分布式發電反孤島保護檢測方法

楊彥會

（北京天誠同創電氣有限公司，北京100176）

分布式發電反孤島保護檢測方法

楊彥會

（北京天誠同創電氣有限公司，北京100176）

介紹了分布式發電并網系統孤島檢測的基本方法。根據孤島檢測的基本原理和分布式電源的類型進行分類，從4個大方面（基于通信技術的檢測、本地檢測、逆變器內無源檢測及新型孤島檢測）對孤島檢測方法進行了闡述，對每一方面又根據其不同的檢測原理給出了若干具體的檢測方法。詳細闡述了各種檢測方法的理論依據和性能，并比較了其優缺點。對每種檢測方法在實際應用中的可行性和效果進行了論述，對分布式發電系統孤島檢測的發展前景進行了展望。

分布式發電；并網系統；孤島運行；孤島檢測

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，人們對能源的需求越來越大，分布式發電（Distributed Generation，DG）在電力系統中的作用越來越大。不同于常規的大容量的以化石燃料或核能作為一次能源的發電系統，分布式發電系統（Distributed Generation System）是指功率為數千瓦至幾十兆瓦、與環境兼容的獨立電源系統，用以滿足電力系統和用戶的特殊要求。它具有靈活的變負荷調峰性能，可為邊遠用戶或商業區提供較高的供電可靠性，節省輸變電投資，適合于可再生能源的利用［1］。大部分DG系統采用風能、太陽能或水能等綠色能源。分布式電源并網有助于改善電能質量，減小線損，緩解輸配電容量并提高電力系統的穩定性。同時，我們也應該看到，分布式電源的接入會不可避免地給電網運行帶來一系列的難題，其中一個重要難題就是分布式發電的保護問題。

分布式電源接入配電網最重要的一點是改變原來配電網絡的潮流方向，使配電系統從單電源輻射式網絡變為雙端或多端有源網絡。由于傳統的配電網是單電源放射狀結構，其保護系統相對較為簡單。分布式電源的接入使配電系統中的潮流方向理論上可以是任意的，這樣，原先配電網的保護功能就不再適用。針對分布式發電對繼電保護的影響及應采取的措施，一些學者給出了非常精辟的見解［2、3］。

當前，國內外對分布式發電保護問題的研究主要集中在以下三個方面：布式發電與原有配電網保護的配合問題；分布式發電對線路重合閘的影響；孤島檢測和保護問題［1、4、5］。本文主要研究分布式發電反孤島保護檢測方法。

當帶部分負荷的DG與電力系統斷開時，DG將有可能繼續向孤立運行的電力系統供電，形成的孤立系統即孤島。一般情況下，基于對設備、運行人員的安全以及孤島系統中電能質量等方面的考慮，應該避免DG運行在孤島狀態。因此，研究孤島檢測方法及保護措施，將孤島產生的危害降低到最小，具有重要的現實意義［6］。對孤島檢測的研究，最初是從并網光伏電源系統的研究開始的［7］。隨著新能源并網情況的增多，特別是DG系統的出現，孤島發生的可能性及對系統和用戶的影響越來越大，對孤島檢測方法的研究成為了新的研究熱點。根據國內外目前的研究情況，孤島檢測方法可分為被動檢測法和主動檢測法兩大類，同時，也有一些文獻提出了基于通訊的反孤島策略。下面將對這些方法進行較為全面的論述。

2 分布式發電孤島問題

由于所用能源形式決定了分布式發電設備的發電規模較小，一般在幾十千瓦至一百兆瓦之間，其通常與配電網相連接，分散在負載附近。在許多國家分布式發電一般不經中央調度。一個典型的包含分布式電源的配電系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 包含分布式電源的系統結構示意圖

正常運行情況下，負載L由電網和分布式電源DG共同提供電能。由于線路故障等原因，斷路器CB2或CB3跳開，此時DG和負載L就構成了一個孤島系統。在孤島系統中，DG脫離電網后以一定的電壓、頻率繼續運行，獨立地給負載L供電，稱為孤島運行。

