常用的孤岛检测法课件.ppt

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1、光伏并网发电系统的孤岛检测方法,报告内容,光伏发电系统概述 光伏并网发电中的孤岛现象 主动和被动孤岛检测方法 基于一维离散映射李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,1.1 光伏发电的发展前景,太阳辐射是免费获取的，一旦能量转换装置设计完成，就可以长期免费使用光能。,太阳辐射广泛地分布在地球上，可以认为是一种取之不尽、用之不竭的能量来源。,能量转换过程不需要发生燃烧，不排放二氧化碳或其它废气、废水，系统不存在机械磨损问题，更不会产生噪声污染，与自然环境关系和谐。,光伏发电的优势,免费,丰富,清洁,1. 光伏发电系统概述,近十年来的研究和实践表明，太阳电池性能稳定可靠，其使用寿命可以超过30年，这使光

2、伏发电系统实现高使用寿命、免维护成为可能。,虽然目前光伏转换效率只能达到25%左右，但是理论上光能到电能的转换效率可以超过80%,太阳电池及各种电能转换器如DC/DC、DC/AC等均可以轻易实现模块化设计，因此发电系统易于建造安装、扩大规模，便捷性极高。,光伏发电的优势,耐用,高效,便捷,1.1 光伏发电的发展前景,1. 光伏发电系统概述,1.2 世界能源发展预测,1. 光伏发电系统概述,政策驱动(橙色)与市场驱动(黄色)下的世界能源光伏产业发展预测,光伏发电系统按与电力系统之间的联系分类，通常分为：光伏独立发电系统（包括单台和多台逆变组成的微网发电系统）光伏并网发电系统（与公共电网同步） 此

3、外在以上两种系统之外比较特殊应用的系统光伏扬水系统,1.3 光伏发电系统的分类,1. 光伏发电系统概述,1.3 独立光伏发电系统组成方框图,光伏独立发电系统一般由五部分组成： 太阳电池方阵；控制器；蓄电池；逆变器；负载,1. 光伏发电系统概述,1.3 光伏并网发电系统组成方框图,光伏并网发电系统一般由五部分组成：太阳电池方阵；连接器；并网逆变器；计量电表；电网,1. 光伏发电系统概述,1.4 光伏并网发电系统目前存在的主要问题,（1）功率波动大（2）成本偏高 (3) 电网管理难度大,1. 光伏发电系统概述,2.1 孤岛现象 所谓孤岛现象，是指当光伏并网发电系统中，电力公司因各种原因切断公共电网

4、供电时，用户端的并网逆变器仍处于工作状态，使并网逆变器和周围的负载形成一个电力公司无法控制的自供电系统。,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,2.2 孤岛现象的危害,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,对电力维修人员造成伤害,造成本地负载的过压损坏,重新合闸时导致不同步而引起电网故障,影响电能质量,2.3 孤岛检测原理,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,正常运行时,孤岛发生时,2.3 孤岛检测原理,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,(1)若 、 ,即并网逆变器输出的有功功率、无功功率与负载所需的有功功率、无功功率不匹配，则公共电网断网瞬间将会造成电压幅值和频率的突变，通过直接检测PCC点的电压幅值和频率的

5、变化是否超过阈值就能检测出孤岛（被动检测法，不加入扰动）。 (2)若 、 ，即并网逆变器输出的有功功率、无功功率与负载所需的有功功率、无功功率相匹配，公共电网断开瞬间并不会造成电压幅值或者频率的突变，所以这种情况下一般需要采用加入扰动的主动检测法才能检测出孤岛。 综上所述，孤岛检测的基本原理是通过检测公共耦合点(PCC)的电压幅值或者频率是否超过设定阈值来判断是否存在孤岛现象，即电压幅值和频率的变化大小是检测的关键。,2.4 判断孤岛发生标准 通过检测光伏发电系统与主电网公共耦合点（PCC）的电压幅值U或频率f，如果电压U或频率f超出并网发电系统标准所规定的正常范围，则并网逆变器停止运行。并网

