0 引 言

由于化石燃料的短缺，以及燃烧造成的环境污染日益严重，目前各国都在积极发展可替代能源.我国太阳能资源丰富，大力发展太阳能光伏发电并网技术已列入我国重点扶持项目，在“金太阳”项目的扶持下，我国太阳能光伏产业发展迅速[1-2].太阳能光伏产业如何快速并网并有效检测孤岛效应一直是并网过程中的难点.基于此，本文通过MATLAB软件中包含的SimPowerSystem以及SIMULINK仿真系统模拟建立了一套电力系统模型，包含主电网以及分布式电网，进而模拟太阳能并网系统和孤岛效应仿真系统.

1 孤岛效应

1.1 孤岛效应概述

当电力系统处于直接并网方式时，可能会产生孤岛效应.所谓孤岛效应是指当主电网出现异常而停止供电时，若分布式电网不能随之停止工作或与电力系统脱开，而单独向负载继续供电的现象[3].孤岛效应的发生不仅会造成配电系统以及用户端设备损坏还会延误修复，甚至严重威胁维修操作人员的生命安全[4-6].因此反孤岛(anti-islanding)功能在并网发电系统中显得十分重要.反孤岛效应的核心是能够快速、准确地检测出主电网断电情况，并快速做出反应.灵敏性和稳定性是评价反孤岛能力强弱的两个重要因素.灵敏性指孤岛保护设备对孤岛发生后的检测并快速反应切断阻止孤岛损害的能力；稳定性指孤岛保护设备对非孤岛扰动不做出反应的能力[7].

每个人的兴趣都在自己的天赋范围之内，它并不是一成不变的，你短时间内可能无法判断一件事情是否是你的最大兴趣，但那都无所谓，重要的是你可以慢慢地去寻找、去挖掘。

1.2 孤岛效应监测与防止

对电网断电情况的检测目前通常分为：被动式检测和主动式检测两种.被动式检测方式有电压变化检测法、频率变化检测法、电压谐波检测法等，策略为在不正常的电压、频率、相位、谐波产生了的情况下，通过检测得到孤岛效应的发生.主动式检测方式有主动频率偏移法、有功功率和无功功率变动法等，策略为在并网系统中提前注入略有变形的电流，以形成一个连续改变频率的趋势.断网后，逆变器输出端电压的频率被强迫向上或向下偏移，通过监控负载端电压频率的变化检测孤岛的发生[8-9].

医院一名负责同志与本刊记者分享了这样一个具体分析案例：2016年，胸椎压缩性骨折CMI值为1.44，该病种在骨科所有病种中排名第85位（共313位）。2016年出院患者96人次，占骨科总出院患者比例为3.29%。出院患者与上年相比增加9人次。2016年例均费用45994.65元，例均费用与上年相比增加6739.58元。其中例均材料费用40668.47元，与上年相比增加44.87%，2016年直接可控成本/总收入为64.27%，与上年相比增加14.82%。

  

图1 电力系统结构示意图

若为该仿真系统设置孤岛检测跳闸阈值分别为：0.14Hz/s,0.17Hz/s,0.2Hz/s and 0.3Hz/s；持续时间分别为：100ms,150ms and 200ms.即只有当频率变化率超过跳闸阈值，并且持续时间超过设定值时，才能成功检测孤岛的发生并做出相应保护动作.

 

表1 反孤岛效应的相关标准

  

状态断电后电压幅值断电后电压频率允许的最大检测时间A05Vnomfnom6 cyclesB05Vnomfnom+05Hz6 cycles

*Vnom指电网电压幅值的标准值，对于中国的单相市电，为交流220V(有效值)；fnom指电网电压频率的标准值，对于中国市电，为50Hz.

2 系统的仿真

2.1 仿真系统结构图

  

图2 分布式并网系统仿真结构图

图3为负载端频率变化率曲线特征仿真结果，通过图3可知，当时间到达2s时，频率变化率开始出现波动，第一个波动是在测量频率和频率变化率时的算法所导致的测量误差，由于该波动持续时间较短，为无用波动.该仿真系统主要关注第二个波动，它是孤岛产生后所导致的负载端频率变化率的改变，观察可知，随着负载不平衡度的增加，频率变化率增加，对于相同阈值的保护系统，频率变化率越大则能够越快检测出孤岛的产生，即灵敏性越大，因此系统灵敏性与负载和分布电站的不平衡度相关.对比有功功率和无功功率的ROCOF可知，相同条件下有功功率的不平衡更容易导致频率变化，并且触发孤岛保护系统执行保护操作.