如果配電網發生故障后，在保證電力系統安全的前提下，盡可能地維持DG正常供電，而將配電網轉化為若干個孤島自治運行，將可以減小停電面積，提高供電的可靠性，這對電網公司、DG發電商和用戶都是有利的。

然而，由于跳閘等原因偶然形成的孤島運行，又可稱之為非計劃孤島運行。非計劃孤島運行具有偶然性和不確定性，會對系統、用戶和DG本身帶來嚴重的影響［8］。

（1）當系統自動重合完成故障排除和電網恢復供電時，由于DG機組與電網的非同步運行，可能造成DG機組與電網的非同步并列，從而對電網造成危害，同時也有可能損壞分布式發電設備。

（2）出現孤島現象時，DG與負載的功率不平衡，需要調節DG的輸出功率。當負載功率大于DG的容量時還需要減小負荷。由于多數分布式發電設備的電壓和頻率調節能力有限，在孤島狀態下又沒有電網的支持，這種調節可能會損壞DG。同時，DG輸出的電壓和頻率值有可能超出規定的范圍，所提供的電能質量得不到保障，可能會損壞用電設備。

（3）各種保護裝置通常是按照DG與電網并聯運行來設計的，如果部分電網成為孤島狀態，發生再次故障時短路電流只由DG提供，故障水平降低，從而使某些繼電保護裝置不能正確動作。

（4）電網維護人員可能由于孤島運行而誤接觸帶電導體從而發生觸電事故。

為了避免上述問題，國外現行的運行規程一般要求DG配置反孤島保護（Anti－islanding Protection）以便快速、準確地檢測出孤島狀態，一旦孤島現象發生就立即跳開DG與系統連接點的斷路器（如圖1中的CB1）。例如英國電力聯合會頒布的G59標準對于容量小于5WM、接入電壓等級低于20kV的DG接入電網時規定“對于長期并網運行的DG，大于150kVA的都需要配置反孤島保護”。2003年，IEEE頒布了P1547標準，其規定了DG接入主電網的基本技術要求，規定在非計劃孤島形成2s內反孤島保護要動作，并將DG從系統中切除。

在實際運行中，感應式發電機（如感應式風力發電設備）需要從系統中吸收無功功率，失去電網支持后就不能發電，不存在孤島運行的可能。因而反孤島保護主要用于同步發電機和基于逆變器的發電設備。其中基于逆變器接口的分布式發電設備（如光伏電池）一般在逆變器中設置集成的保護功能，反孤島保護也是主要由其逆變器內部的控制系統來完成，無需另外設置反孤島保護，而同步發電機則需要安裝專門的反孤島保護裝置。

3 孤島檢測方法

3.1 基于通信的孤島檢測方法

基于通信的孤島檢測是依靠無線電通訊傳輸孤島狀態信號［9、10］，其孤島檢測性能通常與分布式發電機的類型無關，它并不需要測量系統中的任何電氣量參數，而是直接通過檢測系統中所有相關的線路斷路器和重合閘裝置來判斷孤島形成與否。該方法可采用傳輸斷路器跳閘信號或電力線路載波通信等。

3.1.1 傳輸斷路器跳閘信號

傳輸斷路器跳閘信號檢測孤島的方法是監控所有DG與電網之間的斷路器和自動重合閘的狀態，一旦發現有開關操作使變電站母線斷路，即通過中央處理算法確定孤島范圍，跳開分布式發電機和負載之間的斷路器。對于拓撲結構固定、自動重合閘數量有限的變電站，每個監控端（自動重合閘）的信號可以直接送給DG，避免采用中央處理算法。該方法的主要缺點是對于多重網絡拓撲需要有1個中央處理算法；當自動重合閘和配電線路的拓撲結構發生變化時，運算算法需要依據最新的配電網拓撲信息；另外，該方法還需要有通信支持，對于無線電和電話線不能覆蓋的DG系統而言，若采用此方法費用將會非常高。

