CN103414203A - 基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法及装置，主要由混沌检测模块、数字锁相环模块、最大功率点跟踪模块、乘法器、同步控制模块和IGBT驱动模块组成；其中混沌检测模块的输入端和数字锁相环模块的输入端同时连接在光伏并网发电系统的公共连接点处，数字锁相环模块的输出端和最大功率点跟踪模块的输出端分别连接在乘法器的2个输入端上，乘法器的输出端和混沌检测模块的输出端分别接入同步控制模块的2个输入端，同步控制模块的输出端经IGBT驱动模块与光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块相连。本发明具有可靠、有效、高灵敏度、且智能化的特点。

Description

基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法及装置

技术领域

本发明设计光伏发电领域，具体涉及一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法及装置。 

背景技术

在全球范围太阳电池产量飞速增长的同时，光伏并网发电的发展步伐逐年加快。过去几年，随着光伏并网发电技术的快速发展，在政府支持性政策的驱动下，发达国家如美国、德国、日本等国家的并网发电系统装机容量在高速增长。近年来，随着我国光伏发电政策的不断完善，我国光伏并网发电系统装机容量也在迅猛增长。据EPIA统计数据，21世纪末期，太阳能并网发电容量将占世界能源总需求量的50%左右。随着光伏并网发电成本的降低和传统能源的枯竭，光伏并网发电将会与传统发电成本相当，并很快会进入商业化应用阶段。 

然而，孤岛效应（Islanding）是制约光伏并网发电系统电力传输的一个不容忽视的问题，孤岛效应对发电系统的设备、检查维修人员的安全带来致命威胁。传统的孤岛检测方法是采用主动检测方法或被动检测方法实现孤岛检测。在传统方法中，被动检测法不会对系统带来谐波污染，但是其灵敏度不高，在实际系统中经常会出现失效的情况；主动检测法通过有意地加入扰动信号，然后根据输出的响应特性来判断孤岛现象是否产生，该方法能够一定程度上提高孤岛检测灵敏度，但是主动注入的扰动信号会引入新的谐波污染，影响系统的输出电能质量和电网系统的运行安全。 

实际的光伏并网发电系统是一个强非线性系统，已有研究表明：在这种典型的非线性系统中存在复杂的动力学行为。利用非线性系统在不同参数条件下的不同动力学性质，混沌检测理论方法在诸多领域已经得到应用，到目前为止，混沌检测理论在光伏并网发电孤岛检测中并未得到实际应用。现有的基于混沌理论的孤岛检测方法则只是简单地把过压/欠压（OVP/UVP）信号取出，根据信号强度改变系统的某个参数，然后用示波器在时域上观察动力学系统的运动相图，来判断孤岛是否产生。这种通过系统动力学相图判断孤岛现象有明显缺陷。一方面，系统的相图随时间演化不断处于变化之中，机器不便于直接进行判断，必须要有人实时观测，很难实现孤岛的检测、报警自动化；另一方面，一个完整的相图需要较长时间才能形成，因此，通过相图判断孤岛现象实时性不好。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统孤岛检测方法存在检测灵敏度低、可靠性差、对输出电能质量产生谐波污染等问题，提供一种可靠、有效、高灵敏度、且智能化的基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法及装置。 

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，包括如下步骤： 

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程： 

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ① 

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压； 

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心； 

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，一旦光伏发电与主电网的公共连接点处的电压u超过光伏并网发电系统技术要求的电压阈值时， 

（2.1）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； 

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u； 

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数（李雅普诺夫指数）λ， 

$\mathrm{\λ}=\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\log \left|f^{\′}\left(x_i\right)\right|$   ② 

式中，f′(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数； 

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象；当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。 

上述方法中，步骤（1.2）中所述偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513；步骤（2）中所述电压阈值的取值范围为193.6<u<242.0；步骤（2.1）中所述比例k的取值范围为0＜k＜1；步骤（2.3）中所述迭代次数n的取值为100000。 

上述方法中，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是： 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实 现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。 

上述方法中，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是还进一步包括混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息的步骤。 

