分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有源孤島檢測(cè)法綜述

[摘 要] 孤島檢測(cè)是分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)必備的功能，對(duì)于分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以有源孤島效應(yīng)檢測(cè)方法作為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了幾種新型有源孤島檢測(cè)方法的原理、應(yīng)用條件及對(duì)電網(wǎng)的影響和優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)該領(lǐng)域的研究方向作出了展望。

[關(guān)鍵詞] 孤島檢測(cè)；并網(wǎng)系統(tǒng)；非檢測(cè)區(qū)

[中圖分類號(hào)] TM65 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

1 引言

隨著世界能源危機(jī)的加劇，采用可再生能源發(fā)電的分布式發(fā)電以其自身優(yōu)勢(shì)得到迅速發(fā)展。所有與用戶端相靠近的小型模塊化、分散式電力設(shè)備，不論設(shè)施規(guī)模和能源形式，都可稱為分布式發(fā)電系統(tǒng)。孤島效應(yīng)是指電力公司由于人為的或者是意外事故引起供電故障時(shí)，分布式供電系統(tǒng)持續(xù)向周邊負(fù)載供電，形成電力公司無(wú)法掌控的自給供電孤島。孤島效應(yīng)給維修人員、用電設(shè)備以及分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)許多危害，是分布式發(fā)電保護(hù)措施急需解決的重要課題[1]。

2 孤島檢測(cè)法

分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法根據(jù)檢測(cè)位置不同可以分為基于通信的電網(wǎng)側(cè)遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)法和基于并網(wǎng)逆變器的本地檢測(cè)法兩大類。基于通信的電網(wǎng)側(cè)遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)并利用無(wú)線電通信進(jìn)行孤島檢測(cè)警報(bào)，例如傳輸斷路器跳閘信號(hào)檢測(cè)法、電力線路載波通信檢測(cè)法等。通信的電網(wǎng)側(cè)遠(yuǎn)程孤島檢測(cè)法技術(shù)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本較高，因此在實(shí)際中使用較少。并網(wǎng)逆變器側(cè)的本地檢測(cè)法最為常見孤島檢測(cè)方法，可以分為無(wú)源檢測(cè)法和有源檢測(cè)法，有源孤島檢測(cè)法是在無(wú)源孤島檢測(cè)法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)向公共節(jié)點(diǎn)注入有功功率和無(wú)功功率，電網(wǎng)斷開后輸出功率與負(fù)載功率匹配時(shí)，逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電，此時(shí)輸出電壓和頻率與并網(wǎng)工作時(shí)幾乎相同，無(wú)法檢測(cè)出孤島效應(yīng)的發(fā)生，無(wú)源檢測(cè)法失效；在輸出功率與負(fù)載功率不匹配的情況下，逆變器輸出電壓和頻率會(huì)發(fā)生較大變化，變化量超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作即可檢測(cè)到孤島效應(yīng)的發(fā)生。無(wú)源孤島檢測(cè)法又稱為被動(dòng)式檢測(cè)法，通過(guò)直接測(cè)量逆變器與電網(wǎng)連接點(diǎn)處的參數(shù)變化判斷孤島的發(fā)生。該方法的缺點(diǎn)是只能進(jìn)行一般保護(hù)，檢測(cè)盲區(qū)較大，應(yīng)用于負(fù)載功率變動(dòng)不大，且源—負(fù)載不匹配程度較大的場(chǎng)合。有源檢測(cè)法彌補(bǔ)了無(wú)源檢測(cè)法的缺點(diǎn)，下面著重對(duì)有源孤島檢測(cè)法進(jìn)行介紹。

3 源孤島檢測(cè)法

有源孤島檢測(cè)法需要對(duì)逆變器的輸出量的某些參數(shù)如輸出功率、幅值、頻率或相位施加一些較小擾動(dòng)信號(hào)。以電流擾動(dòng)為例說(shuō)明，逆變器輸出電流表達(dá)式為Iinv=Imsin（ωt+φ），可施加擾動(dòng)的量有：電流幅值Im、電流頻率f和電流相位φ。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)大電網(wǎng)鉗制作用使擾動(dòng)不明顯；孤島發(fā)生時(shí)即使負(fù)載功率變動(dòng)不大，且源—負(fù)載匹配，擾動(dòng)也會(huì)使某些輸出量變化超過(guò)規(guī)定閾值，判斷到孤島的發(fā)生[2-3]。