3.1.2 電力線路載波通信

電力線路載波通信的孤島檢測方法采用輸電線傳輸信號。該方法采用連接在變電站母線二次側的信號發生器不斷地給所有的配電線路發送信號，每個DG設備都裝設信號探測器，如果探測器沒有檢測到該信號，則說明變電站和該DG設備之間的任何一個斷路器都可能跳閘，則DG處于孤島狀態。該方法的原理圖如圖2所示，其主要優點是當配電網中的分布式電源密度增加時不需增加信號發生器，而且信號探測器只需檢測信號的連續性，因此非常可靠。另外，該方法不用考慮配電網絡拓撲結構的變化。該方法的主要缺點是信號發生器為中壓設備，需要通過1個降壓變壓器連接在變電站，如果只有1臺或2臺DG使用這個設備，則花費是不合理的，且信號發生器發出的孤島檢測信號還可能干擾其他電力線路的載波通信。

圖2 電力線路載波通信孤島檢測原理圖

3.1.3 連鎖跳閘方案

文獻［11］提出了連鎖跳閘方案，其基本思想是監控電路中所有可能導致孤島形成的斷路器或自動開關的狀態，當其中一個開關動作并導致分布式發電系統中變電站分離時，中央控制單元將確定孤島地帶，并立即發送信號中止孤島區域內分布式發電裝置的運行。連鎖跳閘方案對有著固定拓撲結構的饋電線來說十分有效，它允許電網對分布式發電裝置的附加控制，增加了分布式發電裝置與電網之間的協調，并且在故障清除后，還可以用一個中央控制單元提供分布式發電裝置的重連信號，但其成本高，執行復雜。

3.2 孤島的本地檢測

孤島的本地檢測方法一般檢測DG的輸出電壓和電流的信號，該方法可分為2種子類型：其中被動式孤島檢測方法是根據所測量的電壓和電流的信號判斷孤島是否發生，亦稱為無源孤島檢測方法；主動式孤島檢測方法是向供電系統中注入擾動信號，通過測量其響應情況來判斷孤島是否發生，亦稱為有源孤島檢測方法。

3.2.1 被動式孤島檢測方法

被動式孤島檢測方法是通過被動地測量和監測系統的狀態來偵測孤島現象，通常是在系統公共耦合點（PPC）檢測電壓、頻率、諧波失真等參數，當孤島運行發生時，這些參數會發生明顯變化。被動檢測法又可以被分為頻率及頻率變化率法、相位偏移法、電壓幅值檢測法等，下面對各種被動孤島檢測方法逐一進行簡要介紹。

（1）頻率及頻率變化率法（Rate of Change of Frequency，ROCOF）

當DG與電網并聯運行時，其頻率基本恒定。當孤島發生時，由于DG與負荷的不匹配，會引起頻率發生變化。因此，可以根據頻率的變化來判斷DG是否處于孤島狀態。頻率法是直接測量DG端電壓的頻率，而頻率變化率法是測量DG端電壓頻率的變化率df／dt來檢測孤島狀態。利用df／dt能更好地檢測出孤島狀態，其原理為：在孤島形成時刻，孤島內部由于功率供求不平衡會造成系統頻率突變，而頻率的變化率是關于孤島內部有功功率供求差值的函數。當滿足以下兩個條件時，頻率變化率繼電器ROCOF動作：頻率的變化率超過設定值；持續時間超過延時繼電器的設定值。

圖3裝有ROCOF繼電器的系統等值電路

圖3為安裝有ROCOF繼電器的分布式發電系統的等值電路，正常情況下負載L由DG和公共電網共同提供電能。若斷路器CB2跳開形成孤島，則負載L完全由DG提供電能，這一瞬間DG輸出的功率與負載L的功率不平衡，從而引起頻率變化。若忽略無功功率，頻率的變化率可用下式表示：

其中，fN為系統的額定頻率，H是DG的慣性系數，PDGN為DG的額定容量，PDG為形成孤島瞬間DG的輸出功率。

當測得的頻率變化率大于某一定值時就可以認為系統中有孤島形成，這種孤島檢測方法的原理簡單且容易實現，但是其測量的準確度受孤島內功率供給的不平衡程度影響較大，當不平衡程度低時存在檢測盲區，而當微電網中有大功率用電負荷投切時又有誤動作的可能性，因此，在實際應用中必須添加輔助判據以保證孤島檢測的準確性。