一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，包括如下步骤： 

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程： 

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ① 

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压； 

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心； 

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，并判断该采样到的电压u是否过零点；如果没到过零点，则重复对公共连接点处的电压u进行采样；如果过了过零点，则将采样到的电压u进行转换，将采样到的电压u的两次过零点的时间间隔取倒数，获得公共连接点电压信号的频率f；一旦光伏发电与主电网的公共连接点处电压的频率f异常即超过光伏并网发电系统技术要求的频率阈值时， 

（2.1）采用向前预测器获得公共电网的参考频率

并利用鉴相器将 

的频率差值转换成扰动电压信号

其中γ为鉴相器的鉴相系数； 

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u； 

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数（李雅普诺夫指数）λ， 

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ② 

式中，f′(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数； 

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象；当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。 

上述方法中，步骤（1.2）中所述偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513；步骤（2）中所述频率阈值的取值范围为50±0.5Hz；步骤（2.1）中所述鉴相系数γ的取值范围为0<γ<0.001；步骤（2.3）中所述迭代次数n的取值为100000。 

上述方法中，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是： 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当 前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。 

上述方法中，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是还进一步包括混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息的步骤。 

根据上述方法所设计的一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测装置，主要由混沌检测模块、数字锁相环模块、最大功率点跟踪模块、乘法器、同步控制模块和IGBT驱动模块组成；其中混沌检测模块的输入端和数字锁相环模块的输入端同时连接在光伏并网发电系统的公共连接点处，数字锁相环模块的输出端和最大功率点跟踪模块的输出端分别连接在乘法器的2个输入端上，乘法器的输出端和混沌检测模块的输出端分别接入同步控制模块的2个输入端，同步控制模块的输出端经IGBT驱动模块与光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块相连； 

混沌检测模块主要负责对光伏并网发电系统的公共连接点的电压进行采样，采样电压u按比例k进行适当的衰减后形成扰动电压信号△u、或将采样电压u转换为频率f后，将频率f与公共电网的参考频率

的频率差值转换成扰动电压信号△u，将上述扰动电压信号△u输入到预先构建的一维非线性映射的迭代方程中，调制该迭代方程的参数β，根据一维非线性映射的迭代方程的Lyapunov指数在调制前后的变化，检测出光伏并网发电系统是否出现孤岛现象； 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT在乘法器中相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。 

上述系统还进一步包括孤岛报警通信模块，该孤岛报警通信模块的输入端连接在混沌检测模块的输出端上，孤岛报警通信模块的输出端与远程监控服务器相连；孤岛报警通信模块在接收到混沌检测模块发出的孤岛产生信号后，向远程监控服务器发送孤岛报警信息。 

本发明与现有的孤岛检测技术相比的优点在于： 

（1）以非线性动力学理论为基础，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及装置，采用混沌检测理论和自适应FIR滤波器，比传统方法具有更高的灵敏度和可靠性； 

（2）采用高性能的DSP、FPGA或ARM处理器，一维非线性映射的Lyapunov指数计算非常快，使得本发明比传统方法实时性好，能快速地检测到孤岛现象； 

（3）本发明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，并可方便多次连续检测； 

（4）本发明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）本发明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非常重要的价值。 

综上所述，本发明的方法和装置易于实现孤岛检测的自动化，具有更高的智能、更高的检测灵敏度，更快的检测速度，而且不会对系统输出电能质量产生影响，具有非常广阔的应用前景。 

附图说明

图1是本发明的孤岛检测装置在光伏并网系统中的应用框图； 

图2本发明控制参数的偏置值β*取值示意图； 

图3当PCC处检测频率异常时本发明的孤岛检测方法程序框图； 

图4是一维非线性映射的迭代方程的Lyapunov指数变化反映孤岛检测原理图； 

图5是一维非线性映射的迭代方程分叉图显示孤岛检测原理图； 

图6是上述一维非线性映射的迭代方程的分叉图显示孤岛检测原理图。 

具体实施方式

一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测装置，如图1所示，主要由混沌检测模块、数字锁相环模块、最大功率点跟踪模块、乘法器、同步控制模块、IGBT驱动模块和孤岛报警通信模块组成。其所针对的光伏并网发电系统由光伏电池板阵列、DC/AC转换模块、并网控制开关、本地用户负载、公共主电网等组成。光伏电池板阵列输出端连接DC/AC转换模块的输入端，DC/AC转换模块的输出端经并网控制开关与公共主电网相连。本地用户负载连接在DC/AC转换模块的输出端与并网控制开关之间的公共连接点（PCC）上。 

