分布式發(fā)電系統(tǒng)電孤島效應對策的研究

第1章緒論1.1研究背景伴隨人類社會的發(fā)展和科技的進步，對能量的需求越來越大，而與此同時化石能源的儲量卻難以滿足人們的需求。上世紀70年代，一場石油危機在全世界范圍蔓延，這些不可再生的傳統(tǒng)化石能源已經(jīng)非常稀少，導致地球上許多國度和區(qū)域陷入能源危機[1]。有關專家預測，如果保持現(xiàn)有的能源消耗速度，60年不到將消耗完地球已探測到的石油和天然氣。其次，無論是在開發(fā)，輸送還是消耗這些化石能源的過程中，會嚴重破壞地球的生態(tài)環(huán)境。例如，長期大量消耗化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳氣體使得地球溫室效應越來越嚴重，地球表面溫度逐年升高，還使得地球南北兩級的冰川加速融化導致海平面上升。另外，消費化石能源生成的煙塵霧霾、、也造成了十分嚴重的污染了空氣。正是在這樣的背景下，世界各國紛紛開始關注能源問題并相繼出臺各種緩解能源危機和環(huán)境保護的政策，這也讓人們越來越重視新能源的發(fā)展，而新能源的一個主要研究方向就是分布式發(fā)電系統(tǒng)（DistributedGeneration）。1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)1.2.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的概念目前地球上主要的供電系統(tǒng)都是以“高電壓、大電網(wǎng)、大機組”為特點的集中式供配電系統(tǒng)。雖然這種單一集中的供電模式在全世界范圍內(nèi)占的比重高達90%，但是隨著當今社會的進步，能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及電力行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式以及無法滿足更高的質(zhì)量要求和安全可靠性。由于大電網(wǎng)系統(tǒng)中任意一點發(fā)生故障都會影響或波及到整個電網(wǎng)，從而可能使局部時間擴散成大范圍停電事故，嚴重影響用戶的供電。這種變故在海外有過先例，而且大電網(wǎng)很容易受到戰(zhàn)役或極端勢力的毀壞，甚至對國土安全形成威脅。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的電網(wǎng)沒有跟蹤電力負載的變化的能力，當用電高峰出現(xiàn)時是難以調(diào)整的，靈活性不夠。以是DG系統(tǒng)才慢慢引起人們的關注，而根據(jù)發(fā)達國家的研究歷程，將傳統(tǒng)電網(wǎng)和DG相結(jié)合才是節(jié)約成本提供能源利用率，滿足系統(tǒng)安全性和靈活性的最佳辦法。1978年美國最先提出了分布式發(fā)電的概念，即將多個小型發(fā)電裝置就近分布在負載周圍，形成可單獨向負載輸送電，熱，冷能的系統(tǒng)。此后，這個概念慢慢被其他西方國家采納利用。當前的分布式發(fā)電一般為那些在用電現(xiàn)場或負載附近配置一些容量?。ǖ陀跀?shù)十兆瓦大于數(shù)千瓦）、節(jié)能且滿足現(xiàn)存配電網(wǎng)運行條件的發(fā)電設備。目前主要包含燃料電池、燃氣輪機、小型太陽能發(fā)電和小型風能發(fā)電等發(fā)電設備。圖1-1是分布式發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，因為分布式發(fā)電裝置靠近局部電網(wǎng)即用電現(xiàn)場，能提升電網(wǎng)供電的可靠度和供電質(zhì)量，極大的優(yōu)化了傳統(tǒng)大電網(wǎng)供電方式缺乏靈活和不穩(wěn)定的問題。分布式發(fā)電裝置多以清潔能源為主，隨著燃料電池和光伏產(chǎn)業(yè)以及風力發(fā)電等新能源技術的發(fā)展，加快了分布式發(fā)電的圖1-1分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖發(fā)展進程。DG符合當今和未來的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方向和可持續(xù)發(fā)展方針，這也促使分布式發(fā)電成為未來電力行業(yè)的發(fā)展趨勢。分布式發(fā)電結(jié)合傳統(tǒng)電力系統(tǒng)應用有很多長處，因為分布式發(fā)電系統(tǒng)中并聯(lián)了很多局部電網(wǎng)，各局部電網(wǎng)是互相不影響的，可由分布式發(fā)電裝置單獨向負載供電，能避免大范圍停電事故，提高整個電網(wǎng)的安全可靠性；同時分布式發(fā)電能作為大電網(wǎng)發(fā)生意外故障時的補充，保證繼續(xù)供電，解決大電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性不足的問題；分布式發(fā)電系統(tǒng)能對局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量及時實施監(jiān)視和控制，并且其輸配電損耗很低，不需要建立配電站，從而降低了輸配電成本，適合向一些偏遠地區(qū)如山區(qū)、農(nóng)村以及一些中小城市的居民供電，即降低安裝成本節(jié)約資源又對環(huán)境友好；另外，由于各分布式發(fā)電裝置各自獨立，啟動停止迅速，操縱簡便且調(diào)峰性能優(yōu)異，適合實現(xiàn)全部機械化控制。1.2.2分布式發(fā)電系統(tǒng)的應用與前景隨著我國經(jīng)濟實力的迅猛展長，集中式配電網(wǎng)格局越來越大，但其弊端也慢慢體現(xiàn)出來，由于對供電質(zhì)量的要求不斷提高，集中式供電的安全性和靈活性往往不能滿足部分地區(qū)的需求。因為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不均衡，要想在經(jīng)濟落后的地方構(gòu)建一定范圍的集中式電網(wǎng)系統(tǒng)需要破費大量資源和時間周期，尤其是偏遠山區(qū)，能源供應問題往往會限制當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。可是DG系統(tǒng)能夠很好的解決這一問題，在中國內(nèi)蒙和甘肅等地有著取之不盡的風能資源，像內(nèi)蒙古一年的發(fā)電量已經(jīng)達到1億千瓦時，不僅可以滿足當?shù)氐挠秒娦枨筮€能將多余電量送往其他地區(qū)，而且這種綠色環(huán)保的新能源發(fā)電技術能有效改善當?shù)丨h(huán)境污染問題。分布式發(fā)電系統(tǒng)中不僅僅只有風力發(fā)電能有效解決這些偏遠地區(qū)的能源供應問題外，其他類似于光伏發(fā)電技術，中小型水電站等新能源皆是不錯的方法，理當?shù)玫匠渥愕年P注。