（2）相位偏移法（Vector Shift，VS）

圖4 裝有VS繼電器的系統等值電路

相位偏移法就是通過測量DG機端電壓相位角的變化來檢測孤島［12－14］。圖4為安裝有VS繼電器的分布式發電系統的等值電路。在圖4中，如果斷路器CB2跳開形成孤島，由于DG所帶負載功率的突然增加（或減少），DG端電壓U˙和電動勢E˙之間的相位差δ會發生變化，端電壓U˙將跳變到一個新的值，其相位也隨之改變，如圖5所示。端電壓的這種變化稱之為相位偏移，電壓矢量轉移法就是基于這一特性的。相位偏移繼電器不間斷地檢測端電壓U˙的相位變化值Δθ，如果Δθ大于VS繼電器設定的閾值α，則判定為發生孤島。通常VS繼電器的動作角度在60°～120°之間。

圖5 端電壓相位變化曲線

（3）電壓幅值檢測法

除了頻率和相位，還可將DG的端電壓幅值作為判別量用于孤島檢測。孤島發生時，由于DG與負載之間無功功率的不匹配，使DG的端電壓幅值發生變化，根據電壓幅值的變化或者電壓幅值的變化率可以判斷DG是否處于孤島狀態。由于電壓幅值的變化比頻率變化快，因而該方法可以用于頻率法無法鑒別的情況。另外，由于電壓繼電器常用于其它的保護，如過電壓保護等，因而利用電壓繼電器來進行孤島鑒別不需要額外的投資。不過考慮到在其它情況下也會引起電壓幅值的變化，故該方法不能單獨使用，只可作為輔助判據。

（4）其他新型被動式孤島檢測方法

為解決實際應用中相位偏移法存在的靈敏度和檢測死區的問題，文獻［15］提出了一種新的檢測判據，綜合應用了頻率檢測法和相位偏移法。

相位偏移角Δθ是頻率變化Δf所引起的累積值，其大小由頻率變化的大小和變化所持續的時間兩個因素所決定，它們之間的關系為：

其中，fDG為孤島系統的頻率，f0為孤島發生前系統的頻率，Δt為孤島檢測裝置的檢測時間。

可以看出，式（2）與傳統相位偏移法最大的不同是其并沒有在每個周期內對相位偏移角進行計算，而是計算一段時間內的累積值，這樣即使發生很小的頻率波動，只要孤島檢測時間設定得足夠長，由式（2）計算所得的相位偏移角Δθ也是相當可觀的。因此，只要選擇合適的門檻值，就能很容易地檢測出孤島狀態。但如果門檻值選擇得較小，就會出現正常運行時發生一些擾動（如負荷波動）導致裝置發生誤判；而如果選用較大的門檻值，則又會出現較大的檢測死區。由實際運行經驗可知，即使當DG與電網并聯運行時因擾動而引起的相位偏移角等于當DG出力與負荷功率差值較小時發生在孤島情況下的相位偏移角，它們相應的頻率變化的最大值也是不同的。對于前一種情況，由于電網的頻率調節能力較強，其頻率變化的持續時間較小，相應的頻率變化最大值較大；而對后一種情況，由于DG自身的頻率調節能力相對較弱，其頻率調節持續的時間相對較長，相同的相位偏移所對應的頻率變化的最大值也較小。即在孤島與非孤島狀態下，相同的相位偏移量對應的頻率變化的最大值相差較大，可以用圖6來表示。鑒于此，引入頻率變化量Δf這一輔助檢測量，從而在保證檢測裝置高靈敏度的前提下，提高裝置的可靠性。

