微電網反孤島運行檢測策略分析

盧耀武

（廣東匯源通集團有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著微電網中越來越多分布式電源（Distributed Generation，DG）的應用，系統發生孤島效應的概率越來越高[1]。微電網孤島運行時，不僅會損壞用電設備、威脅運維人員安全，而且當重新并網運行時還會對電網系統帶來沖擊。因此必須采取孤島保護措施，盡力避免發生孤島現象。

1 微電網的定義

微電網是指既可獨立運行，也可以與大電網聯網運行的分散在用戶附近且規模較小的發電系統。另外它不僅可以促進節能減排、降低系統損耗、解決偏遠地區供電問題，而且還可以提高重要用戶的供電可靠性[2]。

2 孤島效應的定義及危害

2.1 孤島效應的定義

孤島效應是指當系統大電網因故障或檢修停止供電時，位于用戶端DG與周圍連接的負載形成一個自給供電的孤島系統[3]。在孤島系統中，如果DG仍然工作，并提供電能給負載，則會發生孤島效應。

分布式發電系統的孤島效應示意如圖1所示，系統負載、本地負載以及DG在公共耦合點(Point of Common Coupling，PCC)處連接。若投切開關1斷開，則DG與系統負載、本地負載共同形成了一個孤島供電系統[4]。若投切開關2斷開，則DG與本地負載形成了一個孤島供電系統。

圖1 分布式發電系統的孤島效應示意圖

2.2 孤島效應的危害

一是分布式電源點多，接入微電網各電壓等級的母線和線路，線路或用戶設備停電檢修時，操作難度大、隔離電源多，易造成運行維修人員誤操作，從而給人身安全帶來威脅[5]。二是如果DG發出的無功功率滿足不了負載無功功率需求，那么孤島區域的供電電壓和頻率可能失穩甚至崩潰，從而造成孤島區域內的用電設備損壞[6]。三是當系統電網恢復供電時，如果DG和系統電網電源相位不同期，則并網時會出現較大的沖擊電流，可能會損壞DG設備和本地負載設備。四是如果孤島供電方式失去了電力系統監控則將運行不可控。五是光伏發電系統還會因為單相供電造成系統三相供電不平衡和本地負載缺相問題[7]。

3 孤島檢測系統的典型結構圖

微電網系統應能識別出不同的孤島結構，及時有效地檢測出孤島狀態，并針對不同的運行狀況采取特定的反孤島策略，發電裝置要在電力系統重合閘前停止工作[8]。

孤島檢測系統的典型結構如圖2所示，采用RLC并聯阻抗模擬系統負載，改變R、L、C阻抗值以測試并網逆變器在不同負載條件下的孤島保護能力。

圖2 孤島檢測系統的典型結構圖

孤島效應發生的充要條件為P≈Pload、ΔP≈0、Q≈Qload以及ΔQ≈0。

4 反孤島檢測策略分析

4.1 被動式反孤島檢測策略

通過實時檢測公共耦合點PCC處的電壓參數是否超過閾值來識別孤島現象，主要策略有以下4點。

4.1.1 過/欠壓和過/欠頻檢測法

DG并網運行時，PCC處有功功率和無功功率滿足的功率平衡條件為：

式中，P和Q為逆變器輸出的有功功率和無功功率；ΔP和ΔQ為系統電網輸出的有功功率和無功功率；Pload和Qload為負載有功功率和無功功率；UPCC為公共耦合點電壓；R、L、C為模擬本地負載[9]。

