孤島檢測的專利技術分析

李爽 崔嬌

摘 要：分布式能源并網的電力系統中，及時、有效、準確的檢測出孤島是電力系統保護的重要內容。本文主要針對孤島檢測的技術發展線路，通過檢索、統計、分析該領域的專利申請，統計了申請趨勢、重要申請人等信息，同時闡述了重點專利的技術發展脈絡。

關鍵詞：電網孤島專利分析

一、前言

分布式發電系統的并網運行是可以提高供電系統可靠性和靈活性。微電網是在分布式發電基礎上形成的新型供電方式，其主要組成單元包括分布式電源、電力負荷、儲能裝置以及控制系統，通過電力電子裝置和儲能設備實現功率變換和靈活控制。微電網充分發揮了分布式電源的優勢，解決分布式電源大規模并網的問題，是電力系統新的發展方向。

微電網有本地網絡負載供電（孤島模式）和并網運行（并網模式）兩種供電形式；孤島是指在與電網并聯運行的分布式并網供電系統中，電網連接端端口因故障或停電檢修等原因斷開與供電端口的連接時，分布式發電系統沒有及時與主電網切離，形成了一個由分布式發電系統單獨給本地負載供電的孤島系統。孤島運行又分為計劃的孤島運行和非計劃的孤島運行；非計劃的孤島運行是由不可預知的緊急故障造成并聯運行的電網供電端口與用戶的供電端口脫離，而分布式發電系統未能檢測出該狀態，沒有及時自動的斷開而持續向負載供電，形成了由分計劃的分布式發電系統獨立向負載供電的供電系統；非計劃的孤島運行可能會給電力系統的安全穩定運行帶來一系列問題，如無法徹底清除故障、重合閘失敗、備自投時間延長甚至失敗、孤島系統內電能質量惡化等問題，同時也會危害運維人員的人身安全。因此，及時、準確的檢測出非計劃的孤島運行狀態，是電力系統保護與控制的重要研究方向。

二、孤島檢測發展情況及分析

孤島檢測方法可分為電網端和逆變器端兩大類檢測法，其中逆變器端的檢測法又分為被動和主動兩類檢測法。電網端的檢測法（也稱遠程檢測法或外部法）主要是通過無線通信檢測斷路器的開斷狀態，并且在電網側發出載波信號，安裝在DG側的接收器將根據這些信號的變化來判斷是否發生了孤島，在電網斷電時發送孤島狀態信號給并網逆變器使其斷開與電網的連接，其優點是無非檢測區，可靠性高，對于各種類型的逆變器的孤島檢測都有效，但是需要增加其他裝置成本高、經濟效率低。

逆變器端的檢測法（也稱本地檢測法或內部法）主要是依靠逆變器自身來判斷是否發生孤島狀態，不需要增加額外的互感器和測量設備，一般是通過檢測輸出端電壓的幅值和頻率來判斷是否發生了孤島效應；可分為被動法和主動法兩類。被動檢測法從分布式電源單方面來檢測孤島，如通過檢測電壓、相位、頻率及其變化率、諧波等基本電氣量是否在允許范圍之內來判定孤島，該方法不會對系統電能質量造成影響，但是存在較大檢測盲區；主動檢測法通過引入擾動因素如諧波、有功、無功、頻移、相差等，使其輸出電壓、相位、頻率存在一定的擾動，使得孤島發生后相關電氣量超出門檻值，從而判定孤島；主動式檢測精度高，非檢測區間較小，但是控制相對復雜，會對逆變器的主要性能造成影響，如諧波量增加、發電效率變低等。

目前的專利申請中，關于孤島檢測方法改進的申請最多，主要是對現有孤島檢測方法進行改進，以取得更好的孤島檢測效果；也有部分專利通過優化孤島檢測設備，以取得更好的孤島檢測效果。

公開號為CN108233423A的專利申請公開了一種新能源發電系統并入交直流混聯電網的自適應孤島檢測方法；將頻率增長率的持續變化作為孤島檢測的條件之一，設置了兩個頻率閾值，綜合考慮并網點頻率值和頻率增長率的持續變化情況對系統的運行狀態進行判斷，得到一種相對更優的自適應孤島檢測方法，能夠有效區分是因系統處于孤島運行而導致并網點頻率上升還是由于交流系統頻率波動導致的并網點頻率波動，從而具有較高的準確性。公開號為CN107765108A的專利申請公開了一種逆變器的孤島檢測方法；在針對逆變器進行孤島檢測時，采樣逆變器交流端口輸出的交流電壓信號；針對所述交流電壓信號進行諧波分析，得到各次電壓諧波和各次電壓諧波的變化率；基于各次電壓諧波和各次電壓諧波的變化率，確定電壓總諧波畸變率；在所述電壓總諧波畸變率大于電壓總諧波畸變率的設定閾值時，確定檢測到所述逆變器發生孤島效應；減少孤島檢測的死區，提高孤島檢測的準確率和可靠性。公開號為CN107526009A的專利申請公開了一種根據頻率和電流變化時序的孤島檢測防誤閉鎖方；根據頻率與諧波電壓變化時序關系進行防誤閉鎖，若頻率先發生變化，則判定為電網頻率變化，不是孤島導致的變化；有效地解決了電網頻率偏移時諧波擾動及變壓器空投等造成的誤動，減小誤判的可能性。上述專利申請通過對已有單一的孤島檢測方法進行改進，提高了孤島檢測的性能。

公開號為CN108445326A的專利申請公開了一種主動式無功孤島檢測方法；對主動式無功防孤島增加一個頻率檢測模塊進行主動檢測，無須擾動量超出孤島諧振的工作范圍。公開號為CN108631353A的專利申請公開了一種微電網孤島檢測方法及系統；采集公共連接點電壓，并獲取相位和頻率判斷是否有孤島現象發生；如果有則結束，否則進入下一步；注入擾動電流，再次采集公共連接點電壓，重新判斷是否有孤島現象發生；該方法能夠快速實現微電網孤島檢測，在多個分布式能源裝置下依然能夠保證孤島檢測的有效性，同時減小了諧波干擾。上述專利申請利用不同孤島檢測方法的優缺點，通過對已有不同的孤島檢測方法進行組合，提高了孤島檢測的性能。

公開號為CN108011359A的專利申請公開了一種用于分布式電源的孤島保護裝置，設備產權能獨立于分布式電源商；通過在分布式電源的公共接入點并入降壓變壓器、限流電感和晶閘管組成的可控短路電路，在電網電壓過零時接入電網，從而借助公共連接點在連網和脫網狀態下短路容量的不同將產生不同的短路電流大小和電網電壓諧波水平，實現孤島檢測的本地激勵本地檢測，大幅降低了系統成本和提高了檢測的可靠性。上述專利申請通過對孤島檢測的裝置進行改進，提高孤島檢測保護的性能。

三、孤島檢測保護技術的專利發展趨勢

傳統孤島檢測方法各有優缺點，現階段關于孤島檢測的技術主要是對孤島檢測方法的優化，也有部分專利申請通過對裝置的改進提高孤島檢測的性能。對于方法的優化可以大體分為兩類，一種通過優化已有單一的孤島檢測方法，提高孤島檢測保護的性能；一種通過組合不同的孤島檢測方法，提高孤島檢測保護的性能。檢測速度更快、準確率更高、效果更好的孤島檢測保護方法將是孤島檢測保護未來發展的方向。

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