圖6 擾動時相位偏移與頻率變化的關系

傳統的被動式孤島檢測方法根據電量的變化來判斷孤島的發生，但是當分布式發電系統輸出功率與負載功率匹配時，即使發生孤島效應，輸出電壓或頻率的變化很小，保護電路會因電壓和頻率未超出正常范圍而檢測不到孤島的發生。文獻［16］設置了一個新的檢測指標Δf／ΔPL，通過將其計算值與所給的門檻值相比較來判定是否發生孤島現象。

圖7 分布式發電系統并網運行結構圖

如圖7所示是分布式發電系統并網運行結構圖，由圖可知，將分布式并網發電系統劃分為子系統1和2，以ΔP1和ΔP2分別代表子系統1和2的功率的變化，Δf1和Δf2分別代表子系統1和2的頻率的變化。當子系統2中負載突然變化時，假設此時負載功率變化為ΔPL，子系統1到2的功率變化為ΔP，忽略分布式發電系統功率的變化，可得：

當分布式發電系統和電網正常并網工作時，子系統1和2的頻率變化相同，則有：

式（5）可轉化為：

由于ΔP／Δf正比于其子發電系統容量，而子系統1包含電網，所以ΔP1／Δf1遠遠大于ΔP2／Δf2，則式（6）可轉化為：

當發生孤島效應時，子系統1和2各自獨立，負載功率的變化即為子系統2的功率變化，即：

故孤島效應發生后，有：

由于Δf1／ΔP1遠遠小于Δf2／ΔP2，故當發生孤島效應時，盡管子系統2中的ΔPL可能會較小，但Δf／ΔPL在孤島效應發生前后的變化卻很大，因此應用Δf／ΔPL來判斷孤島效應靈敏度高。

以上是關于反孤島保護被動檢測法的相關介紹。被動檢測法在檢測過程中不會向系統加入有源元件，對系統影響小，但是方法本身受孤島內部功率不平衡量的影響較大，當孤島內部功率供給基本匹配時存在檢測盲區。不過一些致力于提高被動檢測法靈敏度的研究工作正在開展，如文獻［15］和［16］就是研究解決這個問題。

3.2.2 主動檢測法

主動檢測法通常會在DG的控制信號中加入一個較小的電壓、電流或者相位擾動信號。當系統正常運行時，DG相當于連接在無窮大的系統上，此擾動信號不會對系統供電造成太大影響。當形成孤島之后，擾動信號的效果就會明顯加強，因此通過檢測公共耦合點（PCC）處的系統響應，就可以判斷系統中是否出現孤島現象。

目前配電網中應用的DG大多采用逆變電源，其在并網運行時，逆變器工作在電流控制方式下，其輸出電流可以表示為：

式（10）中的三個變量（電流幅值Im、角頻率ω、電流與公共耦合點電壓之間的相量夾角φ）都可以作為主動法中的擾動信號。因此，根據選擇擾動變量的不同可將主動檢測法分為三類：幅值偏移檢測法（阻抗測量法）、頻率偏移法和相位偏移法。在工程實際中，較常用的有幅值偏移檢測法、阻抗測量法和無功差值輸出檢測法等，下面分別介紹這些方法。

（1）幅值偏移檢測法

幅值偏移檢測法是通過改變DG的端電壓，測量其輸出的無功來檢測孤島是否存在［17］。由于DG孤島運行與并網運行時的阻抗相差很大，因此孤島運行時端電壓的改變將引起無功功率的顯著變化。實現時只需改變發電機的勵磁電流。該方法比無源孤島檢測方法復雜，并且還可能造成某些負面影響，如電能質量變差和轉子振動等。

（2）阻抗測量法

當分布式發電系統并網運行時，發電機端的等效阻抗很小，而當孤島運行時等效阻抗很大，故通過檢測電阻的變化就能檢測出系統是否處于孤島狀態［18］。阻抗測量法的原理圖如圖8所示。由于等效阻抗相差很大，所以不需要對阻抗值進行精確測量。孤島運行時，功率不平衡大小不會影響孤島檢測。

