并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島檢測(cè)方法

孤島效應(yīng)是由越來(lái)越多的新能源發(fā)電系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上帶來(lái)的新現(xiàn)象。當(dāng)逆變器和大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，而由于某種故障大電網(wǎng)側(cè)短路器跳閘時(shí)，就會(huì)發(fā)生并網(wǎng)逆變系統(tǒng)獨(dú)立向周?chē)?fù)載供電，形成電力公司無(wú)法掌控的自給供電孤島。孤島現(xiàn)象可能造成逆變系統(tǒng)和用電設(shè)備損壞，并對(duì)電力檢修人員的生命安全造成威脅。在微網(wǎng)系統(tǒng)中，孤島現(xiàn)象分為計(jì)劃性孤島現(xiàn)象(islanding)和非計(jì)劃性孤島現(xiàn)象(unintentional islanding)。計(jì)劃性孤島現(xiàn)象是預(yù)配置的控制策略，有計(jì)劃的發(fā)生孤島;非計(jì)劃孤島現(xiàn)象為非計(jì)劃不受控制的發(fā)生孤島現(xiàn)象，微電網(wǎng)中要禁止非計(jì)劃孤島現(xiàn)象的發(fā)生。

并網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生非計(jì)劃孤島現(xiàn)象時(shí)會(huì)產(chǎn)生如下嚴(yán)重的危害：

(1)電力系統(tǒng)因故停電后，由于分布式電源的存在，使得本來(lái)不帶電的線路和設(shè)備帶電，可能對(duì)電力維修人員的人身安全造成威脅;

(2)大電網(wǎng)掉電以后，其鉗位作用消失，現(xiàn)行系統(tǒng)的電壓、頻率會(huì)發(fā)生明顯變化，致使系統(tǒng)中一些精密儀器和設(shè)備損壞;

(3)設(shè)備損壞以后責(zé)任不好分?jǐn)偅箅娋W(wǎng)和微電網(wǎng)都應(yīng)該對(duì)因電能質(zhì)量造成的損失進(jìn)行負(fù)責(zé)，單方面的承擔(dān)既不科學(xué)也不合理;

(4)影響配電網(wǎng)常規(guī)繼電保護(hù)裝置，導(dǎo)致其誤動(dòng)作，甚至損壞，造成不必要的損失;

(5)孤島過(guò)程中，系統(tǒng)可能會(huì)控制已掉電的分布式電源重新接入大電網(wǎng)，這時(shí)如果孤島運(yùn)行系統(tǒng)與大電網(wǎng)存在不同步的情況，它可能致使斷路器損壞，產(chǎn)生高沖擊電流，導(dǎo)致公共電網(wǎng)重新跳閘。

IEEE Std.929-2000和IEEE Std.1547 標(biāo)準(zhǔn)要求，分布式電源并網(wǎng)時(shí)，逆變器應(yīng)具有反孤島檢測(cè)裝置。我國(guó)制定的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T19939-2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》規(guī)定系統(tǒng)并網(wǎng)后頻率的波動(dòng)范圍不能超過(guò) 50±0.5Hz;系統(tǒng)一旦發(fā)生孤島現(xiàn)象導(dǎo)致頻率越線，過(guò)/欠頻率保護(hù)應(yīng)在 0.2s 內(nèi)做出動(dòng)作，使系統(tǒng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)且越快動(dòng)作越好;至少應(yīng)該設(shè)置一種主動(dòng)和被動(dòng)法相結(jié)合的防孤島效應(yīng)保護(hù)。

