（国网宁夏电力公司经济技术研究院 宁夏银川市 750002）
摘要：本文介绍了光伏并网发电系统中的孤岛效应以及影响，分析出出现孤岛现象发生的原因，并对孤岛检测方法（主动检测法、被动检测法）进行详细的介绍，并提出了结合两种检测方法的一种方案。
关键词：并网发电；孤岛检测
引言
随着新能源的不断开发和利用，未来将出现更多的由可再生能源组成的分布式供电系统。分布式供电系统的一个共同特点是，需要通过逆变器将直流电变换成交流电再送到电网上。正常情况下，这些逆变系统并联在电网上向电网输送有功功率。但是，当电网处于失电状况（例如大电网停电），这些独立的并网发电系统仍可能持续工作，并与本地负载连接处于独立运行状态，这种现象被称为孤岛（islanding）效应。从用电安全与用电质量方面考虑，孤岛状况是不允许出现的，由此引出了对孤岛状态进行检测的研究。国内外专家对此提出了多种不同的研究方法，本文对部分研究方法进行了分析比较，提出主动检测与被动检测相结合的方案，即使用电压与频率的继电器检测方式及相位跳动检测法，而在主动式检测法中，选择输出功率变动方式，进行孤岛效应防治测试。
1孤岛现象发生的原因
当太阳能供电的输出功率与负载功率达到平衡时，负载电流会完全由太阳能光伏发电系统提供。此时，即使电网断电，在太阳能光伏发电系统输出端得电压与频率也不会快速随之产生变化，如此系统便无法正确地判断出电网是否有故障或中断的情形，因而导致孤岛现象的发生。
图2为电力系统图。当电网端与客户端得公共耦合点PCC的电压与频率超过正常电网电压与频率的最大限制范围时，即会被视为故障发生，并利用输出继电器将逆变器切离负载[6]。反之，当逆变器产生的有功功率与无功功率正好符合负载功率时，公共耦合点PCC的电压与频率变化量将不会很明显，可能会落在电网所容许的最大限制范围内，如此讨论电网断路器处于关闭及打开的情况下，由于有功功率和无功功率不同，所造成太阳能光伏发电系统上的影响。
图2 电力系统示意图
（1）当电网断路器处于导通状态时
此时太阳能光伏发电系统与电网并网，逆变器所输出的有功功率与无功功率（）会注入公共耦合节点PCC，而节点PCC注入负载的电力潮流为，因此节点PCC的总电力潮流可由下式表示。
因此，在与电网并网情况下，当太阳能光伏发电系统的输出电流与电网电压为单位功率因数时，由（4）式可知，负载的无功功率完全由电网所提供。
（2）当市电断路器处于断开状态时
当电网断路器中断瞬间，电网注入节点PCC的有功功率与无功功率的瞬间值为检测孤岛效应的依据，其动作情形可分为下列四种情况。
①当且时，表示负载为电阻性负载，此时负载端电压将随着系统注入负载端得总有功功率变动而改变，在负载端产生电压变动而触发过压保护或欠压保护，防止孤岛现象的发生。
②当且时，表示负载为容性负载或感性负载，此时负载端电压相角会有瞬间偏移的现象，在负载端产生频率的变动而触发频率过高保护或频率过低保护，防止孤岛现象的发生。
③当且时，负载端的电压会有变动且相位角也会有瞬间偏移的现象，触发电压或频率的保护，防止孤岛现象的发生。
④当且时，则逆变器所输出的有功功率与无功功率和负载所需的有功功率与无功功率相等，此时负载端电压的大小与频率的高低，则由负载形式所决定。当功率达到平衡时，需根据扰动逆变器输出功率或输出电流频率的大侠来触发孤岛效应保护机制。
2孤岛检测方法
孤岛检测技术主要可以分为主动式检测和被动式检测两种。被动式检测技术一般是利用监测市电状态，如电压、频率作为判断市电是否故障的依据。而主动检测法，则是由电力逆变器定时产生干扰讯号，观察市电的是否受到影响以做为判断依据，因为市电可以看为是一个容量无穷大的电压源。
2.1被动检验法
由于发生孤岛情况时，其电压及频率均不稳定，被动式检测方法利用此点效应来判断是否发生孤岛情况。依参考的电力参数不同，可分成以下儿种方法：
1.电压与频率的保护继电器检测方式
一般在并网型太阳能光伏发电系统上，均会装置保护继电器，包括欠压继电器、过压继电器、频率过低继电器及频率过高继电器。这些继电器提供太阳能光伏发电系统最基本的保护功能，当电网发生故障或中断时，由于太阳能光伏发电系统的输出功率与负载功率不平衡，而导致负载端电压的大小与频率的高低产生急剧的变化，通过欠压、过压、频率过低、频率过高继电器的检测，继电器会将太阳能光伏发电系统切离负载。然而，孤岛现象却常发生在太阳能光伏发电系统输出端电压仍然可维持与电网相同大小的电压与频率，此时电压与频率的继电器检测方式将会失去作用。
2.电压谐波检测法
此方法适用于电流控制型的并网系统，检测其变压器的三次谐波的状况，一旦发现接近理想电压源的电网中断时，太阳能光伏发电系统输出电流可能在变压器上产生失真的电压波形，亦即太阳能光伏发电系统输出电压将含有较大的谐波成分，因此通过电压谐波的检测，可以判断电网是否发生故障或中断。然而，在参考文献：中的分析结果显示，谐波临界点的设定相当困难。
