探讨孤岛效应的发生及检测方法

本节分析了孤岛效应发生的机理，阐述了反孤岛保护的重要性，并对现有的反孤岛策略进行了分类。

7.1.1.1 孤岛效应发生的机理

下面以典型的并网光伏发电系统为例分析其孤岛效应发生的机理，并阐述孤岛效应发生的必要条件。

图7-2是并网光伏发电系统的功率流图，并网光伏发电系统由光伏阵列和逆变器组成，该发电系统通常通过一台变压器（可能安装在逆变器外或不安装）和断路器QF连接到电网。当电网正常运行时，假设图7-2系统中的逆变器工作于单位功率因数正弦波控制模式，而相关的局部负载用并联RLC电路来模拟，并且假设逆变器向负载提供的有功功率、无功功率分别为P、Q，电网向负载提供的有功功率、无功功率分别为ΔP、ΔQ，负载需求的有功功率、无功功率分别为P_load、Q_load。

图7-2 并网光伏发电系统的功率流图

根据能量守恒定律，公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）处的功率流具有以下规律：

当电网断电时，通常情况下，由于并网发电系统的输出功率和负载功率之间的巨大差异会引起系统的电压和频率的较大变化，因而通过对系统电压和频率的检测，可以很容易地检测到孤岛效应。但是如果逆变器提供的功率与负载需求的功率相匹配，即P_load=P、Q_load=Q，那么当线路维修或故障而导致网侧断路器QF跳闸时，公共连接点（PCC）处电压和频率的变化很小，很难通过对系统电压和频率的检测来判断孤岛的发生，这样逆变器可能继续向负载供电，从而形成由并网光伏发电系统和周围负载构成的一个自给供电的孤岛发电系统。

孤岛系统形成后，PCC处电压瞬时值u_a将由负载的欧姆定律响应确定，并受逆变器控制系统的监控。同时逆变器为了保持输出电流i_inv与端电压u_a的同步，将驱使i_inv的频率改变，直到i_inv与u_a之间的相位差为0，从而使i_inv的频率到达一个（且是惟一的）稳态值，即负载的谐振频率f₀。显然，这是电网跳闸后RLC负载的无功功率需求只能由逆变器提供（即Q_load=Q）的必然结果。

这种因电网跳闸而形成的无功功率平衡关系可用相位平衡关系来描述，即

φ_load+θ_inv=0 （7-2）

式中 θ_inv——逆变器输出电流超前于端电压的相位角；

φ_load——负载阻抗角。(www.xing528.com)

在并联RLC负载的假设情况下，有

φ_load=arctan[R（ωC-（ωL）^-1）] （7-3）

从以上分析可以看出，并网发电系统孤岛效应发生的必要条件是：

1）发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相匹配；

2）发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配，即满足相位平衡关系：φ_load+θ_inv=0。

7.1.1.2 孤岛效应的检测

了解孤岛效应发生的机理后，重要的是要能够及时且有效地检测出孤岛效应，即

1）必须能够检测出不同形式的孤岛系统，每个孤岛系统可能由不同的负载和分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）组成，其运行状况可能存在很大差异。一个可靠的反孤岛方案必须能够检测出所有可能的孤岛系统。

2）必须在规定时间内检测到孤岛效应。这主要是为了防止并网发电装置不同步的重合闸。空气开关通常在0.5～1s的延迟后重新合上，反孤岛方案必须在重合闸发生之前使并网发电装置停止运行。

目前已经研究出多种反孤岛方案，其中一些已经应用于实际或集成在并网逆变器的控制中。

已有的反孤岛方案主要可以分为两类，即基于通信的反孤岛策略和局部反孤岛策略，如图7-3所示。第一类基于通信的反孤岛策略主要是利用无线电通信来检测孤岛效应，第二类局部反孤岛策略是通过监控并网发电装置的端电压以及电流信号来检测孤岛效应。局部反孤岛策略又可以进一步分为被动式和主动式两种：被动式方案仅根据所测量的系统电压或频率的异常来判断孤岛的发生，通常被动式方案存在相对较大的不可检测区（NDZ）；而主动式方案则通过向电网注入扰动，并利用扰动引起的系统电压、频率以及阻抗等的相应变化来判断孤岛的发生，主动式方案虽然有效地减少了不可检测区，但会或多或少地影响电能质量。

图7-3 反孤岛策略的分类