在中國大電網(wǎng)配備比較完善的地區(qū)比如城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分布式發(fā)電系統(tǒng)通常作為集中式供電網(wǎng)的主要補充部分，這也是將來電力行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。在DG系統(tǒng)中用得最為普及最受看好的就是熱電冷三者聯(lián)合技術了，由于在我國幾乎家家戶戶都需要這三種能量，其他醫(yī)院，商場等公共場所也存在需求[2]。這就為分布式能源系統(tǒng)三聯(lián)技術提供了很大的市場?，F(xiàn)在來看，分布式發(fā)電系統(tǒng)在我國配電網(wǎng)中所占比例很小還有待發(fā)展。但是不可否認在將來一段時間內(nèi)，隨著分布式發(fā)電和供配電技術的發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)會逐漸被推廣取得關鍵性的進步。其主要的應用體現(xiàn)在這些方面：配合集中式大電網(wǎng)向城鎮(zhèn)居民，企業(yè)，工業(yè)以及公共設施供電，作為大電網(wǎng)的一個重要補充，主要是基于小型燃氣輪機，燃料電池，光伏發(fā)電的分布式發(fā)電系統(tǒng)。在大電網(wǎng)構(gòu)建耗資較大的偏遠山區(qū)和農(nóng)村等地，主要依靠基于小型燃氣輪機和小型水電站，風力發(fā)電以及光伏發(fā)電的分布式發(fā)電系統(tǒng)來供電。用于能源的綜合利用，分布式發(fā)電系統(tǒng)可以因地制宜為用戶提供綜合熱能、冷能以及電能的解決方案，提高能源利用率，構(gòu)建生態(tài)能源循環(huán)體系。通過分布式發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相結(jié)合，利用分布式發(fā)電系統(tǒng)分布廣，易調(diào)節(jié)，啟停快等特點能有效提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定度、可靠度和靈活度。國外分布式發(fā)電技術的發(fā)展已慢慢步入正規(guī)，在美國，小型分布式發(fā)電系統(tǒng)（1KW~10MW）正在成為未來分布式發(fā)電系統(tǒng)中的重要角色。由于分布式發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性以及靈活性等種種優(yōu)點適用于工業(yè)，商業(yè)，居住等各種場所，預計不久后，新一代的容量在10千瓦到250千瓦之間的微汽輪機完全可以商業(yè)化，普及分布式發(fā)電系統(tǒng)。在其他歐洲國家如丹麥，芬蘭等，分布式發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量以及超過了總?cè)萘康?5%。如果說電力市場化是電力行業(yè)的重大改革，那么分布式發(fā)電可認為是電力行業(yè)的重大技術改革，兩者共同作用將使未來的電力行業(yè)呈現(xiàn)全新的面貌。1.3分布式發(fā)電系統(tǒng)孤島效應問題1.3.1研究意義在集中式大電網(wǎng)慢慢向分布式發(fā)電系統(tǒng)過渡時，分布式發(fā)電系統(tǒng)給我們帶來很多便利的同時會帶來新的問題。孤島效應就是其中關鍵問題之一，也是研究分布式發(fā)電系統(tǒng)的一個熱點。孤島效應是指在與大電網(wǎng)并連的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，當主電網(wǎng)由于故障或維修等原因而停電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)中的各局部電網(wǎng)中的發(fā)電裝置并沒有檢測到停電狀態(tài)而繼續(xù)向公共電網(wǎng)饋送電量，導致分布式發(fā)電裝置連同周圍負載形成一個自給供電的孤島運行狀態(tài)，如圖1-2所示。圖1-2孤島發(fā)生示意圖一般來說，這種非人為的由于故障等偶然因素導致的孤島效應稱之為非計劃孤島，對孤島效應的研究分為兩種，一種是防止非計劃孤島產(chǎn)生的反孤島研究，另一種則是利用孤島效應的研究。非計劃性的孤島效應，會對電力系統(tǒng)的設備或工作人員產(chǎn)生極大危害，所以對反孤島對策的研究是很有必要的；當電網(wǎng)故障或檢修導致停電時，分布式發(fā)電系統(tǒng)其局部電網(wǎng)可以正常向負載供電從而減少不必要的停電損失，則讓人們意識到在研究反孤島對策和孤島監(jiān)測技術的同時，對孤島效應的利用也是未來研究的主要目標之一。本文主要介紹分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的反孤島對策研究，在后面章節(jié)會簡單介紹微電網(wǎng)中對孤島效應的利用問題。1.3.2孤島效應的危害在分布式發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，一旦沒有檢測到非計劃性的孤島，可能產(chǎn)生以下的危害：孤島產(chǎn)生后，由于電網(wǎng)沒有孤島檢測功能或反孤島環(huán)節(jié)，電網(wǎng)斷電后而分布式發(fā)電系統(tǒng)的局部電網(wǎng)依然正常工作，系統(tǒng)參數(shù)（如電網(wǎng)電壓、頻率等）會因為功率匹配問題產(chǎn)生波動，嚴重時會毀壞電網(wǎng)和其他電力設備。主電網(wǎng)停電后，由于有孤島存在，局部電網(wǎng)可能會帶電，如果此時電力維修人員去參與檢修工作，極有可能造成觸電事故，對于普通居民用電來說也有很大危險。分布式發(fā)電系統(tǒng)由于一般建造容量小的發(fā)電裝置，在孤島形成后，由于分布式發(fā)電裝置獨立向負載供電，其逆變器可能因超載而損毀。發(fā)生孤島的局部電網(wǎng)重新接入電網(wǎng)時，分布式電源與電網(wǎng)的相位可能不同，重新并網(wǎng)可能會產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而損毀電力設備導致電網(wǎng)重合閘失效?？梢?，孤島效應的危害極其嚴重，分布式發(fā)電系統(tǒng)都要具備快速檢測出孤島問題并能有效停止并網(wǎng)運行的能力?；诳稍偕茉吹姆植际桨l(fā)電系統(tǒng)是減小傳統(tǒng)化石能源緊張的有效辦法，還可以提高傳統(tǒng)電網(wǎng)的供電可靠性和靈活性，而對于孤島效應的檢測和研究就是為了極大程度的保證和發(fā)揚這些優(yōu)點，并減少孤島問題帶來的負面作用。1.3.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀雖然對于孤島效應可以在一定計劃和范圍內(nèi)利用，但是由于現(xiàn)階段技術的不成熟還不能推廣使用，所以目前國內(nèi)外的研究重點都放在如何檢測孤島效應和反孤島對策上。雖然國際上已經(jīng)有了對于分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術的標準和并要求分布式發(fā)電系統(tǒng)要具備反孤島保護功能。