3.1 主動(dòng)頻率偏移法（AFD）

AFD通過(guò)周期性地對(duì)并網(wǎng)逆變器的電流輸出值加入擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)鎖相環(huán)對(duì)輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率實(shí)行同步調(diào)整，輸出電流頻率保持正常運(yùn)行頻率，不會(huì)偏離額定值；電網(wǎng)斷電后輸出頻率隨著電網(wǎng)電流和負(fù)載性質(zhì)持續(xù)增減，變化超過(guò)規(guī)定閾值孤島狀態(tài)就被檢測(cè)出來(lái)。

基于AFD方法有幾種改進(jìn)的方法，最有代表性的有帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移、頻率跳變法（FJD）和基于ARM的主動(dòng)頻率偏移孤島檢測(cè)法。鑒于傳統(tǒng)AFD基準(zhǔn)電流控制復(fù)雜，負(fù)載性質(zhì)對(duì)單一頻率擾動(dòng)方向存在平衡作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使孤島效應(yīng)檢測(cè)速度變慢甚至失效，有些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)：該方法引入了不間斷地周期性正反兩個(gè)方向的頻率擾動(dòng)，從而消除了負(fù)載的平衡作用。與AFD相似FJD每隔幾個(gè)周期對(duì)逆變器的輸出電流波形按預(yù)先設(shè)定模式插入一次死區(qū)。所插入的死區(qū)會(huì)引起逆變器電流的頻率突變，正常情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連時(shí)，大電網(wǎng)阻止了公共耦合點(diǎn)電壓的波動(dòng)；電網(wǎng)故障后該方法使逆變器輸出電壓頻率產(chǎn)生偏差，通過(guò)檢測(cè)頻率變化是否超過(guò)電壓閾值來(lái)檢測(cè)孤島是否發(fā)生。

3.2 輸出功率擾動(dòng)法

輸出功率擾動(dòng)法可分為有功擾動(dòng)檢測(cè)方法和無(wú)功補(bǔ)償法檢測(cè)方法兩種。當(dāng)逆變器輸出功率與負(fù)載功率相匹配時(shí)，無(wú)源法無(wú)法檢測(cè)出孤島發(fā)生，而通過(guò)公式推演發(fā)現(xiàn)有功功率與電壓變化密切關(guān)系，基于此有功擾動(dòng)檢測(cè)法被提出。在輸出電流中加入幅值擾動(dòng)，使輸出有功功率變化，市電正常工作時(shí)負(fù)載從電網(wǎng)中獲得所需功率；電網(wǎng)停止供電孤島發(fā)生時(shí)，擾動(dòng)使電流幅值改變，負(fù)載上電壓隨之變化，跟著產(chǎn)生變化的是逆變器有功功率，當(dāng)變化范圍超過(guò)規(guī)定閾值的時(shí)候，保護(hù)電路即可檢測(cè)到孤島發(fā)生。這種方法的控制簡(jiǎn)單，實(shí)用性很高。單個(gè)逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中，擾動(dòng)不同步會(huì)使檢測(cè)精度受影響，造成電壓閃變和電網(wǎng)不穩(wěn)。同樣可以根據(jù)逆變器的無(wú)功功率則與系統(tǒng)的頻率和電壓相關(guān)可以利用無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行孤島檢測(cè)。在大電網(wǎng)正常工作的情況下，電網(wǎng)的平衡作用使公共耦合點(diǎn)的電壓與頻率并不會(huì)有明顯變化；孤島發(fā)生后負(fù)載的頻率和電壓也因此改變。該方法檢測(cè)效率高且避免檢測(cè)盲區(qū)。但控制策略復(fù)雜，需對(duì)負(fù)載無(wú)功需求隨時(shí)檢測(cè)，速度較慢。

3.3 Sandia電壓偏移法

Sandia電壓偏移檢測(cè)是通過(guò)對(duì)公共耦合點(diǎn)電壓幅值加入正反饋，孤島發(fā)生后正反饋的循環(huán)作用下的電壓值改變會(huì)使輸出電流、頻率發(fā)生變化，由于負(fù)載不發(fā)生變化，電壓降低使輸出電流減小；電壓升高使輸出電流增大。電網(wǎng)正常工作的情況下，由電網(wǎng)維持PCC電壓，系統(tǒng)中引入的擾動(dòng)值基本不會(huì)使電壓幅值發(fā)生改變。合理設(shè)置參數(shù)時(shí)該方法的檢測(cè)效率會(huì)非常高，但是控制算法較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用困難，對(duì)于系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)和電能質(zhì)量產(chǎn)生一些不利的影響。主要適合于單逆變器的檢測(cè)，且檢測(cè)效果與負(fù)載性質(zhì)差異有很大關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)甚至失效，依然存在非檢測(cè)盲區(qū)。

