孤島效應

孤島效應（Islanding Effect）是指電網突然失壓時，併網光伏發電系統仍保持對電網中的鄰近部分線路供電狀態的一種效應。

在電容器串聯的電路里，只有與外電路相連接的兩個極板（注意：不是同一電容器的極板）有電流流動（電荷交換），其他極板的電荷總量是不變的，所以稱為孤島。孤島是一種電氣現象，發生在一部分的電網和主電網斷開，而這部分電網完全由光伏系統來供電。在國際光伏併網標準化的課題上這仍是一個爭論點，因為孤島會損害公眾和電力公司維修人員的安全和供電的質量，在自動或手動重新閉合供電開關向孤島電網重新供電時有可能損壞設備。所以，逆變器通常會帶有防止孤島效應裝置。被動技術（探測電網的電壓和頻率的變化）對於平衡負載很好條件下通電和重新通電兩種情況下的孤島防止還不夠充分，所以必須結合主動技術，主動技術是基於樣本頻率的移位、流過電流的阻抗監測、相位跳躍和諧波的監控、正反饋方法、或對不穩定電流和相位的控制器基礎上的。現在已有許多防止的辦法，在世界上已有16個專利，有些已獲得有些仍在申請過程當中。其中的有些方法，如監測電網流過的電流脈衝被證明是不方便的，特別是當多台的逆變器并行工作時，會降低電網質量，並且因為多台逆變器的相互影響會對孤島的探測產生負面影響。在另一些場合，對電壓和頻率的工作範圍的限制變得寬了，而安裝工人通常可以通過軟體來設置這些參數，甚至於ENS（一種監測裝置，在德國是強制性的）為了能在弱的電網中工作，可以把它關掉。

一般是用諧振模擬負載電路，同時定義了一個質量因數，“Q-factor”。儘管如此，這些試驗還是很難運行，特別是對於那些高功率的逆變器，它們需要很大的試驗室。試驗的電路和參數會根據不同國家有所不同，測試結果很大程度上取決於試驗者的技術水平。

現已開展了一些研究，用來評估孤島效應和它關聯風險的各種可能性，研究表明對於低密度的光伏發電系統，事實上孤島是不可能的，這是因為負載和發電能力遠遠不可能匹配。但是，對於帶高密度光伏發電系統的電網部分，主動孤島效應保護方法是必要的，同時輔以電壓和頻率的控制，來保證光伏帶來的風險降到極其微小，這一數據須與不帶光伏的電網的年觸電預計數相比較。大多數光伏逆變器同時帶有主動和被動孤島保護，雖然沒有很多光伏突入電網的例子，但對於這方面，國外的標準沒有放鬆。

孤島效應是基站覆蓋性問題，當基站覆蓋在大型水面或多山地區等特殊地形時，由於水面或山峰的反射，使基站在原覆蓋範圍不變的基礎上，在很遠處出現"飛地"，而與之有切換關係的相鄰基站卻因地形的阻擋覆蓋不到，這樣就造成"飛地"與相鄰基站之間沒有切換關係，"飛地"因此成為一個孤島，當手機佔用上"飛地"覆蓋區的信號時，很容易因沒有切換關係而引起掉話。

服務小區由於各種原因（無線傳輸環境不好、基站位置過高或天線的傾角較小），導致覆蓋太大以至於將鄰小區覆蓋在內，造成在某些小區的覆蓋範圍出現一片孤獨區域（所謂的傘狀覆蓋），此孤獨區域在地理上沒有鄰區，類似於“孤島”。如果移動台在此區域移動，由於沒有鄰區，移動台無法切換到其他的小區導致掉話發生。

解決孤島效應，首先應該採用調整工程參數等方法，降低山脈、建築物等對孤島區域的反射和折射，將無線信號控制在本小區覆蓋區域內，消除或降低孤島區域的無線信號，減輕孤島區域對其他小區的干擾。但有時因為無線環境複雜，有時無法完全消除孤島區域的信號，可以調整頻率或碼資源分配情況以降低對其他小區的干擾，並根據路測情況配備鄰區關係，使切換正常。