圖8 阻抗測量法的原理圖

采用該方法仍有一些不足之處：首先，當系統有多個分布式發電機時，注入的各干擾信號可能相互沖突，從而影響阻抗的測量；其次，檢測成本也是一個需要考慮的因素，因為該方法需要在每個分布式發電機側安裝一個專用的干擾信號發生器；最后，某些負荷的頻率響應可能正好將此干擾信號濾除掉，而不能產生相應的電壓和電流響應。

（3）無功差值輸出檢測法

這種方法的原理是利用自動電壓調節裝置（AVR）。當正常并網運行時，系統內的無功供求是穩定的，自動電壓調節設備不動作；一旦有孤島形成，孤島內部的無功供求將發生變化，自動電壓調節裝置將動作，以保證無功功率的供求平衡。因此，我們可以通過繼電器感應AVR上的無功變化，當超過一定限度時就判定為孤島形成。當孤島形成后，有可能島內的負荷變化不大，在這種情況下，用一般的檢測方法無法判定孤島形成，但是用無功差值輸出檢測法就能很好地判定孤島是否存在。

這種方法的缺點在于其動作速度非常慢（因受繼電器動作時間的影響），通常需要2～5s，很難達到時效性的要求。因此，這種方法常作為其它檢測方法的后備方案并與其配合使用。

（4）其它主動式孤島檢測法

文獻［19］提出使分布式發電機產生一定大小的無功潮流，此無功潮流在DG與電網連接時能正常流動，一旦DG與電網斷開，無功潮流將無法正常流動，據此可判斷是否發生了孤島現象。

文獻［20］采用Point－on－wave開關晶閘管在電網特定位置測量故障水平，系統阻抗和故障水平可以通過快速計算得到，其缺點是接近零點時電壓波形會產生輕微的失真。

文獻［21］針對現有孤島檢測中的“檢測盲點”，提出一種用無功補償技術進行孤島檢測的方法。文中通過dq變換實現對有功電流和無功電流的分離，利用直流側實測電壓和直流側參考電壓的誤差經PI調節后作為有功電流分量的參考值。通過檢測負載電流的無功分量，將其作為逆變器補償無功電流的參考值，實現并網發電和無功補償的同步控制。文中逆變器系統只提供部分無功補償電流，其余部分仍由電網提供，這樣會保證在形成孤島后，逆變器輸出的無功功率與負載需求不一致，最后導致電壓幅值和頻率超過限定值，這便于孤島的檢測。

以上介紹了一些常用的主動式孤島檢測方法，主動檢測向系統施加外部干擾，即使是功率完全平衡的孤島，也可以通過主動干擾來破壞功率平衡，以便可靠進行孤島檢測。但外部干擾會影響供電質量，檢測時間也比被動檢測長。當系統中包含多個DG時，各電源主動檢測裝置發出的干擾信號可能互相影響，這會降低檢測效果。

3.3 逆變器內無源檢測方法

該檢測方法和同步發電機的本地無源檢測方法相似，通過監控逆變器輸出端電壓、頻率和相位等參數的變化來實現。其主要的檢測方法有過／欠電壓和高／低頻率孤島檢測法、電壓相位突變孤島檢測法（PJD）和電壓諧波孤島檢測法等。

（1）過／欠電壓（OVP／UVP）和高／低頻率（OFP／UFP）孤島檢測方法［22］

當基于逆變器的DG處于孤島運行狀態時，若逆變器的輸出功率（有功和／或無功）和本地負荷功率不平衡，則電壓和／或頻率就會產生偏移。如果電壓和／或頻率偏移達到孤島檢測設定閾值，則可檢測到孤島發生。許多有源孤島檢測方法也采用使逆變器的輸出電壓或頻率在孤島狀態下偏離到設定的閾值，從而通過OVP／UVP或OFP／UFP檢測孤島是否發生。然而，當逆變器所帶的本地負荷與其輸出功率接近于匹配時，電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在檢測盲區（NDZ）。

逆變器的輸出功率（P，Q）和本地負荷（P＋ΔP，Q＋ΔQ）間的有功不平衡功率（ΔP）、無功不平衡功率（ΔQ）和NDZ的大小將取決于逆變器的控制方法。若逆變器的輸出功率恒定且為單位功率因數，則NDZ的大小可以通過下式計算得到［23］：

