孤岛效应检测标准及研究现状

由于一系列技术和经济障碍，使得近些年对孤岛效应的利用是不可能推广的，这主要是因为对于孤岛效应的利用需要对系统进行满足孤岛安全运行模式的重新设计，于是现阶段还是要求必须及时检测并禁止孤岛效应的发生。国际上先后制定的并网技术标准如UL1741^[6]、IEEE Std.929^[2]和IEEE Std.1547.1^[7]等都规定了并网发电装置必须具有反孤岛保护功能，并设计出具体的反孤岛测试电路和测试方法。

然而由于并网技术要求与配电网的结构和运作制度有关，不同的国家对并网技术要求的规定不同^[1]，因此，国际上对反孤岛方案没有明确规定，一些国家如荷兰仅要求过/欠频率保护来反孤岛，其他国家如德国和奥地利则要求采用阻抗测量方案或ENS装置^[8]；此外对孤岛效应检测时间的规定也有差别，例如美国的一些研究机构选择1s作为允许的检测时间，日本规定的检测时间为0.5～1s，德国规定检测时间不超过5s^[9]，而IEEE Std.929^[2]和IEEE Std.1547^[3]根据孤岛效应发生时的具体情况推荐了不同的孤岛效应检测时间。本章考虑的孤岛效应检测时间主要参考IEEE Std.1547^[3]，见表7-2。

表7-2 IEEE Std.1547^[3]允许的孤岛效应检测时间

（续）

①本表适用于额定功率≤30kW的发电装置，对额定功率＞30kW的发电装置，电压和频率的范围以及孤岛效应检测时间都是现场可调的。

②U_n是指电网电压幅值的额定值。对于我国的单相市电，为交流220V（有效值）。

③f_n是指电网电压频率的额定值。对于我国的单相市电，为50Hz。

近年来，关于孤岛效应的研究主要集中于以下几个方面：

1）孤岛效应的机理研究；

2）反孤岛策略的研究；

3）反孤岛策略的有效性评估；

4）并网光伏发电装置的反孤岛测试；

5）孤岛效应的利用。(www.xing528.com)

对上述几个方面具体简述如下：

1.孤岛效应的机理研究

IEA中专门研究并网光伏发电系统的TaskⅤ工作组对孤岛效应发生的可能性与危险性进行了广泛而深入的研究^[1，3]，在分析了孤岛效应发生的检测区域、孤岛效应的稳定性以及功率匹配对孤岛效应发生影响的基础上，运用危险性评估标准IEC61508对低压电网中孤岛效应带来的危险性进行评估，得出了光伏发电系统危险性分析故障树，接着基于IEC 61508的危险性图表分析法，将“故障树”分析法运用于光伏发电系统孤岛效应的危险性研究。

2.反孤岛策略的研究

当前并网光伏发电系统中一个重要的安全问题就是，避免电网跳闸后系统中的发电装置发生孤岛效应，解决办法就是及时检测到孤岛效应并立即断开发电装置与电网的连接。在过去十几年里，反孤岛策略的研究引起了广泛关注，而至今还没有形成统一的理论。

反孤岛策略主要分为基于通信的反孤岛策略和局部反孤岛策略。基于通信的反孤岛策略主要有连锁跳闸方案^[9]和电力线载波通信方案^[10]。局部反孤岛策略主要分为被动式方案和主动式方案，被动式方案通过监控并网发电装置与电网接口处电压或频率的异常来检测孤岛效应，包括过/欠电压和过/欠频率保护、相位跳变、电压谐波检测等方案。一般来说，并网光伏发电装置都具有过/欠电压保护和过/欠频率保护的功能，但由于被动式方案准确检测的范围有限，为了满足并网光伏发电系统反孤岛效应的安全标准的要求，必须采用主动式方案。主动式方案通过有意地向系统中引入扰动信号来监控系统中电压、频率以及阻抗的相应变化，以确定电网的存在与否，主要包括输出功率变动、阻抗测量方案、滑模频移、主动式频移、阻抗插入法以及Sandia频移等方案。