3.相位跳动检测法
此种检测方式利用当电网发生故障或中断时，由于太阳能光伏发电系统的电力输出与负载需求不平衡，导致由负载形成决定的系统输出电流与负载电压的相位差，因此在断电的瞬间，相位会根据负载的形式有急剧的变化，通过相位的检测可以判断电网是否发生中断。
4.频率变化率检测法
当电网发生故障或中断瞬间，逆变器的输出频率对功率的一次偏导数 将产生比并网运转时更大的变化。利用数字式 检测器测量此一次偏导数，以此偏导数作为指标，当指标超过某一设定值时，判定系统发生孤岛现象，将太阳能光伏发电系统切离负载。然而，此法并没有较多的测试数据支持其可行性。
5.输出功率变化率检测法
当电网发生故障或中断瞬间，逆变器的输出功率将产生比并网运转时更大的变化，利用数字式功率检测器测量功率时变率，当功率的变化率偏移超过某一范围时，判定系统发生孤岛现象，将太阳能光伏发电系统切离负载。然而，此检测法并没有较多的测试数据支持其可行性。
6.电力传输线载波法
此检测方法在电力系统端设置中央控制中心，在电网线上以载波通信的方式，负责监测电力系统上所有断路开关的状况，一旦断路开关发生故障或中断时，立刻通知故障区域的太阳能光伏发电系统，使系统停止运转，此为防止孤岛现象的有效检测方式之一。然而，此法成本较高，并不实际可行，因此必须发展其他的检测方法。
2.2主动检测法
主动式检测方式是通过控制变流器输出或外加阻抗等方式主动扰动系统。当发生孤岛情况时，主动扰动将造成系统的不稳定，即使是在发电输出功率与负载功率平衡的状态下，也会通过扰动破坏功率平衡状态，造成系统的电压、频率有明显变动，再通过控制单元检测出来而将太阳能发电系统与市电隔离，防止孤岛现象的发生。主动方法主要有下列几种方式：
1.输出电力变动方式
此方法是由周期性的扰动逆变器的输出有功功率和无功功率，破坏逆变器输出功率与负载消耗功率的平衡，达到孤岛效应检测的目的。当电网发生故障或中断时，太阳能光伏发电系统将检测电网的电压或频率是否出现周期性的变动，以此判断是否发生孤岛现象的状况。一般而言，若太阳能光伏发电系统与负载消耗的有功功率有差距时，当电网发生中断瞬间，则逆变器输出端得电压将改变。若太阳能光伏发电系统与负载消耗的无功功率有不同时，当电网发生中断瞬间，则逆变器输出端得频率将受到影响。
2.加入电感或电容器
此方法不需要更改逆变器的控制机制，而是在电网的输配线路上加入电感器或电容器，通过随时对电网加入电感器或电容器来破坏系统平衡状态，当电网中断时，由加入电感器或电容器来破坏系统无功功率的平衡状态，达到对电压与频率的扰动，使太阳能光伏发电系统能检测到电网中断的发生，并利用系统输出继电器切离负载。此外，扰动的阻抗值应采用小容量且短时间加入扰动为宜。在日本的Rokko Island太阳能光伏发电系统测试报告中指出，电容器插入干扰法相当有效。但是此方法的成本太高，且需在电力系统端加入电感器或电容器，并不实际可行，因此必须发展其他检测方法
3.频率偏移方式
在电流型逆变器中，需要控制逆变器输出电流的相位追随电网电压的相位，以确保逆变器提供单位功率因数的电流馈入市电网络。此检测方式是改变逆变器输出电流的频率，使其与电网电压频率不同，且电流相位在每次电网电压周期开始时都会被重置为零，由偏移逆变器输出电流频率，造成对系统频率的扰动。因此当电网发生故障或中断时，逆变器输出端电压将随输出电流频率而产生变化，此时可由频率继电器检测是否发生孤岛现象。但此检测方式容易影响系统功率因数，且频率偏移量的多少将直接影响系统功率因数与输出电流谐波失真的大小，在电能质量法规的限制下，频率偏移量不可能太大，间接影响检测的灵敏度。
上述被动式与主动式检测法在太阳能光伏并网发电系统的应用上，各有其优缺点。将上述检测方法的特性与缺点整理如表4。
3 结论
由各种孤岛现象检测方式均有其适用场合及检测的盲区。为了达到较理想的检测效果，可以同时运用两种以上的检测方式，使孤岛现象检测的准确度提高。因此，在被动式检测法上，使用电压与频率的继电器检测方式及相位跳动检测法；而在主动式检测法中，选择输出功率变动方式，进行孤岛效应防治测试。
参考文献：
[1]赵飞，梁志瑞，王宁. 光伏并网发电系统孤岛检测技术.
[2]刘方锐，康勇，张宇. 光伏并网逆变器的孤岛检测技术.
[3]赵清林，郭小强，邬伟扬. 光伏发电系统孤岛保护建模与仿真研究.
[4]禹华军，潘俊民. 并网发电逆变系统孤岛检测新方法的研究.
[5]孙亚男. 分布式发电孤岛检测判据研究.
[6]刘晓飞，董飞飞.孤岛检测方法及问题概述.
论文作者:邵雪瑾
论文发表刊物:《河南电力》2018年9期
论文发表时间:2018/10/22
标签：孤岛论文; 电网论文; 负载论文; 频率论文; 系统论文; 电压论文; 功率论文; 《河南电力》2018年9期论文;