近年来，由于化石能源燃烧所带来的一系列气候变化问题和污染环境问题，以光伏发电等新能源替代传统化石能源成为未来的发展方向[1-3]。分布式光伏电源接入配电网容量的增加，对传统配电网管理提出了新的挑战，孤岛效应成为一个突出的问题[4-6]。当配电网进行停电检修切断系统电源时，分布式光伏电源与负荷组成的孤岛系统仍使线路电压维持在较高水平，严重威胁检修人员的人身安全[7-8]。

针对孤岛效应问题，大量学者开展了孤岛检测和防孤岛保护的研究。现阶段，孤岛检测方法分为通信式孤岛检测、被动式孤岛检测和主动式孤岛检测3类[9-10]。通信式孤岛检测通过通信方式获取电网断路器状态实现孤岛检测[11-12]。通信式孤岛检测方法虽然没有动作盲区，但是通信装置的建立有较高的成本。被动式孤岛检测是当电网电压幅值正常范围或者频率在正常范围之外时，分布式光伏电源自动退网[13-15]。被动式孤岛检测方法不需要额外增加设备或增加控制回路，但是当分布式光伏电源输出功率与负荷功率近似匹配时，孤岛状态下电网电压幅值和频率变化不大，被动式孤岛检测方法存在动作盲区。主动式孤岛检测是分布式光伏电源光伏逆变器主动向电网施加扰动量或谐波等。检测分布式光伏电源是否处在孤岛运行状态，分为频率/功率扰动法和阻抗法两种[16]。频率/功率扰动法通过在光伏逆变器控制回路注入扰动量使孤岛状态下的电网电压频率或幅值能够偏移出正常范围从而检测出孤岛状态[17-20]。阻抗法通过向电网注入特定频率的谐波进行阻抗检测从而判断是否处在孤岛状态[21-23]。主动式孤岛检测方法没有动作盲区，但是目前不是所有分布式光伏电源都具有主动式孤岛检测功能，而是只具备被动式孤岛检测功能。

对于具有被动式孤岛检测和主动式孤岛检测的分布式光伏电源，在进行配电网线路停电检修时，分布式光伏电源可以自行退网，而对于只具有被动式孤岛检测的光伏逆变器，在进行配电网线路停电检修时，如果负荷和光伏逆变器功率近似匹配，分布式光伏电源因被动式孤岛检测存在动作盲区而不退网，持续运行在孤岛状态，使电网电压仍维持在10 kV左右，虽然这种情况发生的条件比较极端，一旦发生将严重威胁检修人员的人身安全。

针对不确定分布式光伏电源都具有主动式孤岛检测的情况或者已知有分布式光伏电源只具有被动式孤岛检测的情况，通过在线路进线端采取措施，使光伏逆变器可靠退网，保护检修人员人身安全。在线路进线端可能采取的措施包括接入负荷和模拟短路故障。以下分析了接入负荷和模拟短路故障的可能性，对比了其成本和可行性。本文从检修人员的角度出发，分析了检修人员在线路进线端可以采取的接入负荷和模拟短路故障两种措施的可行性，对比了接入阻性负荷、感性负荷和容性负荷的成本以及接入负荷和模拟短路故障对分布式光伏电源的影响，得到了检修人员在进线端接入容性负荷可以低成本、可靠地使线路中孤岛运行的分布式光伏电源退出运行的结论，有效保障了检修人员的人身安全。

1、孤岛效应产生机理

如图1所示分布式光伏电源接入10 kV配电网系统，当配电网跳闸或进行线路检修时，断开系统电源，分布式光伏电源继续并网运行向负荷供电，分布式光伏电源与负荷组成孤岛运行系统，由此产生孤岛效应。图中RL1、LL1、RL2、LL2为10 kV线路等效阻抗，CC1、CC2为10 kV线路对地等效电容，负荷为RLC等效并联阻抗，配电网系统电源提供的功率为PS+jQS，分布式光伏电源提供的功率为PPV+jQPV，负荷消耗的功率为Pload+jQload。