3.反孤岛策略的有效性评估

国内外广泛采用的反孤岛策略，包括过/欠电压保护、过/欠频率保护、相位跳变、滑模频移、主动式频移以及Sandia频移等方案，然而电网标准的制定机构以及并网光伏发电装置制造商的共同兴趣是确定哪个方案最有效^[11]。经过理论分析和相关实验，发现几乎所有的反孤岛方案都存在检测失败的情况，即不可检测区域（NDZ）^[12]，这些检测失败的情况包括有功功率和无功功率的不匹配以及一些特殊负载等。由于可以用不匹配功率的大小和具体负载对NDZ进行定量的描述，而反孤岛方案NDZ的大小反映了该方案检测孤岛效应的有效性，因此NDZ可以作为评估反孤岛方案有效性的一个性能指标。通常被动式反孤岛方案的有效性用功率不匹配ΔP×ΔQ坐标系描述的NDZ来评估^[12]，但是由于不匹配功率的大小ΔP、ΔQ反映的只是电网跳闸前后系统中功率流的变化情况，因此ΔP×ΔQ坐标系不能对主动式反孤岛方案的NDZ进行定量的描述。为了准确地评估主动式方案，Michael E.ROPP等提出了一种基于具体负载参数的L×C_norm坐标系^[12]。然而对不同的电阻R，L×C_norm坐标系中同一种反孤岛方案的NDZ不同，因此L×C_norm坐标系不能很好地反映出负载电阻的变化对反孤岛方案NDZ的形状以及大小的影响。基于此，Huili Sun等建议采用负载特征参数Q_f×f₀坐标系来评估反孤岛方案，可以针对最坏情况的负载进行分析，并且可清楚表现出负载电阻的变化对反孤岛方案NDZ的影响^[14]。然而上述各种评估反孤岛方案的坐标系或者需要多张盲区分布图（与不同电阻对应）不利于分析讨论，或者由于坐标变量间相互耦合而不能直观反映出盲区与负载参数间的对应关系，因此给孤岛检测的实验验证和性能比较带来不便。对此，国内学者提出一种基于Q_f0×C_norm坐标系的盲区映射方法，该方法能在一张平面图上勾画出基于频率类孤岛检测方法的不可检测区，平面图的坐标变量间相互独立，且与IEEE Std.929—2000测试规范中涉及的负载参数一一对应，便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。

4.并网光伏发电装置的反孤岛测试

为了确保并网光伏发电装置反孤岛保护的可靠性，必须在出厂前对其进行反孤岛测试。研究表明^[14]：谐振频率等于电网频率的并联RLC负载可以形成最严重的孤岛状况，因此很多并网技术标准（如UL1741^[6]、IEEE Std.929^[2]和IEEE Std.1547.1^[7]）规定反孤岛测试电路采用并联RLC谐振负载来代表局部负载。但是由于不同国家电网的技术要求不同，以及对反孤岛方案和检测时间规定的不一致等，具体的反孤岛测试方法有所不同，例如北美先后制定并网标准如UL1741^[6]、IEEE Std.929^[2]和IEEE Std.1547.1^[7]中，都明确规定了反孤岛测试电路和测试步骤，而欧洲一些国家如德国在其专门的并网标准中规定的反孤岛测试与北美的不同[15]。

5.孤岛效应的利用

UL1741^[6]和IEEE Std.929^[2]规定，一旦电网断电，立即断开光伏发电装置与电网连接，但是随着并网光伏发电装置数量的日益增加以及竞争力的日益增强，用来检测并禁止孤岛效应的方案可能恶化局部扰动，当前禁止孤岛效应的规定有可能将不再适用于未来发展，并网光伏发电装置有计划地发生孤岛效应即孤岛效应利用将成为一个有意义的选择，这种利用并网光伏发电装置的孤岛效应以保证重要负载供电的方式，给发电装置的业主、电网以及用户都带来了很多好处，并且提高了供电的可靠性^[16，17]。于是IEEE Std.1547^[7]将光伏发电装置的孤岛效应利用作为未来要考虑的任务之一，然而首先要解决的是光伏发电装置必须能够将电压和频率维持在正常范围以内。

近几年研究工作已经向孤岛效应利用的可能性方面展开。S.Barsali等提出一种仅使用局部测量参数来有计划发生孤岛效应的控制策略，并网运行模式与孤岛运行模式之间的转换不需要光伏发电装置与电网间的通信^[18]；J.Liang等也提出一种针对由多台并网逆变器组成的光伏发电单元运行于孤岛模式的混合控制策略，即采用由一台逆变器专门控制电压而其他逆变器控制电流的策略^[19]；M.Marie等又提出一种执行安全控制的孤岛效应的方法，一旦孤岛效应发生，检测算法立即发送信号控制光伏发电装置从并网运行模式转为孤岛运行模式^[20]，在此基础上，工作于并网运行模式时的光伏发电装置还可以提供无功功率以改善功率因数^[21]。