但是由于各個國家本身的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和制度都不相同，所以各國都有自己相應的并網(wǎng)技術標準和要求。如德國要求分布式發(fā)電系統(tǒng)采用阻抗測量方案或者ENS裝置，有些國家則要求使用過/欠頻保護防止孤島形成，如芬蘭。對于孤島效應的檢測時間也各有不同，例如美國通常選擇1s作為所允許的檢測時間，日本則是0.5s~1s，而德國則規(guī)定只要時間不超過5s都是可允許的。在中國，以光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)標準為例，并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行時，以額定電壓為準，單向電壓允許偏差為-10%~+7%，頻率波動要求不超過正負5%，總諧波電流應小于逆變器額定輸出的5%，逆變器向電網(wǎng)饋送的直流電流分量不應超過其交流額定值的1%，分布式發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)異常電壓的響應需在表1-1規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)生[3]。表1-1國內(nèi)標準下的電壓響應時間公共點電壓最大斷開時間V<50%0.1s50%~85%2.0s85%~110%正常工作范圍110%~135%2.0s135%<V0.05s1.4本文選題意義和主要研究內(nèi)容基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展對于能源調(diào)整，環(huán)境保護和電力系統(tǒng)都具有很重要的意義。這種以風能和太陽能等可再生能源為主要消耗的發(fā)電裝置可以極大緩解能源危機，在滿足社會發(fā)展所需的能源的同時對環(huán)境不會造成污染，還能改善傳統(tǒng)集中式供電網(wǎng)的缺點，提高電網(wǎng)的可靠度，安全度和靈活度。而在大力發(fā)展分布式發(fā)電系統(tǒng)的道路上，孤島效應成為人們必須要面對的問題。本文從孤島效應的原理出發(fā)，對孤島效應的形成原因，危害進行了研究，并針對目前已有的幾種孤島檢測技術和反孤島對策，重點分析了基于并網(wǎng)逆變器的反孤島檢測方法中的被動式和主動式兩類檢測方法，并比較其優(yōu)缺點。分析了基于坐標系的孤島檢測性能評估方法,還介紹了微電網(wǎng)中對于孤島效應利用的方法。第2章孤島效應的基本問題2.1孤島效應產(chǎn)生的原理圖2-1是比較經(jīng)典的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，我們可以從這張圖著手研究不同形式的孤島效應。如圖所示，典型的分布式發(fā)電系統(tǒng)由變電站和一條主要輸電線路組成，可以看到有許多的發(fā)電裝置并網(wǎng)進入主輸電線路，一般大的分布式發(fā)電裝置直接連在主線路上如DG1和DG2（同步發(fā)電機或異步發(fā)電機），小型的類似于光伏發(fā)電裝置則連在變壓器的低壓側(cè)如DG3。當系統(tǒng)正常運行時，如果某處電路發(fā)生故障，C點開關因保護作用自動斷開后，DG1完全有可能單獨向負載供電形成孤島。而電力系統(tǒng)自動重合閘會在短時間內(nèi)閉合C點開關恢復供電，重新將DG1并網(wǎng)。F點處熔斷器發(fā)生故障，同樣可能是DG3處形成一個孤島。圖2-1典型分布式發(fā)電系統(tǒng)當排除故障后，將孤島部分重新并網(wǎng)進入電力系統(tǒng)，由于頻率或電壓等波動或功率的不匹配都會導致一系列不確定情況從而毀壞電網(wǎng)設備。上面介紹的孤島效應都是電網(wǎng)發(fā)生故障時引起的，接下來將參照圖2-2，通過光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具體研究孤島效應產(chǎn)生的具體原因。圖2-2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖2-2所示，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列和逆變器構(gòu)成，經(jīng)變壓器和斷路器K連接到電網(wǎng)中。電網(wǎng)無故障時，處于正常運行狀態(tài)，使用RLC并聯(lián)電路來充當負載電路，假設圖中的逆變器由正弦波進行控制并且功率因素為單位值1。我們假設：此系統(tǒng)中通過逆變器向負載供給的總功率為，P為有功功率，Q為無功功率，而負載電路所需要的功率為，電網(wǎng)向負載提供的功率為。不考慮線路損耗，理想情況下滿足能量守恒，則在公共點a處功率關系如下：（2-1）因為逆變器的功率因素為1，所以逆變器產(chǎn)生的無功功率為零即Q為零。所以RLC負載電路的無功功率全部由電網(wǎng)單方面提供，有功功率的關系則分為兩種，一種是當光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器產(chǎn)生的有功功率不足以提供負荷所需的有功功率時，其余有功功率由電網(wǎng)來提供，另一種情況是當負載所需的有功功率少于逆變器產(chǎn)生的有功功率時，剩余的有功功率則會反饋到電網(wǎng)中。有功功率不匹配在電網(wǎng)斷電后對節(jié)點a處電壓幅度的變化并網(wǎng)后的當?shù)刎撦d需要的有功功率都由光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器來供給，這種情況稱之為有功功率匹配，即，相反的就是有功功率不匹配。圖2-2中光伏并網(wǎng)系統(tǒng)提供的有功功率是：（2-2）其中是節(jié)點a處的電壓，是負載電路的等效電阻。電網(wǎng)斷開后，當?shù)刎撦d的所有有功功率都是由逆變器來供給，而節(jié)點a處的電壓隨著電網(wǎng)斷開后而變化則有下列式子（2-3）其中是電網(wǎng)跳閘后導致孤島效應產(chǎn)生時節(jié)點a處電壓，是公共耦合點a處電壓的變化量，R是負載電路中的實際電阻值。綜合上面式子（2-2）和（2-3）可以得出關于電阻R，節(jié)點a處電壓值以及電壓變化量的一個函數(shù)：（2-4）因此，圖2-2的分布式發(fā)電系統(tǒng)和負載電路之間的失配功率為：（2-5）將式子（2-4）代入式（2-5）中得出失配功率的表達式為:（2-6）由式（2-6）可知，時一定也不為零，也就是說在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與負載出現(xiàn)功有功功率不匹配現(xiàn)象時，公共耦合點a處的電壓一定會因為主電網(wǎng)的斷電而發(fā)生變化。無功功率不匹配在電網(wǎng)斷電后對節(jié)點a處頻率的改變和有功功率的相匹配概念類似，無功功率匹配則是指系統(tǒng)中負載所需要的無功功率都是由逆變器來供給，即。與之相反，如果則系統(tǒng)就屬于無功功率失配態(tài)勢，而且光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的越大的話，無功功率的失配程度就越嚴重。