孤岛效应：可能性和危险性

孤岛效应的发生可能会带来一系列危害，其中给相关人员带来的电击危险应当是最严重的，因此这里提到的危险性主要是指孤岛效应产生电击的危险性。本节从分析孤岛效应发生的可能性出发，简要叙述了孤岛效应发生带来的相关危险，并将“故障树”分析法运用于并网光伏发电系统孤岛效应的危险性研究。

7.1.2.1 可能性分析

对孤岛效应发生的可能性认识常存在两种极端：一方面，孤岛效应被认为是可能性很小的事件，不需要特别考虑；另一方面，仅理论上的分析都足以使人们对孤岛效应发生的可能性引起重视。实际上，孤岛效应发生的可能性介于两种极端观点之间。研究孤岛效应发生可能性的主要困难是缺少孤岛效应发生的频率、持续时间以及发生时带来危险的实际数据，并且关于孤岛效应的讨论不少还是基于个人的“感觉”或“直觉”。

实际上，7.1.1节中的分析表明：孤岛效应发生的必要条件是负载需求的功率与并网光伏发电系统提供的功率相匹配。因此孤岛效应发生的可能性可以用功率匹配状况来描述，对此首先分析一下功率匹配状况的基本概念。

图7-4为功率匹配状况的示意图，其中实线表示并网发电系统输出的有功功率，虚线表示电网中负载的有功功率。若依据IEEE Std.929^[2]中孤岛效应检测的相关规定，如果并网发电系统输出的有功功率在负载有功功率5%的误差带以内，并且持续时间超过2s，就可以确定为功率匹配状况。图7-4中描述了两个可能的孤岛效应状况，分别持续了3s和2s。应注意的是，仅由并网发电系统输出有功功率曲线与负载有功功率曲线的交点是不能判定其是否为功率匹配状况的。

图7-4 功率匹配状况的示意图

综上讨论可以认识到：功率匹配是针对一定的匹配误差带而言的，而孤岛效应的发生则与功率匹配的持续时间有关。因此，孤岛效应发生的可能性可以定义为一年中功率匹配状况发生的总时间（即功率匹配状况发生次数乘以匹配状况持续时间的总和）与一年中功率匹配状况可能发生的相关时段之比，即

举例来说，一年中发生了10次持续时间为3s和2次持续时间为4s的功率匹配状况，那么匹配状况的总时间是10×3s+2×4s=38s，假定一年中匹配状况可能发生的相关时段是在白天的8：00～18：00之间，即36000s，那么一年的总时间就是365×36000s=13140000s，最后计算得到孤岛效应的可能性大约为3×10^-6次/年。

针对并网光伏发电系统的孤岛效应，荷兰相应的研究机构曾做过深入的研究，并提供了配电网中孤岛效应发生的频率以及持续时间的实际数据^[3]。该项研究是通过测量安装有并网光伏发电系统的典型居民区的负荷情况来进行的，并在两年中连续测量了每一秒钟负载需求的有功功率和无功功率，同时将相关数据存储在计算机内用于离线分析，由于电网负载和并网光伏系统提供的功率之间存在直接相关性，因而离线分析是可行的。通过对安装有并网光伏发电系统的典型居民区的孤岛效应研究得出了以下结论：

1）如果电网中并网光伏发电系统能够提供的最大功率约为夜间最小负载的2～3倍，那么负载与并网光伏发电系统功率匹配的状况就不会发生；

2）如果每个住户所安装的并网光伏发电系统的最大功率不超过400W，功率匹配状况也不会发生；

3）并网光伏发电系统的发电量不会显著影响功率匹配状况发生的频率和时间；

4）无论并网光伏发电系统发电量在总发电量中的比例高低，功率匹配状况发生的可能性都非常小；

5）功率匹配状况发生的可能性与连接到馈电线上的住户的数量无关；

6）低压电网中功率匹配状况发生的可能性小于10^-6～10^-5次/年；

7）功率匹配同时电网供电中断的可能性即孤岛效应发生的可能性几乎为0。

以上研究结论表明：并网光伏发电系统中功率匹配状况发生的可能性非常小，而孤岛效应发生的可能性几乎为0。

虽然荷兰相关机构在对某个典型居民区孤岛效应的研究中得出了孤岛效应发生的可能性几乎为0的结论，但是毕竟研究的范围有限，也不能满足未来发展的要求，因此孤岛效应作为一个技术问题，必须对其危险性有足够的重视，并采用适当的方案来加以防止或利用。

7.1.2.2 危险性分析

孤岛效应一旦发生将带来具有以下不利影响的危险性，即

1.孤岛效应引起的重合闸问题

并网逆变器系统发生孤岛效应所造成的危险性与自动重合闸相应的使用规定有关，这与使用自动重合闸装置的国家规定有关。一些欧洲国家如荷兰主要在中高压高架输电线中使用自动重合闸装置，而通常连接在低压配电网中的并网逆变器系统不可能到达电压高的输电线，所以不必考虑自动重合闸所带来的危险。而北美在针对发电装置的并网技术标准（如IEEE Std.929^[2]和IEEE Std.1547^[3]）中明确提出，使用自动重合闸可能带来危险^[1]，至少有可能对并网逆变器本身造成损坏。