6、发电系统标准规定，正常工作时主电网电压U和频率f的正常范围为： 88%U0U 110%U0(193.6V242V) f0-0.5f f0+0.5 其中，U0和f0分别为主电网的标准电压幅值和标准频率,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,2.5 孤岛检测的相关标准,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,检测时间：国家并网标准要求在0.2s内,谐波失真度(THD)：国家并网标准要求5%,负载品质因数Qf: 用来描述负载的谐振能力。Qf大于2.5的情况在实际中不存在，所以一般选取Qf =2.5,并联RLC负载：最难检测的孤岛现象状况，能在该负载条件下成功检测出孤岛的检测方法，在其他负载条件下也能有效检测出孤岛

7、。,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,远程通信检测法：利用公共电网端与逆变器端的远程通信实现的，通过远程通信手段监控输电线路、公共电网、分布式发电系统上所有继电器的状态，能够及时有效地检测出孤岛效应。优点：检测效率高，并且也适用于多重逆变器的分布式发电系统中。缺点：需要复杂的通信技术，成本高，尤其在小分式发电系统中性价比不高。被动检测法：首先设定PCC点的电压幅值、频率等参数所允许变化的阈值，通过检测这些参数是否超出所设阈值来判断是否存在孤岛。优点：算法实现简单，不需要硬件设备，成本低，不影响电能质量 缺点：存在较大的检测盲区。主动检测法：通过人为向分布式发电系统注入适当的扰动信号，使孤岛发生时

8、PCC点的电压幅值或者频率迅速偏移并超过设定阈值，从而检测出孤岛现象。优点：检测效率高，检测盲区小缺点：引入的扰动带来谐波失真，影响电能质量,2.6 常用的孤岛检测法,2.7 孤岛检测的相关基本概念,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,检测盲区(Non-detection Zone,NDZ)：孤岛检测算法失败的范围，通常用NDZ来判断孤岛检测算法的有效性。检测盲区一般用功率不匹配二维坐标空间表示法或者负载参数二维坐标空间表示法描述。功率不匹配二维坐标空间表示法一般适用于被动检测法，而负载参数二维坐标空间表示法适用于主动频率类检测法。,2.7 主动检测法的三种盲区描述方法,2. 光伏并网发电中的孤岛

9、现象,2.7.1 空间描述法：是负载参数描述法的一种，但是对于不同的电阻R有不同的盲区图，存在一定的缺陷。这里的L表示负载电感， 表示负载标准化电容，其定义为：,孤岛发生时，并网逆变器与负载之间将达到一个新的平衡稳定点，即满足如下相角判据公式，这里 表示逆变器输出电流与电压的相位差,其取值由所采用的主动检测法决定,结合负载阻抗角公式 可以得出 空间描述法的盲区表达式：,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,2.7.2 空间描述法：克服了 描述法在不同负载条件下需要绘制不同NDZ曲线的缺点，但是这两个坐标参数存在耦合关系，不能直观反映出NDZ与负载参数间的对应关系。这里， 为负载品质因数， 为负载谐振

10、频率。由于 和 会直接影响负载阻抗角 ，所以当电感L和电容C确定时，可以通过 来反映电阻R的变化。根据相位判据原理可以推导出 描述法的盲区表达式，如下所示：,若上式中的f 在施加主动扰动的作用下没有超过阈值，则表示该检测法失效，出现检测盲区。,2.7 主动检测法三种盲区描述方法,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,2.7.3 空间描述法：该描述法既能直观反映NDZ与品质因数之间的关系，较好地描述整个负载平面，又能避免两个坐标变量之间的相互耦合给孤岛检测法的性能比较带来的不便。这里， 为类似于负载品质因数的参数， 为最不利于孤岛检测条件下的标准化电容值，分别定义如下：,其中，R、L、C分别为负载电阻