同樣假設和上文中提到的條件一樣，逆變器的功率因素為單位1，這時。如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與當?shù)刎撦d發(fā)生無功功率失去匹配，，系統(tǒng)正常并網(wǎng)運行時負載所需要的無功功率都是由電網(wǎng)單方面供給，則有：（2-7）式（2-7）中的是節(jié)點a處電壓的角頻率，也是并網(wǎng)后整個電網(wǎng)電壓的角頻率；則是圖2-2所示RLC負載電路中的諧波角頻率，取決于電路中的L和C的值，因為無功功率失配狀態(tài)下，所以。當系統(tǒng)中發(fā)電裝置與電網(wǎng)斷開后，無功匹配會慢慢形成即負載所需的無功功率將轉(zhuǎn)而由逆變器來供給，則有：（2-8）上式表明光伏發(fā)電系統(tǒng)正常并網(wǎng)運行時，處于無功功率失配狀態(tài)，在電網(wǎng)斷開后，節(jié)點a處的電壓角頻率會向靠近，直到兩個頻率相同時，使得，從而完成系統(tǒng)的無功功率匹配。孤島效應的產(chǎn)生條件綜上所述，分布式發(fā)電裝置并網(wǎng)后正常運行時整個系統(tǒng)與負載的有功功率和無功功率都處于失配狀態(tài)，當電網(wǎng)斷開，并網(wǎng)結(jié)束后，由于光伏發(fā)電裝置要單獨向負載供電，導致節(jié)點處的電壓幅度和頻率都會開始發(fā)生變化。功率的失配程度越高則對應的電壓特征量變化也越大。如果，有功功率和無功功率的失配程度特別低甚至達到完全匹配狀態(tài)，那么電壓跳閘后節(jié)點a處的電壓幅度和頻率并不會有太大的變化，這會使得一些保護裝置感應不到，從而導致逆變器繼續(xù)單獨向負載供電，這就是孤島效應產(chǎn)生的根本原因。從而可以看出，如果分布式發(fā)電系統(tǒng)依靠電壓特征量的變化值有沒有達到提前設定的臨界值為判斷孤島產(chǎn)生的依據(jù)時，那么孤島產(chǎn)生的充分必要條件是：分布式發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器所產(chǎn)生的有功功率與負載電路所需的有功功率匹配一致；分布式發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器所產(chǎn)生的無功功率與負載電路所需的無功功率匹配一致[5]。2.2孤島效應的檢測方法鑒于孤島效應對電網(wǎng)設備和人員有著很大的危害，所以分布式發(fā)電系統(tǒng)一定要具備迅速及時檢測到孤島效應的能力，并采取有效措施降低其危害。隨著分布式發(fā)電技術的逐漸成熟，孤島檢測技術也有了很大的進展。國內(nèi)外的專家們提出了多種多樣的孤島監(jiān)測方法，這些檢測技術大體上可以分成兩類：外部孤島檢測技術和本地孤島檢測技術，其中本地孤島檢測技術又包括主動法和被動法兩類。如圖2-3所示。圖2-3孤島檢測技術方法分類外部檢測技術主要是基于通信的孤島監(jiān)測方法，它基于分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的通訊聯(lián)系，通過無線電通訊來比較分布式發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)兩端的狀態(tài)是否一致來檢測孤島效應是否產(chǎn)生。主要的技術方法有連鎖跳閘法，電力線載波技術實現(xiàn)通信等。這類外部檢測孤島的方法又叫做遠程檢測法，主要靠建立電網(wǎng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，及時監(jiān)控電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)狀況，這種技術有著較高的可靠性，檢測盲區(qū)也比較少，適用于各種分布式發(fā)電系統(tǒng)，但是由于要在外部構(gòu)建通訊線路，造價較大而且不方便，所以一般用得比較少。本地孤島檢測又分為兩類，一種是被動式孤島監(jiān)測方案，另一種是主動式孤島監(jiān)測方案。被動式方案是依靠檢測分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓，頻率等系統(tǒng)參數(shù)來作為判斷依據(jù)的，如果這些測量數(shù)值超過正常范圍則表示發(fā)生了孤島效應。被動法有過/欠壓法、過/欠頻法。頻率變化率法。ROCOF法、電壓諧波檢測法等。主動式方案則是向分布式發(fā)電系統(tǒng)中注入干擾信號，并網(wǎng)系統(tǒng)中的各類參數(shù)隨擾動信號而發(fā)生變化，將變化后的電壓，頻率這些參數(shù)與參考值相比從而檢測處主電網(wǎng)是否跳閘，判斷孤島存在與否，一般來說系統(tǒng)正常運行時各參數(shù)變化不大但是孤島發(fā)生后參數(shù)變化會超出正常范圍從而確定孤島的存在。主動孤島測試法有輸出功率擾動法，阻抗檢測法，Sandia電壓偏移法等。由于被動孤島檢測技術有一定的缺陷，如檢測盲區(qū)大，檢測周期過長等，而主動式檢測需要注入一定的擾動信號也會對電能產(chǎn)生影響，所以一般采用主被動相結(jié)合的孤島檢測技術，來互相取長補短。本文中主要研究的孤島檢測方法都是適用于并網(wǎng)逆變器的孤島檢測方案。2.3孤島檢測技術的性能評估前文中有提到過檢測盲區(qū)，其實在實際的孤島檢測方案中幾乎都會存在監(jiān)控不成功的狀況。這是因為孤島監(jiān)測中存在檢測盲區(qū)又叫不可檢測區(qū)域（Non-detectionzone，NDZ）。對于NDZ可以由失配功率和負載電路進行量化的描繪，所以NDZ能夠作為一個孤島監(jiān)測方法是否有效可行的重要性能標準。通常被動式孤島檢測采用功率失配坐標系所描述的檢測盲區(qū)來評估。系統(tǒng)中的失配功率的數(shù)值可以由電網(wǎng)向負載所供的和表示，但是由這一坐標系只能得出系統(tǒng)中在電網(wǎng)斷閘前后的功率改變狀況，無法真正對NDZ進行定量分析。而另一種基于負載的使用諧振電感L和諧振電容C描述的坐標系也由于負載電路中電阻R的各異而產(chǎn)生不同的NDZ，所以沒法較好描述出負載電路R對于盲區(qū)的各種影響。所以有人提出了使用負載品質(zhì)因素和諧振頻率描述的坐標系來評估孤島檢測方案的可行性，這一方案可以在最糟糕狀況下對負載進行分析，并清晰的反映出負載變化對于孤島監(jiān)測技術中NDZ的作用。本文在第三章節(jié)會詳細介紹第一種和第三種孤島檢測技術的性能評估坐標系。2.4本章小結(jié)本章從孤島效應的產(chǎn)生機理出發(fā)，論述了孤島效應的定義。文中以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例，利用功率流的關系圖來詳細研究孤島效應的產(chǎn)生條件，并介紹了孤島效應的危害。從而突出了反孤島策略的重要意義，通過對孤島檢測技術的一個分類介紹為下文第三章的詳細分析做好了鋪墊。同時介紹了孤島檢測技術中的一個性能評定指標，檢測盲區(qū)的概念。第3章現(xiàn)有反孤島策略和評估分析雖然基于通訊的外部孤島檢測方法，檢測盲區(qū)小，能及時有效檢測處孤島。