孤島效應(yīng)就是指因故障事故或停電維修等原因停止工作時(shí)，安裝在各個(gè)用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而不能迅速將自身切離市電網(wǎng)絡(luò)，而形成的一個(gè)由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周?chē)?fù)載供電的一種電力公司無(wú)法掌控的自給供電孤島現(xiàn)象。根據(jù)Sandia National Laboratories提供的報(bào)告指出一般來(lái)說(shuō)，孤島效應(yīng)可能對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)設(shè)備及用戶端的設(shè)備造成不利的影響，包括：(1)危害電力維修人員的生命安全;(2)影響配電系統(tǒng)上的保護(hù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作程序;(3)孤島區(qū)域所發(fā)生的供電電壓與頻率的不穩(wěn)定性質(zhì)會(huì)對(duì)用電設(shè)備帶來(lái)破壞;(4)當(dāng)供電恢復(fù)時(shí)造成的電壓相位不同步將會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，可能會(huì)引起再次跳閘或?qū)夥到y(tǒng)、負(fù)載和供電系統(tǒng)帶來(lái)?yè)p壞;(5)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)因單相供電而造成系統(tǒng)三相負(fù)載的欠相供電問(wèn)題。由此可見(jiàn)，作為一個(gè)安全可靠的并網(wǎng)逆變裝置，必須能及時(shí)檢測(cè)出孤島效應(yīng)并避免所帶來(lái)的危害。

被動(dòng)式方法利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進(jìn)行孤島效應(yīng)檢測(cè)。但當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率與局部負(fù)載功率平衡，則被動(dòng)式檢測(cè)方法將失去孤島效應(yīng)檢測(cè)能力，存在較大的非檢測(cè)區(qū)域(Non-Detection Zone，簡(jiǎn)稱NDZ)。并網(wǎng)逆變器的被動(dòng)式反孤島方案不需要增加硬件電路，也不需要單獨(dú)的保護(hù)繼電器。

(1)過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻檢測(cè)法過(guò)/欠電壓和高/低頻率檢測(cè)法是在公共耦合點(diǎn)的電壓幅值和頻率超過(guò)正常范圍時(shí)，停止逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的一種檢測(cè)方法。逆變器工作時(shí)，電壓、頻率的工作范圍要合理設(shè)置，允許電網(wǎng)電壓和頻率的正常波動(dòng)，一般對(duì)220V/50Hz電網(wǎng)，電壓和頻率的工作范圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。如果電壓或頻率偏移達(dá)到孤島檢測(cè)設(shè)定閥值，則可檢測(cè)到孤島發(fā)生。然而當(dāng)逆變器所帶的本地負(fù)荷與其輸出功率接近于匹配時(shí)，則電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在非檢測(cè)區(qū)。這種方法的經(jīng)濟(jì)性較好，但由于非檢測(cè)區(qū)較大，所以單獨(dú)使用OVR/UVR和OFR/UFR孤島檢測(cè)是不夠的。

(2)電壓諧波檢測(cè)法電壓諧波檢測(cè)法(Harmonic Hetection)通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出電壓的總諧波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限來(lái)防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，這種方法依據(jù)工作分支電網(wǎng)功率變壓器的非線性原理。發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工作時(shí)，其輸出電流諧波將通過(guò)公共耦合點(diǎn)a點(diǎn)流入電網(wǎng)。由于電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗很小，因此a點(diǎn)電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時(shí)Va的THD總是低于閾值(一般要求并網(wǎng)逆變器的THD小于額定電流的5%)。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于負(fù)載阻抗通常要比電網(wǎng)阻抗大得多，因此a點(diǎn)電壓(諧波電流與負(fù)載阻抗的乘積)將產(chǎn)生很大的諧波，通過(guò)檢測(cè)電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測(cè)到孤島效應(yīng)的發(fā)生。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于非線性負(fù)載等因素的存在，電網(wǎng)電壓的諧波很大，諧波檢測(cè)的動(dòng)作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

(3)電壓相位突變檢測(cè)法(PJD)電壓相位突變檢測(cè)法(Phase Jump Detection，PJD)是通過(guò)檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓與電流的相位差變化來(lái)檢測(cè)孤島現(xiàn)象的發(fā)生。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通常工作在單位功率因數(shù)模式，即光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出電流電壓(電網(wǎng)電壓)同頻同相。當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)后，出現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)給負(fù)載供電的孤島現(xiàn)象，此時(shí)，a點(diǎn)電壓由輸出電流Io和負(fù)載阻抗Z所決定。由于鎖相環(huán)的作用，Io與a點(diǎn)電壓僅僅在過(guò)零點(diǎn)發(fā)生同步，在過(guò)零點(diǎn)之間，Io跟隨系統(tǒng)內(nèi)部的參考電流而不會(huì)發(fā)生突變，因此，對(duì)于非阻性負(fù)載，a點(diǎn)電壓的相位將會(huì)發(fā)生突變，從而可以采用相位突變檢測(cè)方法來(lái)判斷孤島現(xiàn)象是否發(fā)生。