3.4 特定頻率阻抗測(cè)量法

特定頻率阻抗測(cè)量法與電壓諧波檢測(cè)方法類似，區(qū)別是注入特定頻率電流諧波。電網(wǎng)正常工作時(shí)，雖然引入了諧波電流，但是大電網(wǎng)平衡作用使輸出量不會(huì)出現(xiàn)異常；電網(wǎng)斷開后，線性負(fù)載會(huì)由于諧波電流的存在而產(chǎn)生諧波電壓，可以通過(guò)檢測(cè)電壓諧波或諧波變化判斷，當(dāng)諧波電壓大小超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)保護(hù)電路可以檢測(cè)到孤島發(fā)生。該方法中引入的諧波電流，可以部分克服電壓諧波檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，但非線性負(fù)載的存在，導(dǎo)致很難在不引起逆變器誤動(dòng)作前提下設(shè)定正確閥值。

3.5 阻抗測(cè)量法

阻抗測(cè)量法向電網(wǎng)周期性地注入電流幅值擾動(dòng)使輸出功率發(fā)生變化，進(jìn)而使輸出電壓改變，通過(guò)測(cè)量阻抗值來(lái)判斷孤島是否發(fā)生。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)小阻抗使電流幅值變動(dòng)產(chǎn)生的電壓改變很小；電網(wǎng)故障斷開后，負(fù)載大阻抗使引入擾動(dòng)后的電壓產(chǎn)生明顯變化，電壓變化超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)保護(hù)電路就會(huì)觸發(fā)過(guò)/欠壓保護(hù)動(dòng)作。該方法檢測(cè)盲區(qū)非常小；不需要精確測(cè)量阻抗值。但是輸出同步時(shí)會(huì)引起逆變器正常工作時(shí)誤動(dòng)作等問(wèn)題。另外工作于多逆變器時(shí)，引入電流變化可能會(huì)因相互沖突而使總電流抵消，輸出電壓變化無(wú)法被檢測(cè)；為了排除干擾引起的誤動(dòng)作，所測(cè)量輸出量需要經(jīng)過(guò)濾波器，導(dǎo)致所得阻抗值實(shí)際值比理論值小，這兩種情況都會(huì)引起檢測(cè)算法非檢測(cè)盲區(qū)增大。

4 復(fù)合式孤島檢測(cè)法

有源孤島檢測(cè)和無(wú)源孤島檢測(cè)法的各類方法均存在各種缺點(diǎn)和不足，基于此將各種方法有機(jī)結(jié)合、揚(yáng)長(zhǎng)避短形成了復(fù)合式孤島檢測(cè)方法。已有的復(fù)合式孤島檢測(cè)方法有電壓相位偏移與改進(jìn)型主動(dòng)電流擾動(dòng)法相結(jié)合、電壓平均變化率和有功偏移相結(jié)合、電壓平均變化率和有功偏移等。以電壓相位偏移與改進(jìn)型主動(dòng)電流擾動(dòng)法相結(jié)合為例說(shuō)明，孤島發(fā)生后負(fù)載有功功率變化不大時(shí)，端電壓相位偏移無(wú)法達(dá)到足夠大使保護(hù)電路區(qū)分孤島與非孤島，這種情況下僅靠檢測(cè)相位偏移不能很好地檢測(cè)孤島。考慮到有源孤島檢測(cè)算法的優(yōu)點(diǎn)可以選主動(dòng)電流擾動(dòng)法結(jié)合電壓相位突變法，以電壓相位突變檢測(cè)為主、主動(dòng)電流擾動(dòng)法為輔補(bǔ)充電壓相位突變法的檢測(cè)盲區(qū)。兩種或多種孤島檢測(cè)相結(jié)合的復(fù)合式孤島檢測(cè)方法克服了單一采用有源法和無(wú)源法的不足，可以提高孤島檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和靈敏度。

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式并網(wǎng)發(fā)電孤島檢測(cè)方法的技術(shù)手段尚未完全成熟，在此基礎(chǔ)上的孤島檢測(cè)方法也需要有更加深入的研究，在該方面的研究具有廣泛的研究前景和發(fā)展空間。本文對(duì)幾種有源孤島檢測(cè)方法和復(fù)合式孤島檢測(cè)方法進(jìn)行了分析比較，總結(jié)了各種孤島檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)際工作中孤島檢測(cè)方法選擇有一定參考指導(dǎo)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李迎迎（1986-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：光伏并網(wǎng)研究。