常见孤岛检测盲区描述方法

刘 建 ，崔德民 ，李晓博 ，王 晶 ，王 森

（1.德州供电公司，山东 德州 253000；2.山东铝业职业学院，山东 淄博 255051；3.中国石油大学（华东），山东 青岛 266580）

0 引言

孤岛问题是指当电网因发生故障或停电维修等原因而跳闸，以致于不能可靠供电时，分布式并网发电系统如果未能快速及时检测出停电状态而仍旧与电网相连，并继续供电，将形成供电孤岛［1］。图1所示为分布式电源并网运行结构图。针对分布式并网发电系统的孤岛检测方法种类繁多，如表1所示，但大部分都存在检测盲区问题，即在一些特殊的负载情况下，孤岛检测装置不能及时有效地检测出孤岛状态，对负载端用户的设备造成损坏，孤岛线路也将危及检修人员的人身安全，在重新合闸前如没有消除孤岛状态也将会导致不同步并网，其所带来的危害可想而知。当所用检测方法不能可靠检测出孤岛状态时，其所对应的负荷空间或负载参数区间即可定义为孤岛检测盲区。孤岛检测盲区的大小可以作为判断孤岛检测方法好坏的重要标准，通过对孤岛检测盲区进行恰如其分的描述，可以对相应的孤岛检测方法性能进行评价，进而有效地揭示孤岛检测方法的适用范围。

图1 孤岛系统并网运行结构图

研究孤岛检测盲区的描述方法可以更深入地找出孤岛检测失败的原因，便于今后研究出更高效的孤岛检测方法。

1 孤岛检测盲区描述方法

对于孤岛检测盲区的描述，目前有多种方法，如功率失配区间描述法、负载参数L×Cnorm区间描述法、负载特性参数Qf×fres区间描述法、类负载特性参数Qf0×Cmorm区间描述法等，有着各自不同的特点和适应范围。

1.1 功率失配区间描述法

由于电网跳闸前后系统中功率的变化情况可以通过功率不匹配的大小ΔP和ΔQ和很明显的反映出来，因此，可以简单地使用功率失配区间区间ΔP×ΔQ对被动式孤岛检测方法的检测盲区（NDZ）进行定量描述［2］。

表1 孤岛检测方法

在图1所示的孤岛系统并网运行结构图中，当分布式电源输出的有功和无功功率比负载所需的有功和无功功率大时，电网将吸收多输出的那一部分有功和无功功率；反之，当分布式电源发出的功率比负载所需的功率小时，负载将从电网吸收相应的功率缺额。 当电网侧断路器断开形成孤岛运行时，如果分布式电源发送的功率与负载所需的功率不相等，即ΔP＋jΔQ≠0时，公共耦合点a处的电压幅值大小和频率将发生变化，电路将运行于一个新的稳态平衡点。如果分布式电源发送的功率与负载所需的功率比较接近，即和特别小的时候，则孤岛系统中的电压幅值和频率变化很微弱，系统不能检测出孤岛，孤岛状态将持续发生，也即是进入检测盲区了。如果功率不匹配很严重，即ΔP和ΔQ足够大时，则公共耦合点a处的电压幅值和频率将超出正常工作范围，OUF和OUV保护将判断出孤岛并阻止孤岛状态的继续运行。用功率失配区间ΔP×ΔQ区间，即如图2所示，以坐标原点附近的区间来描述以上2种情况，公共耦合点a处的电压幅值或者频率的变化只要在此区间内都将不能够触发反孤岛保护动作，所以将这个区间定义为功率失配区间ΔP×ΔQ区间中所描述的NDZ。NDZ越小说明所描述的孤岛检测方法性能越好。

图2 ΔP×ΔQ区间描述的NDZ

1.2 负载参数L×Cnorm区间描述法

当分布式电源输出功率与负载所需功率相匹配时，主动式孤岛检测方法仍能检测出孤岛，与被动式孤岛检测法相比，其检测效率明显提高。虽然功率失配区间ΔP×ΔQ区间在一定程度上能反映出孤岛检测方法的可行性，但是功率失配区间ΔP×ΔQ区间不能直观地反映主动式孤岛检测方法的有效性，也不能反映出其与负载参数之间的关系。因此，可以考虑用一种基于具体负载参数的坐标区间方法来准确地描述主动式孤岛检测方法的检测盲区，如L×Cnorm区间，其中L为负载电感，Cnorm为负载电容的标幺值。发生谐振时，电网角频率

即可知谐振电容为

定义负载电容的标幺值Cnonm为

式中：C为负载电容；L为负载电感。

记θload孤岛状态时的负载阻抗角，θDG为所采用的孤岛检测方法决定的分布式电源输出电流超前于端电压的相位角，则相位平衡关系为

式（4）可作为孤岛发生与否的一个判断标准，即孤岛发生的相位判据。

由θload=-θDG可推出L×Cnorm区间描述的相位判据

对L×Cnorm区间中的任意一点，孤岛系统的稳态频率都可以用（5）式所述相位判据进行计算，如果孤岛系统的稳态频率没有超出过/欠频保护的范围，那么该负载参数位于所采用孤岛检测方法的NDZ之内，否则处于NDZ之外。需要注意的是，式（5）可以发现，由于相位判据只能对基于频率的孤岛检测方法的NDZ的大小和位置进行描述，而对于预测孤岛状态持续发生的时间却无能为力，并且根据（5）式的相位判据所确定出的NDZ的大小与电阻R的大小有关。因此，当负载电阻R不相同时，用同一种孤岛检测方法在L×Cnorm区间中所描述的NDZ也不尽相同，所以L×Cnorm区间在反映负载电阻的变化对基于频率的孤岛检测方法所形成的NDZ的形状及大小的影响时就显得效果不是很理想，说明负载参数L×Cnorm区间描述法存在很大的局限性。文献［3］对负载参数L×Cnorm区间描述法进行了详细的实验验证。