相位突變檢測(cè)算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)負(fù)載阻抗角接近零時(shí)，即負(fù)載近似呈阻性，由于所設(shè)閥值的限制，該方法失效。被動(dòng)檢測(cè)法一般實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，然而當(dāng)并網(wǎng)逆變器的輸出功率與局部電網(wǎng)負(fù)載的功率基本接近，導(dǎo)致局部電網(wǎng)的電壓和頻率變化很小時(shí)，被動(dòng)檢測(cè)法就會(huì)失效，此方法存在較大的非檢測(cè)區(qū)。

傳統(tǒng)主動(dòng)頻率偏移法(AFD)的檢測(cè)效果主要由注入的擾動(dòng)信號(hào)量cf值(或者頻率擾動(dòng)量Δf)決定，cf越大，孤島檢測(cè)時(shí)間就越短，但不能對(duì)cf任意取值，過(guò)大的cf值必定會(huì)影響系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。如何權(quán)衡好孤島效應(yīng)檢測(cè)的效果及速度和并網(wǎng)逆變器輸出電能的質(zhì)量之間的關(guān)系，成為研究正反饋主動(dòng)頻率偏移法(AFDPF)的重要課題。

研究發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)頻率偏移法對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)是否發(fā)生孤島效應(yīng)的檢測(cè)效果最好的情況，是當(dāng)注入的擾動(dòng)信號(hào)量cf在±5%內(nèi)時(shí)。正反饋主動(dòng)頻率偏移法(AFDPF)是基于傳統(tǒng)AFD法改進(jìn)的比較成熟的方法，它克服了傳統(tǒng)AFD法選取cf值困難的缺點(diǎn)，下圖展示了AFDPF的檢測(cè)方案。

正反饋主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方案

在進(jìn)行正反饋主動(dòng)頻率偏移法孤島檢測(cè)時(shí)，斬波系數(shù)cf按照計(jì)算。

式中cfk表示當(dāng)前周期給并網(wǎng)逆變器施加的擾動(dòng)信號(hào)量，cfk-1表示當(dāng)前周期的上一周期給并網(wǎng)逆變器施加的擾動(dòng)信號(hào)量，F(xiàn)( Δωk ) 為當(dāng)前周期電壓采樣頻率ωk和電網(wǎng)頻率ωg之間偏差(Δωk=ωk?ωg)的函數(shù)。此式的含義是，正反饋信號(hào)擾動(dòng)量受系統(tǒng)當(dāng)前周期上一周期的擾動(dòng)信號(hào)量和并網(wǎng)逆變器輸出電壓頻率的變化量共同作用產(chǎn)生。

AFDPF算法按照如下步驟執(zhí)行：

(1)正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)的包容性使得逆變器輸出的電能指標(biāo)在規(guī)定范圍以內(nèi)，頻率基本保持不變，由上述公式可知，斬波系數(shù)cf也不變;

(2)大電網(wǎng)因某些原因脫離并網(wǎng)系統(tǒng)，大電網(wǎng)包容性消失，而cf繼續(xù)存在，逆變器輸出電壓頻率PCC點(diǎn)的電壓頻率會(huì)產(chǎn)生頻偏差;

(3)F( Δωk ) 函數(shù)發(fā)揮作用使正反饋不斷累加，并網(wǎng)逆變器后一個(gè)周期輸出的擾動(dòng)信號(hào)不斷增強(qiáng)，頻率偏差快速積累;

(4)在沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)限值以前，重復(fù)步驟(3)，直至累積的頻率偏移量超出預(yù)先設(shè)定限值，進(jìn)行下一步;

(5)繼電保護(hù)動(dòng)作，微電網(wǎng)不在為負(fù)載供電。