“孤島效應”多出現在網路擴容后。隨著新基站的割接入網，需對原來的小區覆蓋範圍作調整，但小區覆蓋範圍收縮太快會造成2個小區切換帶上覆蓋不好，反之，容易形成“孤島效應”。

通常解決此類問題的手段可通過大量的DT測試發現問題，一般可減少小區的覆蓋範圍以及增加鄰區列表。

用冗餘相鄰關係消除“孤島”，減少掉話。

無線優化主要解決掉話、頻率干擾、切換問題與及網路擁塞，在這裡談談用冗餘相鄰關係降低掉話的方法。造成掉話的原因有很多，如帶內帶外的頻率干擾，切換關係的漏定錯定，硬體故障，覆蓋不夠而導致弱信號掉話，用戶手機掉電等。這其中很多問題已經有同行們做過探討。在這裡想談談在切換關係定義方面來解決掉話的方法。

由於我們的網路覆蓋已經相對較好，開通跳頻后，頻率間干擾也比以前小了很多。在實際工作中常常發現很多掉話是因為切換關係造成的，如下例子：

在一般情況下，B基站的CELL3隻定義A基站的CELL1、CELL2為相鄰小區，在CDD中一般也是這樣定義，我們常常人為的認為B基站的CELL3隻會跟A基站的CELL1和CELL2有切換。但在實際路測中常常發現B基站的信號會越過A基站而跑到A基站的CELL3覆蓋區，在局部形成其信號強度高於A站CELL3且成為最強小區的情況，即常見的“孤島效應”。尤其是在基站密集的地方，會有很多重複覆蓋，形成許多“小孤島”（如圖中的小圓圈）。由於這些孤島面積較小，而且隨著無線環境的變化而變化，如果路測中按照固定路線一直走下去的話，往往很難發現它們的存在。只有恰好處在這些小孤島中一段時間，手機重選上B小區CELL3，此時你撥打電話並移動時，一般都會因沒有更好的相鄰小區而導致掉話。另一方面，若還有一基站C，A基站位於B、C之間，則當A站擁塞或被閉塞時，從B：CELL3到C基站將沒有直接的切換關係。相應的，從B基站向C基站移動的用戶將可能因為無法找到較好的小區切換或仍然切到一個較差的小區而最終掉話。由於這些“小孤島”有較強的隱蔽性，致使我們常常忽視它。在指標上也常常難以反映出來。

常用的解決辦法有給天線增加傾角，降低發射功率或用TALIM參數限制小區的最大覆蓋範圍，但這些辦法都有其弊端。在實際工作中我們常常採用加定冗餘單向切換關係的辦法來加以解決，比如在上面的例子中，可以加定B：CELL3到A：CELL3或C：CELL1、CELL2的單向切換關係，甚至加定B：CELL3到C的三個小區的單向切換關係。不過，由於現在的頻率復用度很高，可能會出現A：CELL3與C：CELL3 BCCHNO相同的情況，此時加定切換關係還需要更換其中一個小區的BCCHNO，避免相鄰小區BCCHNO相同。

由於孤島效應的潛在危險性和對設備的損壞性，社會公共工程和發電設備業主長期以來一直關注光伏併網逆變器的反孤島控制。因此，在光伏併網發電系統的應用中必須防止孤島效應。

所謂孤島效應，即指如併入公共電網中的發電裝置，在電網斷電的情況下，這個發電裝置卻不能檢測到或根本沒有相應檢測手段，仍然向公共電網饋送電量。

一般來說，孤島效應可能對整個配電系統設備及用戶端的設備造成不利的影響，包括：

1)危害電力維修人員的生命安全；

2)影響配電系統上的保護開關動作程序；

3)孤島區域所發生的供電電壓與頻率的不穩定性質會對用電設備帶來破壞；

4)當供電恢復時造成的電壓相位不同步將會產生浪涌電流，可能會引起再次跳閘或對光伏系統、負載和供電系統帶來損壞；

5)光伏併網發電系統因單相供電而造成系統三相負載的欠相供電問題。

由此可見，作為一個安全可靠的併網逆變裝置，必須能及時檢測出孤島效應並避免所帶來的危害。

根據國際標準IEEE Std．2000．929和ULl74規定，所有的併網逆變器必須具有反孤島效應的功能，同時這兩個標準給出了併網逆變器在電網斷電后檢測到孤島現象並將逆變器與電網斷開的時間限制，如下表：