11、、电感、电容； 为公共电网角频率； 为负载谐振电容。,2.7 主动检测法三种盲区描述方法,2.7 主动检测法三种盲区描述方法,2. 光伏并网发电中的孤岛现象,2.7.3 空间描述法公式推导,联立公式 、 、 得：,由于 明显比 小得多，所以 ， ，重新整理上式得：,化简上式得：,3.1 主动频率偏移法(AFD)原理 对并网逆变器输出电流加入一定的扰动，然后检测光伏发电系统与主电网公共耦合点（PCC）的频率f是否超出并网发电系统标准所规定的正常范围，若超出正常范围，孤岛发生，则并网逆变器停止运行。这里，扰动用截断系数 表示，其定义如下：,3. 主动孤岛检测法,而在该检测法下，逆变器输出电流与电压

12、的相位差 可以表示如下：,3.2 正反馈主动频率偏移法(AFDPF)原理 AFDPF检测法与AFD检测法检测原理相同，是对AFD检测法的一种改进，即对PCC点电压频率运用了正反馈原理，其截断系数表示为：,这里， 表示初始截断系数； 表示反馈增益；由于公共电网断电后，PCC点电压频率受电流频率的影响将偏离原值，所以， (这里 )表示PCC点电压频率的偏离值。,3. 主动孤岛检测法,3.2 正反馈主动频率偏移法(AFDPF)原理,3. 主动孤岛检测法,红色：k=0.02;黑色：k=0.05;蓝色：k=0.1,结论,1.改变初始截断系数 的大小不会影响NDZ的大小，只会使盲区上移或者下移；2. 当

13、一定时，增大反馈增益k会使NDZ向右推向 更大的区域，从而可以在 的条件下实现检测无盲区。,3.3 AFD与AFDPF检测法存在的问题（1）AFD检测法存在的问题 AFD检测法虽然检测效率高，能够在一定程度上提高孤岛检测灵敏度，但是也存在一定的检测盲区。同时，引入的扰动信号会带来新的谐波污染，影响电能质量。另外，较大的扰动虽然可以加快检测速度，却带来了较大的谐波失真，所以该算法中的扰动选取需要综合考虑谐波失真度和检测效率。（2）AFDPF检测法存在的问题 AFDPF检测法是对AFD检测法的改进，可以通过选取合适的反馈增益减少检测盲区，但是较大的初始截断系数以及反馈增益也会带来较大的谐波失真度，

14、污染输出电能质量。所以扰动参数的选取也需要综合考虑检测速度、检测效率以及谐波失真度。,3. 主动孤岛检测法,3.4 改进AFDPF检测法原理,3. 主动孤岛检测法,这里，n表示PCC点电压频率变化的次数,选取 ， ，设定公共电网在0.06s时刻断开，则改进的AFDPF算法对逆变器输出电流施加如下扰动：,3. 主动孤岛检测法,3.5 改进的AFDPF检测法的仿真结果：,在上图的左图中，PCC点电压频率在0.15s处超过了50.5Hz,右图中，逆变器输出电流在0.15s时刻归零，即在0.15s时刻并网逆变器停止运行，成功检测出孤岛。,选取 ， ，设定公共电网在0.06s时刻断开，对比改进的AFDP

15、F算法与AFDPF检测在感性负载条件下的仿真结果：,3. 基于主动和被动的孤岛检测法,3.5 改进的AFDPF检测法的仿真结果：,改进算法,AFDPF算法,在上图的左图中，PCC点电压频率在0.14s处超过了50.5Hz,成功检测到孤岛的时间为0.08s；右图中，PCC点电压频率在0.37s处超过了50.5Hz，检测时间为0.31s，无法在规定时间内检测出孤岛。,3. 基于主动和被动的孤岛检测法,3.5 改进的AFDPF检测法的仿真结果：,选取 ， ，对比改进的AFDPF算法与传统的AFDPF检测在感性负载条件下的仿真结果：,改进算法,AFDPF算法,在上图的左图中，逆变器输出电流在0.14s