但是由于要安裝接收器和信號發(fā)生器，增加了安裝成本，不便于廣泛應用。尤其分布式發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點之一就是能有效減少電站的建設成本，因此一般不會采用基于通訊的孤島檢測技術。目前的研究重心放在基于并網(wǎng)逆變器的檢測孤島技術，這種方法對供電質(zhì)量的負面影響很小，而且有很多其他優(yōu)點，如造價小，檢測速度快等。本章主要分析和介紹了基于并網(wǎng)逆變器的被動式和主動式孤島監(jiān)測技術中的幾類典型的孤島監(jiān)測方案，并比較分析其優(yōu)缺點。3.1被動式孤島檢測方案基于并網(wǎng)逆變器的被動式孤島監(jiān)測方案主要依據(jù)圖2-2公共耦合點a處電壓的異常情況來判斷孤島是否產(chǎn)生。由于被動式孤島監(jiān)測方案是一種無源檢測，不需要加入其他信號的干擾，只檢測并網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓，頻率等一種或多種參數(shù)，所以并不會對逆變器的輸出電流進行干擾，從而保證了電能的質(zhì)量。3.1.1過/欠壓、過/欠頻孤島檢測技術過/欠壓和過/欠頻孤島檢測技術（Undervoltage/overvoltage、Underfrequency/overfrequency）顧名思義和電網(wǎng)的電壓和頻率有關，是檢測并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器輸出側(cè)的電壓和頻率的變化。所測結(jié)果如果不符合電網(wǎng)正常運行時的電壓和頻率范圍，則停止逆變器工作，從而防止孤島產(chǎn)生。還是參考圖2.2中的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，我們在第二章了解到的孤島效應產(chǎn)生的條件可知，電網(wǎng)跳閘前a點的電壓和頻率會受電網(wǎng)鉗制無異常，如果之前逆變器輸出的無功功率和有功功率與負載不匹配，那么電網(wǎng)跳閘后則會導致公共點a處的電壓和頻率向功率匹配方向偏移，產(chǎn)生孤島。一旦電壓或頻率超過正常范圍，就會觸發(fā)逆變器的保護功能，停止工作，從而切斷孤島的發(fā)生。但是如果在并網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率和有功功率非常接近或完全匹配負載時，檢測到的電壓和頻率變化值會很小，不會超過正常范圍，逆變器不會觸發(fā)保護功能，從而檢測不到孤島的發(fā)生。優(yōu)缺點：過/欠壓和過/欠頻保護是基于逆變器的軟件控制實現(xiàn)的，所以一般的逆變器都會自帶過/欠壓和過/欠頻保護功能，不僅作為反孤島的保護方案也是電網(wǎng)和負載保護設備的方案。這種方案成本很低，易于實現(xiàn)而且對于電能質(zhì)量無影響，由于中小型分布式發(fā)電系統(tǒng)的年產(chǎn)電量通常不是很高，所以安裝費用也要盡可能的降低，這種低成本的孤島檢測技術就得到了有效的推廣使用。而且一般其他復雜的主動孤島檢測技術都是以過/欠壓和過/欠頻孤島檢測為基礎設計的。這種孤島檢測方案的缺點也很明顯，就是其檢測盲區(qū)比較大。3.1.2電壓相位跳變檢測法分布式發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，逆變器為保持單位功率因素運行，會保持輸出的電壓和電流相位一致[6]。如果電網(wǎng)跳閘，并網(wǎng)發(fā)電裝置單獨向負載供電，失去電網(wǎng)鉗制則逆變器輸出電壓相位會向負載阻抗角方向突變，使得電流和電壓存在相位差。這就表示當逆變器輸出端的電壓和電流出現(xiàn)相位差時則代表電網(wǎng)斷開，所以監(jiān)控逆變器的端電壓和輸出電流之間的相位差是否超過門閥值可以用來檢測孤島產(chǎn)生與否。優(yōu)缺點：相位跳變檢測法的優(yōu)點是易于實現(xiàn)，逆變器本身內(nèi)部就需要配置鎖相環(huán)來保證電壓和電流的相位一致，實現(xiàn)該檢測方案時，只需監(jiān)控逆變器的端電壓和輸出電流二者之間的相位差是否超過正常范圍，超過范圍則使逆變器停止工作。作為一種無源檢測方法，也不會對電能其他參數(shù)產(chǎn)生干擾作用，保證了電能質(zhì)量。其缺點就是由于電路中一些特定負載如電動機在啟動時會造成瞬時的相位跳變，所以使得相位差的門檻值不容易確定，如果門檻值設定太小，容易引起檢測出錯而誤跳閘。而且相位突變的門檻值在不同地點是不同的，這也加大了實際應用的難度。3.1.3諧波檢測法諧波檢測法就是檢測圖2-2中節(jié)點a處的逆變器端電壓的總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD），如果THD超過了正常范圍則表面產(chǎn)生了孤島，使逆變器停止工作。在分布式發(fā)電系統(tǒng)正常運行狀況下，可以將電網(wǎng)視為一個較大的電壓源，其阻抗很小，并網(wǎng)運行時公共耦合點處的諧波含量通常很小，THD接近為零總是小于檢測的門檻值。當失去并網(wǎng)后的諧波畸變率會變高，這有兩個原因。其一，逆變器本身就會產(chǎn)生少量諧波電流，只是由于斷開電網(wǎng)連接后，這些諧波電流會流入負載阻抗中，而負載阻抗相對于之前正常并網(wǎng)下的電網(wǎng)阻抗是非常大的，由于負載的非線性而放大諧波，使電壓失真很大。另一個原因則是因為逆變器輸出的電流會在經(jīng)過變壓器時形成電壓響應從而產(chǎn)生較大諧波。優(yōu)缺點：諧波檢測可以在較大范圍內(nèi)檢檢測孤島效應，而且在功率匹配狀況下也能檢測到孤島產(chǎn)生，就算有多組逆變器額接入并網(wǎng)系統(tǒng)也不會有稀釋作用。但是和上文提到的相位突變檢測法類似，最大的缺點就是難以確定門檻值。另外理論分析時一般用RLC電路代替負載電路但在實際的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，負載的實際表現(xiàn)形式一般不是線性的，這會使電壓的THD變得很高，這也加大了諧波檢測的門閥值的確定難度。所以該方案目前還沒有得到廣泛使用。3.2主動式孤島檢測方案上文介紹的幾種被動式孤島檢測方案都存在一定的缺陷，如檢測盲區(qū)偏大，存在誤動等。而且被動式檢測方案是一種無源檢測，與之對應的主動式檢測方案則是有源檢測。主動式孤島檢測方案需要對系統(tǒng)注入一定的干擾信號，在并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行時，由于電網(wǎng)的鉗制作用，對于電網(wǎng)參數(shù)的擾動作用比較小，當孤島產(chǎn)生后，擾動信號積累迅速并超過限定值就會觸發(fā)逆變器保護功能，從而進行反孤島保護。該方法精度高，非檢測區(qū)很小，但是主動式孤島檢測技術由于在電網(wǎng)中加入了干擾信號，會影響電能質(zhì)量。所以目前較好的分布式發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測手段是在被動式檢測方法的基礎上結(jié)合一種主動式檢測技術。