混沌检测模块的输入端和数字锁相环模块的输入端同时连接在光伏并网发电系统的公共连接点处，数字锁相环模块的输出端和最大功率点跟踪模块 的输出端分别连接在乘法器的2个输入端上，乘法器的输出端和混沌检测模块的输出端分别接入同步控制模块的2个输入端，同步控制模块的输出端经IGBT驱动模块与光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块相连。该孤岛报警通信模块的输入端连接在混沌检测模块的输出端上，孤岛报警通信模块的输出端与远程监控服务器相连。 

混沌检测模块主要负责对光伏并网发电系统的公共连接点的电压进行采样，采样电压u按比例k进行适当的衰减后形成扰动电压信号△u、或将采样电压u转换为频率f后，将频率f与公共电网的参考频率的频率差值转换成扰动电压信号△u，将上述扰动电压信号△u输入到预先构建的一维非线性映射的迭代方程中，调制该迭代方程的参数β，根据一维非线性映射的迭代方程的Lyapunov指数在调制前后的变化，检测出光伏并网发电系统是否出现孤岛现象。 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT在乘法器中相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制。同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。孤岛报警通信模块在接收到混沌检测模块发出的孤岛产生信号后，向远程监控服务器发送孤岛报警信息。孤岛报警通信模块内部由电力线载波通信、GPRS/GSM通信两部分组成，通过有线和无线通信方式，将孤岛报警信号发送到远程监控服务器。 

当光伏并网发电系统出现孤岛效应时，混沌检测模块向孤岛报警通信模块和同步控制模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块将会向远程监控服务器发送孤岛报警信息，同时，同步控制模块将停止跟踪同步控制，并发出IGBT关断信号至IGBT驱动模块，从而使DC/AC转换模块停止输出，保证电网的安全。 

1.混沌检测模块内构造一个一维非线性映射，它的特点是随着映射某个参数的变化，出现一个较窄的周期窗口，周期窗口两侧具有较宽的混沌带。本发明所构造一维非线性映射的迭代方程为： 

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ① 

上式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压。β作为上述映射动力学特性的控制参数。在这个一维非线性映射中，首先将映射的参数β设置一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，一维非线性映射的迭代方程①处于周期窗口（例如3P轨道）的中心，参见图2。然后考虑两种情况： 

1）当光伏发电与主电网的公共连接点（PCC）电压u幅度异常，超过光伏并网发电系统技术要求的电压阈值时（实施方法1）。则将在公共连接点（PCC）处测得的电压信号经适当比例k（0<k<1））衰减后得到扰动电压信号△u（△u=ku），将△u调制一维非线性映射的迭代方程①的参数β，调制形式为β=β*+△u。当孤岛现象发生时，一维非线性映射由周期运动转变到混沌运动，即当△u>0时，一维非线性映射的迭代方程①从周期窗口由左向右进入混沌运动，当△u<0时，一维非线性映射的迭代方程①从周期窗口由右向左进入混沌运动。由混沌理论可知，当非线性映射处于周期运动时，其Lyapunov指数为负，当非线性映射处于混沌运动时，其Lyapunov指数为正，这样通过一维非线性映射的Lyapunov指数正、负变化就能很方便和准确地判断孤岛现象是否发生。另一方面，由于一维非线性映射的迭代方程①的周期窗口的参数范围很小，所以只要适当选择当比例系数k，就可以实现高灵敏度的孤岛检测。另一方面，当PCC处电压u幅度变化未超过光伏并网发电系统技术要求的阈值时，适当选取比例系数k，使一维非线性映射的迭代方程①扰动电压△u不能使其进入混沌运动，仍然处于周期运动，表明未出现孤岛现象。 

上述偏置值β*的确定方法是：对一维非线性映射的迭代方程①进行参数扫描，作分叉图，由分叉图可方便地找出一个合适的周期窗口并确定合适的β*值。参见图6。 

2）当光伏发电与主电网的公共连接点（PCC）电压的频率f异常，超过光伏并网发电系统技术要求的频率阈值时（实施方法2）。通过电压信号过零检测方法，获得当前PCC点电压的频率f，公共电网电压的参考频率