註：(1)Vnorm指電網電壓幅值的額定值，對於我國單相市電為交流220V(有效值)；

(2)fnorm指電網電壓頻率的額定值，對於我國的單相市電為50Hz。

在我國的GB/T 19939-2005《光伏系統併網技術要求》中，對頻率偏移、電壓異常、防孤島效應也有明確的要求。

光伏系統併網運行時應與電網同步運行，電網額定頻率為50Hz，光伏系統併網后的頻率允許偏差應符合GB/T15945的規定，即偏差值允許士O.5HZ，當超出頻率範圍時，應當在0.2S內動作，將光伏系統與電網斷開。具體的異常頻率響應時間規定見下表：

孤島現象的檢測方法根據技術特點，可以分為三大類：被動檢測方法、主動檢測方法和開關狀態監測方法(基於通訊的方法)。

被動式方法利用電網斷電時逆變器輸出端電壓、頻率、相位或諧波的變化進行孤島效應檢測。但當光伏系統輸出功率與局部負載功率平衡，則被動式檢測方法將失去孤島效應檢測能力，存在較大的非檢測區域(Non-Detection Zone，簡稱NDZ)。併網逆變器的被動式反孤島方案不需要增加硬體電路，也不需要單獨的保護繼電器。

過/欠電壓和高/低頻率檢測法是在公共耦合點的電壓幅值和頻率超過正常範圍時，停止逆變器併網運行的一種檢測方法。逆變器工作時，電壓、頻率的工作範圍要合理設置，允許電網電壓和頻率的正常波動，一般對220V/50Hz電網，電壓和頻率的工作範圍分別為194V≤V≤242V、49.5Hz≤f≤50.5Hz。如果電壓或頻率偏移達到孤島檢測設定閥值，則可檢測到孤島發生。然而當逆變器所帶的本地負荷與其輸出功率接近於匹配時，則電壓和頻率的偏移將非常小甚至為零，因此該方法存在非檢測區。這種方法的經濟性較好，但由於非檢測區較大，所以單獨使用OVR/UVR和OFR/UFR孤島檢測是不夠的。

電壓諧波檢測法(Harmonic Detection)通過檢測併網逆變器的輸出電壓的總諧波失真(totalharmonic distortion-THD)是否越限來防止孤島現象的發生，這種方法依據工作分支電網功率變壓器的非線性原理。如圖4-2，發電系統併網工作時，其輸出電流諧波將通過公共耦合點a點流入電網。由於電網的網路阻抗很小，因此a點電壓的總諧波畸變率通常較低，一般此時Va的THD總是低於閾值(一般要求併網逆變器的THD小於額定電流的5%)。當電網斷開時，由於負載阻抗通常要比電網阻抗大得多，因此a點電壓(諧波電流與負載阻抗的乘積)將產生很大的諧波，通過檢測電壓諧波或諧波的變化就能有效地檢測到孤島效應的發生。但是在實際應用中，由於非線性負載等因素的存在，電網電壓的諧波很大，諧波檢測的動作閥值不容易確定，因此，該方法具有局限性。

電壓相位突變檢測法（Phase Jump Detection，PJD）是通過檢測光伏併網逆變器的輸出電壓與電流的相位差變化來檢測孤島現象的發生。光伏併網發電系統併網運行時通常工作在單位功率因數模式，即光伏併網發電系統輸出電流電壓(電網電壓)同頻同相。當電網斷開后，出現了光伏併網發電系統單獨給負載供電的孤島現象，此時，a點電壓由輸出電流Io和負載阻抗Z所決定。由於鎖相環的作用，Io與a點電壓僅僅在過零點發生同步，在過零點之間，Io跟隨系統內部的參考電流而不會發生突變，因此，對於非阻性負載，a點電壓的相位將會發生突變，如圖4-3所示，從而可以採用相位突變檢測方法來判斷孤島現象是否發生。相位突變檢測演演算法簡單，易於實現。但當負載阻抗角接近零時，即負載近似呈阻性，由於所設閥值的限制，該方法失效。被動檢測法一般實現起來比較簡單，然而當併網逆變器的輸出功率與局部電網負載的功率基本接近，導致局部電網的電壓和頻率變化很小時，被動檢測法就會失效，此方法存在較大的非檢測區。