图1 分布式光伏电源接入配电网孤岛效应示意图

在配电网正常运行情况下，根据功率守恒，忽略线路对地等效电容的影响，系统电源有功功率、分布式光伏电源有功功率、负荷有功功率关系为

系统电源无功功率、分布式光伏电源无功功率、负荷无功功率关系为

式中：U为负荷电压；ω为系统角频率。

当配电网跳闸或进行线路检修时，断开系统电源，分布式光伏电源继续并网运行向负荷供电，分布式光伏电源与负荷组成孤岛运行系统，分布式光伏电源有功功率和负荷有功功率关系为

分布式光伏电源有功功率和负荷有功功率关系为

式中：P′load为孤岛状态下负荷有功功率；Q′load为孤岛状态下负荷无功功率；U′为孤岛状态下负荷电压；ω′为孤岛状态下系统角频率。

一般情况下，负荷功率和分布式光伏电源输出功率不匹配，U′和ω′会偏移出电网电压幅值和频率的正常范围，分布式光伏电源通过被动式孤岛检测即可检测出孤岛状态而退网。在特殊情况下，孤岛状态下U′和ω′与正常运行下的U和ω相同，进入被动式孤岛检测的动作盲区，存在如下关系：

即正常运行状态下负荷的功率完全由分布式光伏电源提供，负荷与分布式光伏电源功率完全匹配。而分布式光伏电源一般工作在单位功率因数状态，因此QPV=0，那么RLC负荷存在如下关系：

对于我国电力系统，电网电压正常频率为50Hz，即负荷RLC等效并联阻抗的谐振频率为50 Hz时，负荷与分布式光伏电源功率完全匹配，孤岛状态下电压幅值和频率不变，被动式孤岛检测不动作。

2、接入负荷

分布式光伏电源被动式孤岛检测的范围是：电网电压幅值的正常范围为0.93～1.07 p.u.，频率的正常范围为49.3～50.5 Hz，当分布式光伏电源检测到电网电压幅值或频率不在正常范围后，判断为孤岛状态后动作，分布式光伏电源退出运行。因此，从检修人员的角度，对于不确定分布式光伏电源都具有主动式孤岛检测的情况或者已知有分布式光伏电源只具有被动式孤岛检测的情况，可以通过在线路进线端接入负荷使孤岛状态的电网电压幅值或频率偏移出正常范围，从而使分布式光伏电源的被动式孤岛检测动作。检修人员在线路进线端投入10 kV高压开关从而接入负荷，10 kV高压开关投入、接入负荷之后孤岛状态的电网电压幅值或频率偏移出正常范围，被动式孤岛检测在2 s内检测出孤岛状态而动作，被动式孤岛检测动作时间是在开关动作之后计算的，因此不受开关动作时间的影响。为了方便说明，以下以分布式光伏电源输出功率1 MW、负荷功率Pload=1MW、容性功率QC=0.1Mvar感性功率QL=-0.1 Mvar为例。

2.1 接入阻性负荷

在线路进线端接入阻性负荷见图2，阻性负荷阻值为RT，由式（3）和式（6）可得，接入阻性负荷后，孤岛状态下分布式光伏电源有功功率为

图2 在线路进线端接入阻性负荷

由于Rload//RT<Rload，那么根据式（9）接入阻性负荷后负荷电压U′<U，分布式光伏电源并网点电压近似等于负荷电压U′，那么当线路进线端接入负荷阻值RT合适时，可以使分布式光伏电源并网点电压幅值下降到正常范围之外，即电压幅值小于0.93p.u.，此时RT和Rload的关系为

以分布式光伏电源输出功率1 MW、负荷功率Pload=1 MW、容性功率QC=0.1 Mvar、感性功率QL=-0.1 Mvar为例，Rload=100Ω。代入式（10）得：

由式（11）可得，对于分布式光伏电源接入总容量为1 MW的配电网，在进线端接入阻值小于640.19Ω的阻性负荷后，能够使孤岛状态下电网电压幅值小于0.93 p.u.，分布式光伏电源被动式孤岛检测能够检测出孤岛状态而退网。但是接入阻性负荷的电阻值较小且需耐压10 kV，这样的电阻显然是不现实的。

2.2 接入感性负荷

在线路进线端接入感性负荷见图3，感性负荷电感值为LT，由式（4）和式（6）可得，接入感性负荷后，孤岛状态下电网电压角频率公式为

根据式（13）可得，当接入感性负荷电感值合适时，可以使分布式光伏电源并网点电压频率上升到正常范围之外，即电压频率大于fmax=50.5 Hz，此时LT和Lload关系为