16、时刻归零,即需要0.08s检测出孤岛并停止逆变器的运行；右图中，逆变器输出电流在0.37s时刻归零，检测时间为0.31s，即检测失败。,改进的AFDPF算法与传统的AFDPF算法的THD比较,3. 基于主动和被动的孤岛检测法,AFDPF算法,改进算法,3. 基于主动和被动的孤岛检测,.6 改进的AFDPF检测法的优越性：,1.改进的AFDPF检测法能够明显降低谐波失真度，具有较低的畸变性，对电能质量的影响较小；2.改进的AFDPF算法具有较快的检测速度，能够在规定的时间内成功检测出孤岛；3.通过先判断频率变化的趋势再施加有针对性的扰动，能够避免由于系统的不稳定引起的误动作；4.改进的AFDPF

17、算法在容性负载和感性负载条件下都能迅速检测出孤岛，解决了扰动与负载特性之间的冲突，减小了频率偏移类算法的检测盲区。,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,考虑两种情况：1.当光伏发电系统出现孤岛现象时，公共连接点的电压幅值出现异常，超出并网标准的阈值范围（88%U0U 110%U0），此时检测方法如下：（1）构造一维非线性映射的迭代方程： （2）将上述迭代方程的参数 设置为一个固定的偏置值 ，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心；周期窗口为 ，所

18、以偏置值 的取中间值2.4354815（3）对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，将采样到的电压u按预先设定的比例k衰减后得到扰动电压信号u ，其中 u = ku ； k的确定方法如下：,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,（4）用扰动电压信号 u去调制迭代方程中的参数 ，其调制形式为 ；（5）计算调制后的一维非线性映射的李雅普诺夫指数 ，当 时，一维非线性映射的运动处于周期窗口，表明扰动电压信号 u未超过阈值，未发生孤岛现象； 时，一维非线性

19、映射进入混沌运动区，表明扰动电压信号 u超过阈值，孤岛现象发生。,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,2.当光伏发电系统出现孤岛现象时，公共连接点的电压频率出现异常，超出并网标准的阈值范围（f0-0.5f f0+0.5），此时检测方法如下：（1）构造一维非线性映射的迭代方程： （2）将上述迭代方程的参数 设置为一个固定的偏置值 ，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心；周期窗口为 ，所以偏置值 的取中间值2.4354815（3）公共电网的参考频率 =50Hz ，并利用鉴相器将频率差值转换成扰动电压信号 ，其中 为鉴相器的鉴相系数，其

20、值确定方法如下：,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,4.1 基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测原理,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,（4）用扰动电压信号 u去调制迭代方程中的参数 ，其调制形式为 ；（5）计算调制后的一维非线性映射的李雅普诺夫指数 ，当 时表明未发生孤岛， 时发生孤岛。,4.2 孤岛检测效果的分岔图显示,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,4.3 孤岛检测效果的李雅普诺夫显示,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,4.4 本方法的优越性,4.基于李雅普诺夫指数变化的孤岛检测方法,（1）以非线性动力学理论为基

21、础，基于一维非线性映射Lyapunov指数变化的光伏并网发电系统孤岛检测方法，采用混沌检测理论，比传统方法具有更高的灵敏度和可靠性；（2）本方法的另一个特征是采用数字化的方法，利用一维混沌映射的离散模型构建混沌检测系统，参数配置灵活、可靠， 易于在DSP、FPGA或ARM处理器平台上实现,速度快，实时性好；（4）本方法通过一维非线性映射参数调制前后其Lyapunov指数的正、负变化，来判断光伏并网发电系统孤岛现象的发生，由于是二值逻辑，所以非常易于实现孤岛检测的自动化；（5）本方法不仅解决了传统孤岛被动检测法的检测灵敏度低的问题，同时又不会向系统注入新的谐波污染，对光伏并网发电系统性能的提高具有较好的应用价值。,研制成功的20KW光伏发电系统,Thank you !欢迎批评指正,