3.2.1主動頻率偏移法主動頻率偏移法（ActiveFrequencyDrift）簡稱AFD，是現(xiàn)在用得比較多的一種基于對輸出電流的頻率進行擾動的檢測方法。AFD是在系統(tǒng)中引入少量諧波電流，讓逆變器輸出的電流有一個頻率偏移。電網(wǎng)正常狀態(tài)下，由于逆變器鎖相環(huán)的存在逆變器的輸出電流頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，在孤島形成后，電壓頻率會隨電流頻率變化而發(fā)生偏移，最終超過設定的門檻值，則檢測到孤島效應。以向上頻移為例，逆變器輸出的電流波形圖如圖3-1所示。在圖3-1給出了一個正常的正弦波作為對比。圖中是電網(wǎng)中電壓周期，是逆變器輸出電流正弦波的周期，是圖中所示電流波形中存在的為零段（死區(qū)）。該波形的斬波系數(shù)公式為：（3-1）分布式發(fā)電系統(tǒng)在正常運行時，逆變器處于并網(wǎng)狀態(tài)，其電壓會收到電網(wǎng)的限制而保持固定。當孤島產(chǎn)生后，由于逆變器的端電壓會跟隨圖3-1中的失真電流波形，通過零點的時間會減小，這就導致電壓的周期減小，與之相應的是的頻率增大，稱之為上移。當上移幅度超過設定的安全值時，觸發(fā)逆變器的保護裝置。圖3-1用于主動式頻移的電流波形圖優(yōu)缺點：AFD方案便于實現(xiàn)，檢測孤島的速度很快而且非檢測區(qū)很小，所以應用比較廣泛。但是由于在并網(wǎng)系統(tǒng)中加入了干擾信號，使電流波形產(chǎn)生略微失真，降低了供電質(zhì)量，而且在多個逆變器的并網(wǎng)系統(tǒng)中，如果每個逆變器的頻移方向不相同，有的逆變器選擇頻率上移，有的逆變器選擇頻率下移，則會產(chǎn)生抵消，這就是稀釋效應，降低孤島檢測的成功率。其次，孤島檢測用AFD方案還要考慮負載的性質(zhì)，比如，負載不呈現(xiàn)阻性或阻感性時，用向上頻移的AFD方案可能會導致檢測失敗。3.2.2Sandia頻率偏移法為了優(yōu)化上述的AFD方案，美國的Sandia實驗室提出了一種改良后的頻移檢測法，即Sandia頻率偏移法簡稱SFS[7]。SFS實際上是一種具備正反饋的主動式頻移檢測方案，其原理和AFD相似，只不過在注入的擾動信號基礎上多加了一個正反饋環(huán)節(jié)。斬波系數(shù)的表達式為：（3-2）式3-2中為工頻下的斬波系數(shù)；K為加速增益；為逆變器端電壓的頻率，就是工頻頻率。系統(tǒng)正常運行狀況下，由于電網(wǎng)的鉗制效果，頻率保持穩(wěn)定。在電網(wǎng)斷開后，頻率偏差被檢測到，并隨增加而變大，此時的斬波系數(shù)也會變大，于是逆變器的輸出電流頻率也會上升，直到超過正常范圍就會觸發(fā)保護動作，檢測到孤島。向下頻移則是減小由于正反饋導致斬波系數(shù)減小，最后輸出電流頻率變小，小于正常范圍就實現(xiàn)檢測作用。優(yōu)缺點：加入正反饋后，強化了頻率誤差，使得檢測速度得到有效提升，并且在所有有源主動式檢測手段中，SFS的非檢測區(qū)最小，說明其成功率高。不可避免的仍然是對電能質(zhì)量的降低，而且在連接到小型電網(wǎng)時，會出現(xiàn)系統(tǒng)瞬態(tài)響應不理想的情況。3.2.3滑膜頻率偏移法滑模頻率偏移法簡稱SFS，也是利用正反饋的一種孤島檢測技術。SFS是利用逆變器輸出的電流與公共耦合點處的電壓存在相位差的原理，使得電流—電壓相位差頻移后進一步引起頻率發(fā)生偏移從而檢測孤島產(chǎn)生與否。將逆變器輸出的電流相位用正弦函數(shù)表示為：（3-3）式中，是電流的最大相位偏移值，則是相位偏移處于最大值時的頻率，是上一個周期和電網(wǎng)頻率的差值。假設端電壓初始相位是0，則是分布式發(fā)電裝置中逆變器輸出的電流—電壓相位之差。分布式發(fā)電裝置正常并網(wǎng)運行時，由于逆變器功率因素為單位1的原因，，電網(wǎng)斷開一剎那間，逆變器的有功和無功和負載之前的失配會導致電壓頻率產(chǎn)生微弱的突變，則電流—電壓相位差不為零，如果此時電流是超前電壓的話，在響應過程中緊隨電流改變，變現(xiàn)為在波形圖中，電壓的向上到0時間會提早，所以的頻率會上升。接下來的一個周期內(nèi)，逆變器輸出的電流相位會更加大一點，這是導致電壓頻率受正反饋繼續(xù)變大。如果公共點的電壓頻率超過設定的正常范圍則認為產(chǎn)生了孤島效應。優(yōu)缺點:對靠微處理器控制的逆變器來說，SMS非常易于達成，和上面介紹的其他主動是檢測方法相比，它的非檢測區(qū)相對較小對孤島檢測比較有效，但是缺點和其他有源檢測方法一樣，都是無法保證電能質(zhì)量不受擾動，還具有瞬態(tài)響應等問題。不過這些缺點在其他正反饋的主動式檢測方法中都存在。3.3檢測盲區(qū)和有效性評估3.3.1基于坐標系的有效性評估坐標系是根據(jù)2.1章節(jié)所介紹的孤島效應的產(chǎn)生機理定義的一種有功和無功不匹配坐標系，由于、反應的是并網(wǎng)前后分布式發(fā)電系統(tǒng)中功率流的改變狀況，所以此坐標系只能對被動式孤島檢測技術的檢測盲區(qū)做出定量分析。參考圖2.2所示的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率流向圖，之前的討論得出，如果功率失配程度很高，即、很大，則形成孤島后，公共耦合點的電壓和頻率都會超出門閥值，引起過/欠壓，過/欠頻保護，中斷逆變器的工作使孤島效應停止。反之，如果功率失配程度不高甚至完全匹配，電網(wǎng)斷閘前后公共耦合點的電壓和頻率波動很低，不會引起反孤島手段的動作，從而檢測失敗。放到功率失配的坐標系中來討論，如圖3-2所示，在坐標系的原點附近即和的圖像附近，逆變器輸出的電壓幅值和頻率變化率很低，不會引起反孤島措施，圖中區(qū)域就是坐標系中的檢測盲區(qū)。圖3-2基于坐標系的檢測盲區(qū)3.3.2基于坐標系的有效性評估接下來要介紹的是以負載品質(zhì)因素為橫軸，負載的諧振頻率為縱軸的負載特征參數(shù)坐標系。利用坐標系中的相位判斷依據(jù)和頻率的正常工作范圍可以得出NDZ圖像，本小節(jié)通過介紹有源頻移檢測方案的檢測盲區(qū)分析來討論坐標系的有效性評估。3.3.2.1基于坐標系的孤島檢測相位判據(jù)系統(tǒng)中的阻抗角的值主要取決于負載電路的品質(zhì)因素和諧振頻率，對于并聯(lián)的RLC電路中的電感和電容保持恒定時，負載電路中的電阻分量R的變化量可以借助的變化來表現(xiàn)，所以基于坐標系的孤島檢測技術的性能評估是比較不錯的方法。要想利用坐標系來對孤島檢測技術中的檢測盲區(qū)（NDZ）量化分析，需要依靠對應的相位判斷依據(jù)。坐標系的相位判斷依據(jù)如下：（3-4）上式中，是所選取的孤島檢測方案中，并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器輸出電流超前公共點處電壓的相位角。假設式3-4中的頻率f沒有超出孤島發(fā)生時的檢測范圍，那么孤島效應不會被中斷。因此，坐標系的相位判斷依據(jù)公式可以用來評估孤島檢測方法的性能好壞。由上述式3-4中的相位判斷依據(jù)可得，在這個坐標系中任何一處，系統(tǒng)出現(xiàn)孤島時，使用給定的孤島檢測技術的相位判斷依據(jù)公式都可以計算出其系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定狀態(tài)值。