主動式孤島檢測方法是指通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動。電網正常工作時，由於電網的平衡作用，檢測不到這些擾動。一旦電網出現故障，逆變器輸出的擾動將快速累積並超出允許範圍，從而觸發孤島效應檢測電路。該方法檢測精度高，非檢測區小，但是控制較複雜，且降低了逆變器輸出電能的質量。目前併網逆變器的反孤島策略都採用被動式檢測方案加上一種主動式檢測方案相結合。

頻率偏移檢測法(Active Frequency Drift,AFD)是目前一種常見的主動擾動檢測方法。採用主動式頻移方案使其併網逆變器輸出頻率略微失真的電流，以形成一個連續改變頻率的趨勢，最終導致輸出電壓和電流超過頻率保護的界限值，從而達到反孤島效應的目的。

滑模頻率漂移檢測法（Slip-Mode Frequency Shift，SMS）是一種主動式孤島檢測方法。它控制逆變器的輸出電流，使其與公共點電壓間存在一定的相位差，以期在電網失壓后公共點的頻率偏離正常範圍而判別孤島。正常情況下，逆變器相角響應曲線設計在系統頻率附近範圍內，單位功率因數時逆變器相角比RLC負載增加的快。當逆變器與配電網並聯運行時，配電網通過提供固定的參考相角和頻率，使逆變器工作點穩定在工頻。當孤島形成后，如果逆變器輸出電壓頻率有微小波動逆變器相位響應曲線會使相位誤差增加，到達一個新的穩定狀態點。新狀態點的頻率必會超出OFR/UFR動作閥值，逆變器因頻率誤差而關閉。此檢測方法實際是通過移相達到移頻，與主動頻率偏移法AFD一樣有實現簡單、無需額外硬體、孤島檢測可靠性高等優點，也有類似的弱點，即隨著負載品質因數增加，孤島檢測失敗的可能性變大。

周期電流擾動法（Alternate CurrentDisturbances，ACD）是一種主動式孤島檢測法。對於電流源控制型的逆變器來說，每隔一定周期, 減小光伏併網逆變器輸出電流, 則改變其輸出有功功率。當逆變器併網運行時, 其輸出電壓恆定為電網電壓；當電網斷電時, 逆變器輸出電壓由負載決定。每每到達電流擾動時刻，輸出電流幅值改變，則負載上電壓隨之變化，當電壓達到欠電壓範圍即可檢測到孤島發生。

頻率突變檢測法是對AFD的修改，與阻抗測量法相類似。FJ檢測在輸出電流波形(不是每個周期)中加入死區，頻率按照預先設置的模式振動。例如，在第四個周期加入死區，正常情況下，逆變器電流引起頻率突變，但是電網阻止其波動。孤島形成后，FJ通過對頻率加入偏差，檢測逆變器輸出電壓頻率的振動模式是否符合預先設定的振動模式來檢測孤島現象是否發生。這種檢測方法的優點是：如果振動模式足夠成熟，使用單台逆變器工作時，FJ防止孤島現象的發生是有效的，但是在多台逆變器運行的情況下，如果頻率偏移方向不相同，會降低孤島檢測的效率和有效性。

孤島效應檢測除了上述普遍採用的被動法和主動法，還有一些逆變器外部的檢測方法。如“網側阻抗插值法”，該方法是指電網出現故障時在電網負載側自動插入一個大的阻抗，使得網側的阻抗突然發生顯著變化，從而破壞系統功率平衡，造成電壓、頻率及相位的變化。還有運用電網系統的故障信號進行控制。一旦電網出現故障，電網側自身的監控系統就向光伏發電系統發出控制信號，以便能夠及時切斷分散式能源系統與電網的並聯運行。