● 无功功率不平衡为：-(2.5%,5%,7.5%,10%)分布电站供给无功功率

2.2 仿真系统灵敏性测试：

公路桥梁施工过程中，施工人员是影响工程质量的一个重要因素，因此需要不断提升施工人员的质量安全意识。需要让施工人员有较高的安全意识，能够保证公路桥梁施工的顺利进行。管理人员需要根据公路桥梁施工的实际情况以及人力资源的发展情况，不断提升施工人员的安全意识，进而提高公路桥梁施工的质量。因此，施工之前需要对施工人员进行相关的质量安全培训，提升其专业技术水平以及综合素质水平。这样不仅能够保证公路桥梁施工管理工作的顺利进行，还能够保证公路桥梁施工的质量安全。

● 有功功率不平衡为：-(2.5%,5%,7.5%,10%)分布电站供给有功功率

(2) 隧道位移序列属于具有模糊性的非线性序列，小波-模糊控制Elman考虑了小波处理时域和频域函数的优点以及模糊控制器模糊的特征，并结合Elman网络的记忆性，能较好地表征和预测隧道位移序列。

对系统的稳定性检测可以通过在不同位置给系统设置短路故障来实现，短路故障分为单相短路故障、双相短路故障和三相短路故障.分别检测不同位置，以及不同故障类型对系统稳定性的影响.

图2为分布式并网系统的仿真系统结构图，其中G1和G2分别为40GVA的集中式发电机和30MVA的分布式发电机，均为同步发电机，分别用来模拟集中式发电系统和分布式发电系统即光伏发电系统.集中式发电机连接400KV主电网,分布式发电机连接33kV子电网.此仿真系统的操作频率为50Hz.两发电机中间建立一断路器，可以通过开关状态模拟孤岛的产生与消除，当断路器闭合时分布式电机G2处于并网状态，断路器断开时分布式电机G2处于孤岛运行状态.

  

图3 负载端频率变化率(ROCOF)特征曲线

 

表2 不同条件下孤岛执行保护所需时间

  

跳闸阈值(ROCOF：Hz/s)持续时间(ms)执行孤岛保护所需时常(ms)△P=⁃10%△P=⁃75%△P=⁃5%△P=⁃25%△Q=⁃25%△Q=⁃5%△Q=⁃75%△Q=⁃10%014100140140140∞∞∞180150150190190∞∞∞∞230200200240240∞∞∞∞∞250017100140140145∞∞∞185150150190190∞∞∞∞235220200240∞∞∞∞∞∞25002100140140∞∞∞∞240150150190190∞∞∞∞∞200200240∞∞∞∞∞∞25003100145∞∞∞∞∞∞205150195∞∞∞∞∞∞255200245∞∞∞∞∞∞305

通常并网逆变器均具有负载过压和欠压、过频和欠频保护功能，当分布式电网(如图1指光伏阵列)脱离主电网独立给负载供电时，由于并网逆变器输出恒定交流电使负载上的电压或频率迅速变化，当逆变器检测到这一变化时，可以切断分布式电网，起到反孤岛的保护功能.然而当分布式电网通过逆变器提供给负载的有功功率和无功功率与负载需求相匹配时(P=Pload;Q=Qload)，即使负载脱离主电网而独立运行时，负载上的电压或频率也不会有太大变化，从而使反孤岛检测失败.也就是说，当分布式电网提供的有功和无功功率与负载相匹配时系统的孤岛监测灵敏度会大大降低[10-11].根据国际标准IEEE Std.2000-929和UL1741,并网逆变器断电后的反孤岛效应的相关标准，如表1[12-13].本文通过MATLAB仿真对被动式孤岛检测的灵敏性和稳定性做了大量实验，对光伏并网系统有指导意义.

表2为不同设定参数条件下检测到孤岛并执行操作所需时间，时间越短说明该仿真系统孤岛检测灵敏度越强，当执行时间为无穷大时，即对孤岛的检测失败.根据表2可知，孤岛检测的灵敏度跟跳闸阈值、持续时间、以及负载不平衡度均有关系.根据表格发现，跳闸阈值越小，持续时间越短，负载不平衡度越大则动作时间越短，灵敏度越强.

2.3 仿真系统稳定性测试：

事实上，灵敏性和稳定性是两个相反的概念，提高灵敏性一定会损失系统的稳定性.电力系统在设置保护参数时要同时考虑灵敏性和稳定性，既要保证系统能够快速检测出孤岛并作出反应，还要对非孤岛故障保持稳定，不误操作.一些非孤岛故障产生后同样会造成电力系统的电压和频率波动，最常见为短路故障，此类故障应当通过相邻网络的保护系统进行故障清除而非启动孤岛保护装置[14].