如果在出現(xiàn)孤島效應下，其穩(wěn)定值沒有超過過/欠頻保護所限定的正常門檻值，這時根據(jù)相位判據(jù)所計算出的系統(tǒng)的頻率穩(wěn)態(tài)點就包含在此技術方案的檢測盲區(qū)中，相反的話，就不在檢測盲區(qū)范圍內(nèi)。3.3.2.2滑模頻移方案（SMS）的NDZ分析SMS方案中的相位判斷依據(jù)公式為：（3-5）上式中的是滑模頻移孤島檢測方案中系統(tǒng)中逆變器輸出電流超前公共耦合點電壓的相位角，將式3-5代入式3-4中可以得到SMS的NDZ圖像計算方法。可以通過計算出頻率最大值和頻率最小值各自的負載品質(zhì)因素和諧振頻率來得到NDZ圖像。通過負載的線性近似處理后得到公式：（3-6）將式3-6代進3-5中可得滑模頻移的相位判據(jù)公式為：（3-7）在系統(tǒng)電網(wǎng)額定頻率大于負載電路諧振頻率時（），孤島效應發(fā)生后逆變器輸出的電壓穩(wěn)態(tài)頻率會小于電網(wǎng)額定頻率（）；但是系統(tǒng)電網(wǎng)額定頻率小于負載的諧振頻率時（），系統(tǒng)穩(wěn)定后公共耦合點的電壓的頻率會大于電網(wǎng)額定頻率（）。由這兩個條件則可以求出其NDZ在坐標系中的曲線圖像滿足下式：，時（3-8），時（3-9）3.4主被動相結(jié)合的孤島檢測技術上面已經(jīng)分析了傳統(tǒng)被動式孤島檢測法、主動式孤島檢測法各自的優(yōu)缺點，無論采用哪一種孤島檢測方法，都不可避免的存在這樣那樣的問題。所以本節(jié)提出一種基于被動式過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法和AFD孤島檢測法的主被動相結(jié)合的孤島檢測方案?；诒粍邮降倪^/欠壓與過/欠頻孤島檢測方法原理簡單，實現(xiàn)容易，不會對電能質(zhì)量造成不良影響，但是存在較大的檢測盲區(qū)。AFD孤島檢測法檢測效果良好，大大減小了檢測盲區(qū)，但是因為引進主動頻率偏移，對電能質(zhì)量造成了一定的干擾，而且仍然無法避免檢測盲區(qū)。過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法雖然存在較大檢測盲區(qū)，但是配合AFD孤島檢測法后，其不足可以得到彌補，同時可以提高孤島檢測效率，減小檢測盲區(qū)。因此，探究主被動相結(jié)合的孤島檢測方案具有很好的現(xiàn)實意義。主被動相結(jié)合的孤島檢測方案的總體思路是根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)正常并網(wǎng)工作時本地系統(tǒng)公共點處的功率流情況選擇合適的孤島檢測方法進行孤島檢測。由圖3-4所示，根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)工作狀態(tài)，可以將主電網(wǎng)和逆變系統(tǒng)在公共點處的功率流情況詳細分為十種情況。由流程圖知道只有兩種工作狀態(tài)需要采用AFD孤島檢測法進行反孤島保護，其余八種工作狀態(tài)下依靠被動式過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法完全可以檢測出孤島以便及時進行反孤島保護。光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)并網(wǎng)工作時，多數(shù)情況下是工作在單位功率因數(shù)下，即逆變系統(tǒng)只發(fā)出有功功率不發(fā)無功功率。如3-4流程圖所示，逆變系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)時，依據(jù)本地負載的特性可以劃分為兩種功率流的狀態(tài)。如果本地負載是純阻性負載且并網(wǎng)逆變系統(tǒng)提供的有功功率與本地負載所消耗的有功功率恰好匹配，那么可以確定在主網(wǎng)斷電脫離之前必須采用AFD孤島檢測法進行反孤島保護；如果逆變系統(tǒng)提供的有功功率與本地負載所消耗的有功功率不匹配程度較大，那么在主網(wǎng)斷電脫離之前完全可以采用被動式過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法進行反孤島保護。如果光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)工作在非單位功率因數(shù)下，即逆變系統(tǒng)既發(fā)出有功功率又發(fā)出無功功率，可以將本地系統(tǒng)公共點處的功率流情況詳細劃分為八種。由流程圖可以看出只有當逆變系統(tǒng)與本地負載所消耗的有功功率、無功功率都匹配時才需要AFD孤島檢測法進行反孤島保護，其他功率流情況下都可以采用被動式過/欠壓與過/欠頻孤島檢測法進行反孤島保護。圖3-4主被動相結(jié)合孤島檢測法3.5本章小結(jié)經(jīng)過本章的分析和詳細的介紹，對于現(xiàn)有的幾種反孤島策略和不可檢測區(qū)分析可以知道被動式和主動式相比，被動式孤島檢測技術的檢測周期比較長，且其不可檢測區(qū)域很大效率不高；而主動式雖然在降低不可檢測區(qū)域上比較有效，但是注入的干擾源會降低電能的質(zhì)量。所以一般實際應用中，為追求更有效的處理孤島問題，保護分布式發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，都會結(jié)合兩種方案共同檢測。本章主要對三種被動式和三種主動式孤島檢測技術的工作原理和優(yōu)缺點進行了詳細分析和比較，并分析了兩種坐標系的盲區(qū)和有效性評估。第4章微電網(wǎng)及其孤島利用4.1微電網(wǎng)為了提高分布式發(fā)電系統(tǒng)供配電的可靠程度，以及解決分布式發(fā)電系統(tǒng)的各種并網(wǎng)問題，提出了微電網(wǎng)（micro-grid）的概念，由于使用的能源為可再生能源具有綠色環(huán)保的特點，所以成為各國的重點研究方向[10]。4.1.1微電網(wǎng)的概念微電網(wǎng)是由小型分布式發(fā)電裝置與其連接的負荷和低壓配電網(wǎng)組成的一個發(fā)配電系統(tǒng)，同樣能看成一個控制局部能量需求關系的基于分布式發(fā)電裝置的小電網(wǎng)[5]。微電網(wǎng)是一個可以實現(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，它作為完整的電力系統(tǒng)，依靠自身的控制及管理供能實現(xiàn)功率平衡控制、系統(tǒng)運行優(yōu)化、故障檢測與保護、電能質(zhì)量治理等方面的功能。微電網(wǎng)的主要有點有以下幾點：微電網(wǎng)和其他熱電站或水電站相比，微電網(wǎng)的規(guī)模很小，且消耗的是清潔能源，從而減少了環(huán)境污染，有效改善能源結(jié)構(gòu)，提高對新能源的開發(fā)利用。