式中，Vmax、Vmin、fmax、fmin分別為電壓和頻率偏高／偏低的設定值，Qf為本地負荷的品質因數。如果負荷采用并聯RLC電路建模，則品質因數為：

這種方法的經濟性比較好，但由于此檢測方法的非檢測區比較大［24］，所以單獨使用OVP／UVP和OFP／UFP孤島檢測保護是不夠的。

（2）電壓相位突變檢測法（PJD）

相位突變檢測是檢測逆變器輸出端電壓和輸出電流之間相位是否發生突變［25］，若突變超過設定閾值，則說明檢測到孤島。正常工作時，電流源型逆變器檢測電壓過零點，使輸出電流波形（通常由鎖相環來完成）與系統電壓同步。電壓源型逆變器則正好相反。如圖9所示，對于電流源型逆變器而言，當與系統斷開后，逆變器輸出端的電壓不再被系統電壓所固定，而逆變器輸出的電流由于鎖相環（PLL）的作用是固定的，只有在過零點時輸出的電流和端電壓是同步的。在過零點之間，逆變器工作在開環狀態，由于電流頻率沒有發生變化，負載相位必然與系統斷開前相同，因此電壓必須跳到新的相位。在下一個過零點之前，“新”電壓和逆變器輸出電流之間的相位差即可用來檢測孤島。此方法的優點是易于實現，只需要檢測逆變器輸出電流和端電壓的相位誤差即可，若超過閾值則關斷逆變器，這樣既不影響電能質量也不影響系統的暫態響應，而且對于含多臺逆變器的DG系統來說，孤島檢測的效果也不會減弱。其缺點是可編程邏輯器件（PJD）很難提供可靠的孤島檢測閾值，閾值過低將會導致逆變器誤動作。

圖9 相位突變檢測原理

（3）電壓諧波檢測法

電壓諧波孤島檢測方法是監控逆變器輸出端電壓總的諧波畸變（THD），如果THD超過設定的閾值，則可檢測到孤島發生。逆變器輸出電流中總是包含一定的諧波信號。當并網運行時，電網為低阻抗的電壓源，逆變器端電壓諧波畸變很低，THD≈0。而當孤島發生時，逆變器內阻抗增大，輸出的諧波電流將使端電壓的電壓諧波增大［26］。另外，孤島中的非線性負荷，尤其是配電變壓器，將通過逆變器輸出電流勵磁，這些非線性負荷的電壓響應在電流諧波激勵作用下出現高度失真，通常為三次諧波。該方法的優點是孤島檢測的范圍寬，在多臺逆變器情況下的檢測效果基本不變。其缺點是在不引起逆變器誤動作的前提下，很難確定動作閾值。如果出現孤島中負荷具有很強的低通特性、孤島系統中不包含配電變壓器、或非線性負荷需要其輸入諧波電流與逆變器輸出電流匹配等情況時，該方法可能失效。

3.4 反孤島保護的其它檢測方法

3.4.1 主被動相結合的檢測方法

上面介紹了一些反孤島保護的檢測方法，這些方法或多或少都有一些缺點。被動式孤島檢測方法檢測盲區大。主動式孤島檢測方法檢測盲區雖小，但會對并網系統輸出電能質量有影響，同時，主動式孤島檢測方法較復雜，不利于工程實現。由此可以看出，單純采用一種檢測方法并不能取得滿意的效果。

文獻［27］提出了一種主被動相結合的檢測方法。文中利用過壓欠壓檢測、相位突變檢測和AFD檢測（周期性地改變輸出并網電流頻率以實現反孤島效應的功能）相結合以實現無盲區檢測。當分布式發電系統輸出功率和負載功率不匹配時，利用過壓欠壓檢測就可以檢測孤島效應的發生情況。當分布式發電系統輸出功率與負載功率基本匹配但負載呈非線性時，可以采用相位突變的方法來檢測孤島效應的發生情況。當負載近似呈阻性且分布式發電系統輸出功率和負載功率匹配時，前兩種被動式孤島檢測方法均失效，此時即可用AFD方法檢測。這樣就實現了對并網孤島效應的無盲區檢測，這種檢測方法對電能質量影響小，檢測簡單方便，不會增加系統成本，適合工程實現。