图3 在线路进线端接入感性负荷

以分布式光伏电源输出功率1 MW、负荷功率Pload=1 MW、容性功率QC=0.1 Mvar、感性功率QL=-0.1 Mvar为例，Lload=3.183 H。代入式（14）解得接入感性负荷电感值LT为

由式（11）可得，对于分布式光伏电源接入总容量为1 MW的配电网，在进线端接入电感值小于158.36 mH的感性负荷后，能够使孤岛状态下电网电压频率大于50.5 Hz，分布式光伏电源被动式孤岛检测能够检测出孤岛状态而退网。但是耐压10 kV的电感较少且成本较高。

2.3 接入容性负荷

在线路进线端接入容性负荷，如图4所示，感性负荷电容值为CT，由式（4）和式（6）可得，接入容性负荷后，孤岛状态下电网电压角频率公式为

图4 在线路进线端接入容性负荷

根据式（17）可得，当接入容性负荷电容值合适时，可以使分布式光伏电源并网点电压频率下降到正常范围之外，即电压频率小于fmin=49.3 Hz，此时CT和Cload存在如下关系：

以分布式光伏电源输出功率1 MW、负荷功率Pload=1 MW、容性功率QC=0.1 Mvar、感性功率QL=-0.1 Mvar为例，Cload=3.183μF。代入式（18）解得接入感性负荷电容值CT为

由式（19）可得，对于分布式光伏电源接入总容量为1 MW的配电网，在进线端接入电容值大于91 nF的容性负荷后，能够使孤岛状态下电网电压频率小于49.3 Hz，分布式光伏电源被动式孤岛检测能够检测出孤岛状态而退网。额定电压10 kV、μF级高压电容成本较低，较易选取合适的电容值用于在线路进线端接入容性负荷。

在Matlab/Simulink中建立分布式光伏电源接入10 kV配电网系统仿真模型，在仿真时间的0.1 s断开系统电源，在仿真时间的0.2 s在线路进线端接入电容值CT为3μF容性负荷，分布式光伏电源并网点电压和输出电流波形见图5，在进线端接入容性负荷后分布式光伏电源并网点电压频率下降到38.47 Hz，分布式光伏电源被动式孤岛检测检测出孤岛状态，在0.2 s后退出运行，分布式光伏电源退出运行后电网电压在0.1 s后降为零。

图5 分布式光伏电源并网点电压和输出电流波形

因此，检修人员可以通过在线路进线端接入容性负荷使孤岛状态下电网电压频率下降到分布式光伏电源被动式孤岛检测可以动作的范围，使孤岛状态的分布式光伏电源退出运行，保障检修人员的人身安全，接入容性负荷的电容值按照式（18）和式（19）计算得到。

3、模拟短路故障

除了在线路进线端接入负荷之外，检修人员能够采取的措施还包括在线路进线端模拟短路故障，根据分布式光伏电源并网的技术规定，具有低电压穿越能力的光伏逆变器在并网点跌落到0时在0.15 s后脱网，在并网点电压跌落到0.2 p.u.时0.625 s后脱网，在0.2～0.9 p.u.时在2 s后脱网，因此光伏逆变器在短路故障后最长脱网时间为2 s，可以通过在线路进线端模拟短路故障，使光伏逆变器自行退网。检修人员通过在线路进线端投入10 kV高压开关从而模拟短路故障，10 kV高压开关投入、模拟短路故障之后，光伏逆变器并网点电压跌落，在开关投入之后经过最长脱网时间自行退网。以下分析了模拟单相接地故障和模拟三相短路故障的可行性。

3.1 模拟单相接地故障

由于10 kV系统一般为中性点不接地系统，且分布式光伏电源依据不改变系统接地方式的原则选用Δ/Yn升压变压器接入公共电网，10 kV侧为Δ接法，400 V侧为Yn接法，因此分布式光伏电源进入孤岛状态后，在线路进线端模拟单相接地故障时，10 kV中性点不接地系统的零序电流很小，分布式光伏电源接入点低压侧电压变化很小，分布式光伏电源并网点电压几乎不变。在Matlab/Simulink分布式光伏电源接入10 kV配电网系统仿真模型进行仿真，在0.1 s断开系统电源，0.2 s在线路进线端模拟单相接地故障，负荷电压电流波形见图6，分布式光伏电源并网点电压波形见图7。

