出 Qf×fres區間中的相位判據

如果滿足（8）式的頻率f在正常頻率工作范圍內，將持續發生孤島狀態。因此，可用（8）式來評估基于頻率的孤島檢測方法在Qf×fres區間中的有效性。在Qf×fres區間中描述孤島檢測方法的NDZ時，不需要像在L×Cnorm區間中描述NDZ那樣因電阻改變而繪制不同的曲線。 因此，對任意的負載RLC，在Qf×fres區間中基于頻率的孤島檢測方法都可用一個NDZ來簡潔直觀的進行描述，可以認為是對L×Cnorm區間描述法的一個改進。文獻［4］將負載特性參數Qf×fres區間描述法進一步的推廣到三維空間，以主動頻移法AFD的不可檢測區為例

它以Qf，δf為自變量，fres為變量構成三維空間，可以更直觀的描述檢測盲區，并分析了各種孤島檢測方法的參數對檢測盲區的影響，（9）式中δf為頻率的偏移量。

類似的，也可以考慮用諧振電路的角頻率ωres替換負載電路諧振頻率fres，建立負載特性參數Qf×ωres區間，其特點和Qf×fres區間描述法基本一樣。

1.4 類負載特性參數Qf0×Cnorm區間描述法

從（6）式和（7）式不難發現負載品質因數Qf和負載電路諧振頻率fres都與負載電感L、負載電容C相關，說明Qf×fres區間的兩個坐標互相耦合，不能直接的反映NDZ與負載參數之間的關系，不利于實驗驗證。文獻［5］提出的Qf0×Cnorm區間描述法可以解決上述問題。

定義類負載品質因數

雖然 Qf0的定義在形式上與負載品質因數類似，但Qf0受電網角頻率、負載電阻和負載電感的影響，與負載電容沒有關系。

Qf0×Cnorm區間描述法以類負載品質因數 Qf0為橫坐標，負載電容的標幺值Cnorm為縱坐標，橫縱坐標之間相互獨立，能直接描述檢測盲區與負載參數之間的關系，有利于將孤島檢測的理論研究與實驗驗證及產品性能認證相結合，應用于工程實踐。當電網頻率和分布式電源輸出功率不變時，即ω0和R（R的大小由有功功率決定）的值為常數，由（9）式可知Qf0是負載電感L的單值函數，坐標軸Qf0能等效反映負載電感L的大小，與另一個坐標軸Cnorm一起，正好能夠支撐起整個負載平面，使盲區圖形更好的呈現出來。當負載頻率和電網頻率相等時，即ωres=ω0時，有Qf0=Qf，從而使盲區平面中的 Qf0值可直接與IEEE 929—2000標準中Qf的值相對應，為該盲區描述方法與國際標準IEEE Std.929—2000間的兼容性提供了理論基礎。類負載特性參數 Qf0×Cnorm盲區描述方法同樣也適用于 SMS（Slip Mode Frequency Shift）、APS（Automatic Phase-Shift Method）等基于移頻、移相類孤島檢測方法的性能描述。文獻［5］對類負載特性參數Qf0×Cnorm區間描述法進行了詳細的分析和探討，并進行了實例驗證。

2 各種描述方法的優缺點

表2對常見的孤島檢測盲區描述方法進行了分類比較，都各具特色。在選擇時應根據具體的應用環境選擇相應的描述方法，從而達到高效、準確的檢測目的。

表2 孤島檢測盲區描述方法的比較

3 結語

綜述了分布式發電系統中常用的描述孤島檢測盲區的4種方法，其中類負載特性參數Qf0×Cnorm區間描述法的性能最好，但是主要用于移頻或移相類的孤島檢測方法。隨著分布式電源的廣泛發展和應用，對孤島檢測方法的性能要求也越來越高，這就要求必須去深入探討挖掘描述孤島檢測盲區的新方法，能廣泛適用于不同類型的孤島檢測方法。

［1］李春玲.基于光伏并網發電系統的孤島檢測［D］.天津：天津大學，2008.

［2］Ye Z，Kowalkar Zhang Y，Du P，et al.Evaluation of anti-islanding schemes based on non-detection zone concept［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（5）：1 171-1 176.

［3］王輝.戶用光伏并網系統設計及孤島檢測技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［4］趙泓，汪穎，肖先勇.電氣孤島檢測及其檢測盲區的三維表示法［J］.四川電力技術，2011，34（5）：5-8.

［5］劉芙蓉，康勇，段善旭，等.一種有效的孤島檢測盲區描述方法［J］.電工技術學報，2007，22（10）：167-172.