若分布式發電系統同本地負載形成孤島，則運行情況如表1所示。

表1 過/欠壓和過/欠頻檢測法運行工況表

過/欠電壓保護的非檢測區范圍為：

式中，U2和U1為PCC點的電壓上限值和下限值。

過/欠頻保護的非檢測區范圍為：

式中，f2和f1為PCC點的頻率上限值和下限值。

該檢測法的優點是不影響電能質量，容易實現且成本低，缺點是有很大的非檢測區域。

4.1.2 電壓相位突變檢測法

通過檢測PCC處電壓與逆變器輸出電流之間的相位差是否超過設定相位閾值來判斷是否發生孤島。

電壓相位突變檢測法的檢測結果如圖3所示。在t1過零時刻，系統電網斷開時，PCC處電壓是由負載相位角和逆變輸出電流共同決定的，而逆變輸出電流頻率固定，因此PCC處電壓會由電網電壓跳變到新的相位。

圖3 電壓相位突變檢測法

該檢測法的優點是方法簡單，不影響電能質量。缺點是非檢測區域較大，相位閾值難確定，可靠性不高。

4.1.3 電壓諧波檢測法

該檢測法通過檢測公共耦合點PCC處電壓的諧波總畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）是否超過預定的值來判斷孤島是否發生。其優點時檢測范圍大，缺點是成本較高，諧波保護動作閾值整定較難。

4.1.4 頻率變化率檢測法

該檢測法通過檢測耦合點電壓頻率的變化值df/dt是否超過預定閾值來判斷孤島是否發生，DG容量越小，頻率變化值越大[10]。優點是容易實現，缺點是存在非檢測區，頻率變化率閾值很難確定。

4.2 主動式反孤島檢測策略

通過人為向電網注入電流擾動信號并檢測相關變量的變化以確定孤島狀態，對供電質量有一定的影響。

4.2.1 電流幅值擾動法

該檢測法通過檢測耦合點電壓是否跟隨擾動電流變化來判斷孤島效應的發生。發電系統連續向耦合點注入擾動電流，當大電網供電時，耦合點電壓就是電網電壓。而在系統電網斷開后，并網逆變器檢測到的耦合點電壓是本地負載端電壓，會隨擾動電流變化而變化。其優點是軟件實現方便，缺點是影響電能質量，可靠性較低，可能會誤動作。

4.2.2 主動頻率偏移法

該檢測法通過檢測耦合點電壓頻率是否跟隨擾動電流偏移來判斷孤島效應的發生。發電系統向耦合點注入正負半周波形對稱、略有畸變的擾動電流，當大電網供電時，逆變器端頻率由系統電網決定。在系統電網斷開后，耦合點頻率會隨擾動電流向上或向下偏移，當偏移累積超出檢測范圍時，可檢測出孤島狀態。兩種擾動電流形式如圖4所示。

圖4 主動頻率偏移法的兩種擾動電流形式

主動頻率偏移法的優點是容易實現多臺逆變器并網運行，應用廣泛。缺點是影響電能質量，存在非檢測區域。

4.2.3 Sandia頻移法

通過引入主動頻率偏移的正反饋來加速偏移積累，快速檢測孤島狀態。正反饋加速頻率偏移系數Cf=2tz/Tv則：

式中，Cf(k)和Cf(k-1)時第k和k-1周期的偏移因子；Δf為該相鄰周期的頻率差；F(Δf)為頻率增量的正反饋函數；Cf0是很小的常數。

該檢測法的優點是可以提高孤島檢測速度，減少檢測盲區和響應時間，避免多個系統并網情況下頻率偏移方向不一致所帶來的稀釋效應。缺點是本地負載的相位角依賴于運行頻率，負載角和擾動角度有可能匹配，這樣會導致孤島檢測失敗。

4.2.4 2N周期電流擾動法

該檢測法通過連續檢測耦合點相鄰周期電壓頻率差值正負交替變化的記錄次數來判斷是否發生孤島。2N周期電流擾動法測試結果如圖5所示，發電系統向耦合點注入周期擾動電流，當大電網供電時，耦合點頻率由系統電網決定。當大電網斷開后，耦合點頻率會隨本地負載頻率交替漸進式變化。2N周期頻率因電流擾動較高，2N+1周期頻率因本地負載固有頻率較低，當正負交替變化超過設定次數時則進行孤島保護。