图6 负荷电压电流波形

图7 分布式光伏并网点电压波形（低压侧）

根据以上分析和仿真结果可以看出，分布式光伏电源和负荷进入孤岛状态后，在线路进线端模拟单相接地故障后，分布式光伏电源接入点低压侧电压变化很小，没有跌落到0.9 p.u.以下，不足以使分布式光伏电源退网。

3.2 模拟三相短路故障

当分布式光伏电源和负荷进入孤岛状态后，在线路进线端模拟三相短路故障，分布式光伏电源和负荷孤岛系统三相短路故障网络见图8。

图8 分布式光伏电源和负荷孤岛系统三相短路故障网络

假设分布式光伏电源和负荷孤岛系统三相短路后能够正常运行，分布式光伏电源在并网点电压发生跌落后进入低电压穿越状态，低电压穿越期间分布式光伏电源输出无功功率[24]，根据瞬时功率理论和分布式光伏电源低电压穿越控制策略，低电压穿越期间分布式光伏电源输出的无功功率为

式中：Iq*为分布式光伏电源逆变器无功电流参考值。

那么根据功率守恒，无功功率关系为

式中：QL为线路阻抗消耗的无功功率。

通过求解方程（21）发现，只有当ω′取非常大时方程才成立，超过了分布式光伏电源的输出范围，因此，分布式光伏电源和负荷进入孤岛状态后，在线路进线端模拟三相短路故障，分布式光伏电源会直接因输出不满足条件而直接退出运行。

在Matlab/Simulink分布式光伏电源接入10kV配电网系统仿真模型进行仿真，在0.1 s断开系统电源，0.2 s在线路进线端模拟三相短路故障，分布式光伏电源并网电压波形和输出电流见图9，在线路进线端模拟三相短路故障后分布式光伏电源已不能稳定输出，在实际运行中会直接退出运行。

图9 分布式光伏电源并网点电压和输出电流波形

通过以上分析，分布式光伏电源与负荷进入孤岛状态后，可以通过在线路进线端模拟三相短路故障使分布式光伏电源退网，由于逆变器惯性很小，在线路进线端短路之后电网电压水平会立即降低，分布式光伏电源逆变器输出电流参考值增大，达到分布式光伏电源逆变器允许输出最大电流，分布式光伏电源进入限流，在线路进线端模拟三相短路故障对分布式光伏电源存在一定影响，相比之下在进线端接入容性负荷对分布式光伏电源影响较小。

4、结语

本文从检修人员的角度出发，分析了检修人员在线路进线端可以采取的接入负荷和模拟短路故障两种措施的可行性，得到以下结论：

1）在线路进线端接入阻性负荷能够使分布式光伏电源并网点电压幅值小于正常范围而由被动孤岛检测检测出孤岛状态后退出运行；在线路进线端接入感性负荷能够使分布式光伏电源并网点电压频率大于正常范围而由被动孤岛检测检测出孤岛状态后退出运行；在线路进线端接入容性负荷能够使分布式光伏电源并网点电压频率小于正常范围而由被动孤岛检测检测出孤岛状态后退出运行。但是接入容性负荷的成本远小于接入阻性负荷和感性负荷。

2）在线路进线端模拟单相接地故障分布式光伏电源并网点电压变化很小不足以由被动孤岛检测检测出孤岛状态后退出运行；在线路进线端模拟三相接地故障分布式光伏电源因不能维持孤岛运行而退出运行。

3）在线路进线端模拟三相接地故障会使分布式光伏电源的逆变器输出最大电流进入限流，对分布式光伏电源逆变器有一定影响，而在线路进线端接入容性负荷对分布式光伏电源影响较小。在线路进线端接入容性负荷是检修人员进行分布式光伏电源接入线路停电检修时的最优解。

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基金资助:国网陕西省电力有限公司科技项目(SGSNBJ00FXJS2311237);

文章来源:张健,李允博,郭鹏,等.高渗透率分布式光伏电源接入线路停电检修反孤岛技术[J].电力电容器与无功补偿,2024,45(05):125-