3.4.2 基于混沌理論的孤島檢測方法

主動式檢測方法由于輸出諧波較大或控制算法過于復雜而在實際中難以實現。被動式檢測方法雖然檢測盲區大，但它原理簡單，容易實現，對電能質量無影響。

為了彌補被動式檢測方法中檢測盲區過大這個缺點，文獻［28］采用了混沌檢測系統，其檢測精度可達到百萬分之一。文中在過／欠電壓孤島檢測方法的基礎上，首先將周期性正弦電壓信號進行歸一化處理，然后采用混沌系統進行檢測：

式中，取h＝0.725524，這樣，只要被檢測的電壓信號幅值超過并網標準電壓的限值，系統就會由臨界混沌狀態進入大尺度周期狀態，或從大尺度周期狀態進入臨界混沌狀態，從而可通過混沌系統相圖判斷并網系統是否進入孤島狀態。

3.4.3 基于PMU的孤島檢測方法

在前面介紹的一系列孤島檢測方法中，相比較而言，被動檢測法中的相量突變量檢測法可以很好地消除檢測盲區，又不需要追加太大的投資，檢測過程中對微電網的正常運行也沒有影響，是一種較為理想的孤島檢測方案。由于在其判定的過程中需要從線路不同點采集線路的電壓信號進行相量計算，為了保證判定的精確性，必須保證用于計算的不同點的采樣數據嚴格取自同一個時間點，因此將PMU引入控制系統，以PMU提供的實時同步電壓向量為基礎就可以保證較精確的孤島檢測效果。

文獻［29］介紹了基于PMU的孤島檢測方法。針對當配電網內部有大功率用電設備投切或者當配電網外部發生故障時，距系統側斷路器電氣距離較遠的DG可能發生誤動作的情況，文中提出了以下兩個措施：借鑒基于通訊量的孤島檢測方案，在每個DG接入點左右兩側都加裝PMU設備；引入輔助判據，如電壓突變量等。此外，文獻中對用于孤島檢測的PMU算法進行了改進，將采樣頻率根據系統實際頻率同步變化。最后，文獻中指出了基于PMU的孤島檢測方法仍然存在的一些問題，如PMU的暫態特性較差等。

4 結束語

本文詳細介紹了分布式發電系統中孤島檢測的主要方法，并根據孤島檢測的基本原理和安裝地點不同進行了分類介紹；詳細分析了基于通信的孤島檢測方法、被動式本地孤島檢測方法、主動式本地孤島檢測方法、基于逆變器的分布式發電系統孤島檢測方法和一些新型的孤島檢測方法及其基本原理；并比較說明了各種方法的優缺點和其非檢測區的大小。綜合考慮孤島檢測的性能以及對電能質量的影響，主被動相結合的孤島檢測方法以及基于混沌理論的孤島檢測方法將是未來發展的一個新方向。

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Detection method for distributed generation anti－islanding protection

YANG Yan－hui
（Beijing Etechwin Electric Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

The basic method of island detection for distributed generation system is introduced.According to the basic principle of islanding detection and the type of distributed generator，the island detection method is described from four aspects，which are based on communication technology，local detection，passive detection in inverter and new island detection.Each aspect is divided into a number of specific testing methods according to the different detection principles.The theoretical basis and performance of various detection methods are expounded in detail，and the advantages and disadvantages of each detection method are compared，and the feasibility and effect of each detection method in practical application are discussed.The developing prospect of the distributed island detection system is also given.

distributed power generation；grid－connected system；islanding operation；islanding detection

TM61；TP273

：A

1005—7277（2017）01—0034—10

楊彥會（1977－），男，河北保定人，工程師，高級技師，主要從事智能微電網工程的應用設計及系統控制的分析和研究工作。

2016－10－02