2.孤岛效应对正常供电的自动或手动恢复产生的干扰

孤岛效应干扰供电的自动或手动恢复所带来的危险性部分依赖于孤岛效应稳定地维持到电网重新连接时的可能性。由于孤岛效应只有在发电装置的输出功率与孤岛系统中的负载需求相匹配时才可能维持，而发电装置的输出功率和孤岛中的负载需求都是随时间变化的，显然持续时间长的孤岛效应发生的可能性比持续时间短的孤岛效应发生的可能性更小。通过对并网逆变器系统的孤岛效应危险性的大量研究表明^[1]：持续时间超过几分钟的孤岛效应几乎是不可能的，因此相对于手动重合闸来说，避免上述危险更需要考虑的是自动供电恢复技术（如自动重合闸）。(www.xing528.com)

3.孤岛效应给相关人员带来电击的危险

由于孤岛效应能使被认为已经与所有电源断开的线路带上电，因而给相关人员带来的危险是最严重的。因为涉及安全问题，所以对这种危险性应有更广泛的分析。对电网维修人员的危险性可以通过制定相关的安全工作条例来减少，如果工作时都遵循这些相关条例，孤岛效应不会增加电网维修人员遭到电击的危险性。然而，其他工作人员（如消防队员）可能没有时间或能力来遵循这些条例，这样只要孤岛效应持续时间超过几秒钟，就有可能造成电击的危险。北美在分布式发电装置（如光伏发电、风力发电等）并网运行的相关技术标准如IEEE Std.1547^[3]中关于反孤岛时间的限制就反映了这方面的考虑（参见表7-2）。

针对上述危害，虽然已研究出多种反孤岛方案，但这些方案仍然有以下局限性：

1）执行成本高；

2）需要光伏发电系统与电网之间的协调；

3）易误检测（误跳闸）；

4）在某些情况下具有不可检测性；

5）降低电网供电质量以及电压和频率的稳定性。

其中，局部反孤岛策略的主要局限性是存在孤岛效应而不能立即被检测出的工作区域，即不可检测区（NDZ）。尽管NDZ的影响在有些情况下是可以忽略不计的，但在一些情况下是必须考虑的。由于并网光伏逆变器在其输出的有功功率和无功功率与孤岛中负载需求的有功功率和无功功率都非常匹配的情况下，才可能发生孤岛效应，因此只要存在一定的不匹配功率，孤岛系统中的电压或频率就将偏移出正常工作范围，引起触发过/欠电压和过/欠频率保护，逆变器将停止运行。

总结以上分析，只有在下列事件都发生的情况下，孤岛效应才会产生危险：

1）电网因故障或维修等原因而造成供电中断；

2）发电装置的输出（有功和无功）与孤岛系统中的负载需求非常匹配；

3）当孤岛系统的工作状况在反孤岛方案的NDZ以内，此时发电装置无法检测到孤岛效应即检测失败；

4）工作人员接触了与并网系统相连的不绝缘的带电导体。

图7-5 孤岛效应危险性分析“故障树”

实际上，孤岛效应产生电击的危险性还可以用“故障树”的逻辑关系来分析，如图7-5所示。

从图7-5可看出，由于孤岛效应产生电击的危险是功率匹配程度、电网跳闸且反孤岛保护方案检测失败以及相关人员接触了带电导体等诸多因素共同作用的结果，因此孤岛效应产生的电击危险性可由功率匹配的可能性（P_匹配）、电网跳闸的可能性（P_电网跳闸）、反孤岛保护方案检测失败的可能性（P_保护失败）以及相关人员接触了带电导体的可能性（P_接触导体）来共同描述，即

危险性=P_匹配×P_电网跳闸×P_保护失败×P_接触导体 （7-5）

在考虑了以上4个因素的基础上，英国的一项研究计算出了孤岛效应产生电击对人身伤害的总危险性水平，相关的研究结果可以归纳如下：

1）当电网中发电装置相对负载来说输出功率较低，即输出功率小于平均最大需求功率的30%时，功率匹配的可能性几乎为0；然而当发电装置输出功率相对增加时，功率匹配的可能性随之增加。

2）利用英国关于电网跳闸、发电装置输出功率高等情况发生的可能性的数据，以及对并网逆变器反孤岛能力的合理假设，孤岛效应造成电击的总危险性约为10^-9次/年，而英国一般电击发生的危险性约为10^-6次/年，显然前者比后者要小得多。

可见由孤岛效应造成的电击危险，即使是在并网逆变器系统输出功率很高时，只要正确处理，也不会增加本身就存在的电击危险。实际应用中应尽量避免选择理论上不可检测区小但可靠性低的反孤岛方案。

虽然并网光伏逆变器在德国、日本和美国等已经有了相当广泛的应用，但关于这些光伏发电系统的孤岛效应造成人员伤害的报告几乎没有，也没有现场观察到这些系统发生孤岛效应的报告，这表明对孤岛效应危险性的理论分析与实际的现场运行情况相吻合。现阶段关于孤岛效应危险性的研究主要针对并网逆变器系统，今后应该扩展到研究发电机系统或基于发电机与并网逆变器的混合式分布式发电系统的情况。