微電網(wǎng)中負載和發(fā)電裝置之間的距離很短，和傳統(tǒng)電網(wǎng)相比不需要建立各種變電站，電能運輸距離短減少了損耗，提高了能量利用率，免去了很多對傳統(tǒng)電站的大量投資。微電網(wǎng)因為有著獨立控制的供配電體系，一般不會突然造成用戶停電，保證了供電的可靠，而且電網(wǎng)發(fā)生故障時便于維修。微電網(wǎng)的發(fā)展促進了分布式發(fā)電系統(tǒng)的大力發(fā)展，使電力市場化進度加快，又由于建設成本的降低會使得市場電價更便宜。4.1.2微電網(wǎng)的運行模式微電網(wǎng)和分布式并網(wǎng)系統(tǒng)類似，有兩種不同的運行狀況，并網(wǎng)運行和孤島運行。微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式：在這種運行狀況下，微電網(wǎng)視為傳統(tǒng)電網(wǎng)中的一部分參與運行。微電網(wǎng)的電壓和頻率等參數(shù)遠小于電網(wǎng)的這些特征參數(shù)，所以微電網(wǎng)會受到大電網(wǎng)的鉗制而保持電壓，頻率趨于穩(wěn)定，并且處在正常范圍內(nèi)，根據(jù)微電網(wǎng)中發(fā)電裝置的輸出功率和負載需求功率的滿足情況來決定是向電網(wǎng)輸出或者吸收功率。微電網(wǎng)的孤島運行模式：在電網(wǎng)跳閘后，微電網(wǎng)會與電網(wǎng)斷開從而單獨向負載供電，但是由于失去大電網(wǎng)的鉗制會是頻率和電壓發(fā)生跳動，導致不滿足微電網(wǎng)中各電力設備正常運行是的額定頻率和電壓。所以就需要微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置經(jīng)過一定的配合和控制，將微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。微電網(wǎng)的孤島運行也存在非計劃孤島和計劃孤島兩種情況，而前文提到過無論是分布式發(fā)電系統(tǒng)還是微電網(wǎng)中的非計劃孤島都是百害無一利，需要避免。所以本章節(jié)對于微電網(wǎng)的反孤島策略就不一一介紹了，主要研究微電網(wǎng)中對于計劃孤島的利用。4.2微電網(wǎng)的孤島利用4.2.1微電網(wǎng)孤島利用的基本問題按照一般的反孤島策略，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中當孤島產(chǎn)生后，會要求系統(tǒng)迅速檢測到孤島效應，并及時將分布發(fā)電裝置從電網(wǎng)中斷開，來保證電力系統(tǒng)安全。這樣做雖然降低了孤島發(fā)生后分布式發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的危害，但是卻同樣不能保證供電的可靠性，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)并不能得到充分有效的利用。而為了克服這些缺點，各國專家都開始研究關于孤島效應的利用問題，來最大程度的利用分布式發(fā)電系統(tǒng)。孤島效應的利用就是要按照提起設定的控制手段，使微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式?jīng)]有波動的進入孤島模式，即有計劃的進行孤島效應。這需要在為配電網(wǎng)因為故障或檢修而停電斷網(wǎng)時，微電網(wǎng)及時檢測到并與電網(wǎng)斷開連接，裝換運行模式，進入微電網(wǎng)單獨向負載供電的狀態(tài)，并且由提前設定好的控制手段來保證微電網(wǎng)的頻率和電壓不能波動太大，要保持在正常范圍內(nèi)。從而保證微電網(wǎng)的持續(xù)供電，提高微電網(wǎng)和DG的利用率，優(yōu)化電能質(zhì)量和供電可靠程度。目前對于微電網(wǎng)中孤島效應的利用還處于研究階段，下面是利用孤島效應的一些主要難點：由于電網(wǎng)斷網(wǎng)前后功率流的改變，會使得公共耦合點電壓和頻率產(chǎn)生較大變化，這就要求微電網(wǎng)的發(fā)電裝置充分具備調(diào)壓調(diào)頻能力，能使電壓和頻率波動維持在允許范圍內(nèi)，但一般微電網(wǎng)中的小型發(fā)電裝置調(diào)節(jié)能力非常有限。由于微電網(wǎng)的容量較小，在并網(wǎng)運行時，負載會向電網(wǎng)吸收能量。那么在與電網(wǎng)斷開連接后，單獨有微電網(wǎng)中的發(fā)電裝置沒法滿足負載的需求功率，所以這要求微電網(wǎng)孤島運行時識別負載的重要程度，把無關緊要的附和切斷，只保留重要部分的供電。如何讓微電網(wǎng)具備這種識別負載重要性的能力也是有待研究的。一般孤島效應功率匹配特別接近甚至完全匹配時很難檢測到孤島的產(chǎn)生，然而這種狀況下，微電網(wǎng)反到時很容易實現(xiàn)兩種模式的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。相反如果功率失配嚴重時，雖然容易檢測到電網(wǎng)斷開，但是跳閘后系統(tǒng)中電壓和頻率的波動會很嚴重，給微電網(wǎng)并網(wǎng)模式向孤島運行模式增添了很大難度。微電網(wǎng)在孤島運行時，雖然能保證供電可靠性，但其自身仍然是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)。當主電網(wǎng)恢復正常供電后，還要將微電網(wǎng)短時間內(nèi)并網(wǎng)，需要竟可能減少對主電網(wǎng)的沖擊。4.2.2微電網(wǎng)利用的相關技術為了完成微電網(wǎng)中的孤島利用，就得讓微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式平穩(wěn)的過渡到孤島運行狀態(tài)，而在其中最關鍵的技術就是對于能量的平衡控制方面。孤島運行時既需要保證負載的安全工作還要保證微電網(wǎng)中能量的平衡，與此同時，對于電網(wǎng)頻率，電壓幅度和電能質(zhì)量等都需要加以改善和控制。能量平衡在電力系統(tǒng)中當負載不變時，如果負載所需的有功功率小于發(fā)電設備所提供的有功功率，頻率會升高；相反，負載所需有功要大于發(fā)電設備提供的有功時，頻率會下降。因此在微電網(wǎng)的兩種運行狀態(tài)進行平穩(wěn)轉(zhuǎn)換時，頻率是不能發(fā)生改變的，所以這時必須保證微電網(wǎng)的能量平衡。保證能量平衡的技術有很多，但是因為微電網(wǎng)的系統(tǒng)較小，相應的技術實施也提高了難度，例如減少負載負荷，提高系統(tǒng)的發(fā)電量和設置儲能裝置等。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同的是，諸如微電網(wǎng)這樣的小型并網(wǎng)系統(tǒng)，本身就是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，因為這樣的小型發(fā)電裝置即不具備儲能能力，也不能及時響應負載的變化。所以在微電網(wǎng)中加入短期的儲能裝置可以讓微電網(wǎng)能有著及時響應的能力，能保