圖5 2N周期電流擾動法

其優點時可以解決主動頻率偏移法的非檢測區問題，缺點是諧波對電壓頻率測量計算會產生影響。

4.2.5 滑動頻率偏移法

系統從不穩定區域向穩定區域過渡過程中，通過檢測發電系統輸出電壓頻率跟隨耦合點電壓相角偏移是否越過閾值范圍來判斷是否進行孤島保護[11]。逆變輸出電流相對于耦合點電壓相位的平移相角θ正弦函數為：

式中，θM指允許發生的最大移相角；fM是對應于θM時的電壓頻率；f(k-1)表示上一周期的頻率。

典型滑動頻率偏移法的曲線如圖6所示。

圖6 典型滑動頻率偏移SMS法的頻率與相角關系

當并網運行時，θ=0。當系統電網斷開后，輸出電流跟隨耦合點電壓相角偏移，且按曲線增大或減小，系統由不穩定區域向穩定區域過渡，在A、B兩點達到新的平衡。其優點是非檢測區較小，缺點是當本地負載和滑動頻率偏移法產生的電壓、電流相位差大小相等、方向相反時，對應的頻率是穩定工作點，檢測失效。

4.2.6 自動移相法

自動移相法是改進的滑動頻率偏移法。在逆變器輸出電流相角θ(k)函數中引入額外的相移角θ0(k)，即：

式中，θ0(k-1)為上一周期的額外相移角；Δθ為常數；Δf為相鄰周期頻率差；F(Δf)為相鄰頻率差Δf的函數。

在孤島狀態下，當公共耦合點的電壓頻率增加時，平移相角θ0(k)有一個Δθ額外的相角增量形成正反饋，加速頻率越限，OFR、UFR動作并進行孤島保護。其優點是檢測速度快，缺點是當負載相位角與擾動相位角相匹配而引起相互作用抵消時系統無法識別。

4.2.7 阻抗檢測法

對逆變輸出電流進行擾動的公式為：

式中，θDG是擾動角度。根據耦合點電壓對逆變輸出電流的微分dU/di大小來判斷是否發生孤島現象。并網運行時，由于電網容量很大，因此檢測到的系統阻抗很小。當系統電網斷開后，電流擾動使得系統阻抗隨之變化，當檢測到的阻抗大于設定閾值時，判定孤島發生。其優點是非檢測區很小，缺點是保護阻抗閾值難確定，隨著并網逆變器數量的增加有效性會降低。

4.2.8 諧波電壓注入法

將一個高頻放大信號通過電容耦合到公共點處電壓中，并網時系統阻抗非常小，高通濾波器兩端脈動的諧波電壓很小。電網斷開時，高通濾波器兩端脈動的諧波電壓高于設定閾值，因而進行孤島保護。優點是非檢測區很小，缺點是硬件成本高，影響電網電能質量，諧波電壓檢測閾值難以確定。

4.3 遠動技術反孤島檢測策略

通過遠動技術完成電網與各分布式電源之間的數據采集、傳輸以及檢測，來判斷系統是否孤島。分布式電源端RTU、FTU以及DTU等數據終端采集各側U、I、P、Q、f等遙測量與開關位置、重合閘變位等開關量，通過電力線載波、光纖、無線通信、GPRS等通信通道傳向配電數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）監控主站，分析、判斷DG運行工況，并做出孤島保護。

該策略優點是無非檢測區，運行時間最短，可靠性高，對電能質量無影響。缺點是需要通信通道，成本高，適合于大功率分布式電源并網電站。

5 結 論

通過分析發現，被動式孤島檢測法存在較大的檢測盲區，運行時間不確定，而主動式孤島檢測法檢測雖然盲區較小，但降低了電能質量。為了滿足系統安全，建議將被動式和主動式孤島檢測法結合起來使用。此外，對于大功率分布式并網發電站，則應當采用遠動技術反孤島檢測策略。