负号代表局部负载需求小于分布电站的供给，即在孤岛效应产生之前，分布电站产生的功率除了供给局部负载3以外，剩余的功率要通过电力线路输送给主电网同时提供负载1和负载2的电力需求.设定该仿真系统总运行时长为3.5s,断路器在t=2s时断开，即此时分布式电站脱离主电网独立给局部负载3供电，即孤岛产生.被动式孤岛检测通常可以通过测量负载端频率的变化率(ROCOF)来实现，当频率变化率超过保护系统阈值时，孤岛保护系统执行操作并快速切断孤岛，保护电网.保护系统阈值越小，则越快检测出负载端电压或频率变化，此时保护系统越灵敏.

理论上当分布式电站提供的功率(有功功率、无功功率)和局部负载需求相匹配时，此时由于产生孤岛后负载端电压或频率变化较小，因此保护系统较难检测出孤岛效应的产生，即系统的灵敏性较低.基于此仿真系统的灵敏性测试可以通过改变分布电站和局部负载的功率不平衡度来实现.以下分别为有功功率和无功功率的不平衡参数设定[3].

如图1，在故障点1处分别设置单相、双向、三相短路故障，系统总运行时间为3.5s,故障发生时间为t=2s,在200ms内清除故障.图4a和图4b分别为三种故障类型下电压和频率的特征曲线.从图发现三相故障引起的电压和频率波动更明显，因此系统对三相故障更灵敏，若孤岛检测设定的跳闸阈值小于其波动值，此时会造成孤岛保护的误操作.即系统不够稳定.根据表1反孤岛效应的相关标准，当出现短路故障后20ms内，两相和三相故障的负载电压已超出系统的电压保护下限0.5Vnom,同时负载电压的频率变化超出系统的频率保护上限值50.5Hz,因此孤岛保护系统会误操作.而对于单相故障系统保持稳定.

在仿真系统上设置传输线长度，使分布电站G2与故障点1到故障点5的距离逐渐增加，并且使分布式电站到故障点1到故障点5的电压降分别为10%,30%,50%,70%,90%的分布电站标称电压.同样在t=2s时设置三相故障，此时电压变化特性曲线见图5，由图5可知，分布式电站距离短路故障点越远，则系统稳定性越强.

由此可知电力系统孤岛保护的稳定性不仅跟故障类型有关，单相故障优于三相故障；还跟故障发生点到分布式电站的距离有关，距离越远，稳定性越强.

  

图4 三种故障类型下电压(a)和频率(b)的特征曲线

  

图5 不同位置点的电压降特性

3 结 论

本文针对新能源分布式发电并网过程所产生的问题，例如光伏发电并网中极易出现的孤岛效应为研究对象.并以优化电力系统继电保护中孤岛保护的稳定性和灵敏性为目的，在MATLAB仿真系统平台建立了一套电力系统仿真模型，通过设置不同分布点断路器的闭合与断开实现主电网与分布式电网的连接与分离，实现孤岛效应的产生.进而分别对该电力系统的灵敏性和稳定性进行了检测和分析.分析表明，在电力系统继电保护中，稳定性和灵敏性在一定程度上存在矛盾，因此，必须对保护系统中的灵敏性和稳定性进行优化，即不能同时提高系统的稳定性和灵敏性，只能根据系统需求，合理选择优化孤岛保护系统的阈值，与持续时间；在稳定性和灵敏性之间进行折中.该仿真系统能够对电力系统的孤岛效应保护提供有效的分析途径，对光伏发电系统的并网分析和发展应用有重要的指导意义.

唐玉烟笑了笑，道：“有时候，人不逼自己一把，是不会知道自己有多大潜力的。”又道，“我们在鬼谷中布下阵法，躲过了唐门的搜查，并与谷中的野兽毒虫为伍，最初是很艰难，但后来也便适应了。而唐烈那边，则反咬一口，对门下弟子谎称唐琮欲篡夺门主之位，幸被其察觉，重伤了唐琮。正所谓成王败寇，门下弟子虽有明白人对此表示怀疑，却也无人胆敢说一个‘不’字。

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[13]UL 1741,Std 1741,Static Inverter and Charge Controllers for Use in Photovoltaic System[S],Underwriters Laboratories Inc,Northbrook

[14]Adam,D.;Campbell,B.,Burt,G.Testing Methodology for LOM Protection Performance Assessment.Developments in Power System Protection.Managing the Chang,10th IET International Conference.IEEE