1.3 负载特性参数Qf×fres区间描述法

谐振电路的品质因数

式中：ωres为负载电路谐振角频率。

为了避免负载电阻的变化对孤岛检测盲区的影响，可以考虑以负载品质因数Qf为横坐标和负载电路谐振频率fres为纵坐标建立负载特性参数Qf×fres区间，即将（6）式和（7）式代入（5）式可以找出 Qf×fres区间中的相位判据

如果满足（8）式的频率f在正常频率工作范围内，将持续发生孤岛状态。因此，可用（8）式来评估基于频率的孤岛检测方法在Qf×fres区间中的有效性。在Qf×fres区间中描述孤岛检测方法的NDZ时，不需要像在L×Cnorm区间中描述NDZ那样因电阻改变而绘制不同的曲线。 因此，对任意的负载RLC，在Qf×fres区间中基于频率的孤岛检测方法都可用一个NDZ来简洁直观的进行描述，可以认为是对L×Cnorm区间描述法的一个改进。文献［4］将负载特性参数Qf×fres区间描述法进一步的推广到三维空间，以主动频移法AFD的不可检测区为例

它以Qf，δf为自变量，fres为变量构成三维空间，可以更直观的描述检测盲区，并分析了各种孤岛检测方法的参数对检测盲区的影响，（9）式中δf为频率的偏移量。

类似的，也可以考虑用谐振电路的角频率ωres替换负载电路谐振频率fres，建立负载特性参数Qf×ωres区间，其特点和Qf×fres区间描述法基本一样。

1.4 类负载特性参数Qf0×Cnorm区间描述法

从（6）式和（7）式不难发现负载品质因数Qf和负载电路谐振频率fres都与负载电感L、负载电容C相关，说明Qf×fres区间的两个坐标互相耦合，不能直接的反映NDZ与负载参数之间的关系，不利于实验验证。文献［5］提出的Qf0×Cnorm区间描述法可以解决上述问题。

定义类负载品质因数

虽然 Qf0的定义在形式上与负载品质因数类似，但Qf0受电网角频率、负载电阻和负载电感的影响，与负载电容没有关系。

Qf0×Cnorm区间描述法以类负载品质因数 Qf0为横坐标，负载电容的标幺值Cnorm为纵坐标，横纵坐标之间相互独立，能直接描述检测盲区与负载参数之间的关系，有利于将孤岛检测的理论研究与实验验证及产品性能认证相结合，应用于工程实践。当电网频率和分布式电源输出功率不变时，即ω0和R（R的大小由有功功率决定）的值为常数，由（9）式可知Qf0是负载电感L的单值函数，坐标轴Qf0能等效反映负载电感L的大小，与另一个坐标轴Cnorm一起，正好能够支撑起整个负载平面，使盲区图形更好的呈现出来。当负载频率和电网频率相等时，即ωres=ω0时，有Qf0=Qf，从而使盲区平面中的 Qf0值可直接与IEEE 929—2000标准中Qf的值相对应，为该盲区描述方法与国际标准IEEE Std.929—2000间的兼容性提供了理论基础。类负载特性参数 Qf0×Cnorm盲区描述方法同样也适用于 SMS（Slip Mode Frequency Shift）、APS（Automatic Phase-Shift Method）等基于移频、移相类孤岛检测方法的性能描述。文献［5］对类负载特性参数Qf0×Cnorm区间描述法进行了详细的分析和探讨，并进行了实例验证。

2 各种描述方法的优缺点

表2对常见的孤岛检测盲区描述方法进行了分类比较，都各具特色。在选择时应根据具体的应用环境选择相应的描述方法，从而达到高效、准确的检测目的。

表2 孤岛检测盲区描述方法的比较

3 结语

综述了分布式发电系统中常用的描述孤岛检测盲区的4种方法，其中类负载特性参数Qf0×Cnorm区间描述法的性能最好，但是主要用于移频或移相类的孤岛检测方法。随着分布式电源的广泛发展和应用，对孤岛检测方法的性能要求也越来越高，这就要求必须去深入探讨挖掘描述孤岛检测盲区的新方法，能广泛适用于不同类型的孤岛检测方法。

［1］李春玲.基于光伏并网发电系统的孤岛检测［D］.天津：天津大学，2008.

［2］Ye Z，Kowalkar Zhang Y，Du P，et al.Evaluation of anti-islanding schemes based on non-detection zone concept［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19（5）：1 171-1 176.

［3］王辉.户用光伏并网系统设计及孤岛检测技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［4］赵泓，汪颖，肖先勇.电气孤岛检测及其检测盲区的三维表示法［J］.四川电力技术，2011，34（5）：5-8.

［5］刘芙蓉，康勇，段善旭，等.一种有效的孤岛检测盲区描述方法［J］.电工技术学报，2007，22（10）：167-172.