可采用前向预测器获得。当光伏并网系统未出现孤岛现象时，

的差值几乎等于0；当孤岛现象产生时，

的差值较大。利用鉴相器将

的频率差值转换成扰动电压

然后将扰动电压△u对映射（1）式的参数进行上述同样方式的调制，根据参数调制前后映射（1）式的Lyapunov指数正、负变化情况，同样可以判断在PCC处电压的频率f异常时，孤岛现象是否发生。 

2.由混沌理论可知，一维映射的Lyapunov指数计算方法如下式所示： 

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ② 

由于一维非线性映射只有一个Lyapunov指数，且只是象函数求导后它的对数累加求和，因此计算Lyapunov指数速度非常快，采用现代的DSP芯片，即使迭代10万个步，所花时间也是μS量级，因此这种孤岛检测方法十分快速。参见图5。 

3.为了增强孤岛检测的抗噪声性能，提高孤岛检测的可靠性，即防止偶 发脉冲的干扰造成孤岛误判，对PCC处的采集信号进行平滑滤波，即采用自适应FIR滤波器对信号u(t)进行滤波。 

采用上述装置所实现的基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法有以下两种： 

实施方法1： 

一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，如图3所示，包括如下步骤： 

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程： 

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ① 

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压。 

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心。在本发明中，偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513。 

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，一旦光伏发电与主电网的公共连接点处的电压u超过光伏并网发电系统技术要求的电压阈值时，在本发明中，电压阈值的取值范围为193.6<u<242.0； 

（2.1）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。在本发明中，比例k的取值范围为0＜k＜1、 

本实施例中，所述的比例系数k的确定方法如下： 

设周期窗口为β₁<β=β*+△u=β*+ku<β₂，取

为了确定合适的比例系数k，使得PCC处电压u的幅度在国家标准规定的正常范围内（193.6<u<242.0），孤岛没有发生时，一维非线性映射的迭代方程①仍运动在周期窗口，可采用如下临界值计算方法得到例系数k 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&beta;}*+242.0k={\mathrm{\&beta;}}_2\\ \mathrm{\&beta;}*+193.6k={\mathrm{\&beta;}}_1\end{array}\right.$

可得 $k=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1}{242.0-193.6}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1}{48.4}.$

参见图2，本发明实施例中选取的3周期窗口，由图可知，β₁=2.43545，β₂=2.435513，

则本实施方法1中比例系数  $k=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&beta;}}_1}{48.4}=1.3\&times;{10}^6.$

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u。 

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数λ， 

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ② 

式中，f′(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数。 

在本实施例中，一维非线性映射的迭代方程的迭代次数n=100000，此时式②转换为 

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{1}{100000}\underset{i=0}{\overset{99999}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象。当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。 

上述执行孤岛保护的具体过程是： 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息。 

实施方法2： 

一种基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，如图4所示，包括如下步骤： 

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程： 

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ① 

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压。 

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心。在本发明中，偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513。 

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，并判断该采样到的电压u是否过零点。如果没到过零点，则重复对公共连接点处的电压u进行采样。如果过了过零点，则将采样到的电压u进行转换，将采样到的电压u的两次过零点的时间间隔取倒数，获得公共连接点电压信 号的频率f。一旦光伏发电与主电网的公共连接点处电压的频率f异常即超过光伏并网发电系统技术要求的频率阈值时，在本发明中，频率阈值的取值范围为50±0.5Hz； 

（2.1）采用向前预测器获得公共电网的参考频率

并利用鉴相器将 

的频率差值转换成扰动电压信号其中γ为鉴相器的鉴相系数。在本发明中，鉴相系数γ的取值范围为0<γ<0.001。 

在本实施例中，鉴相系数γ、控制参数的偏置值β*的计算方法如下： 

由设周期窗口为β₁<β=β*+γ△f<β₂，取 

根据国家光伏发电系统的并网标准，允许频率偏差为△f=±0.5Hz，为了确定一个合适的鉴相系数γ，采用临界值计算法，取△f=0.5Hz时，应该有取△f=-0.5Hz时， 

由此可以计算出鉴相系数γ=(β₂-β₁)，其量纲为V/Hz。 

参见图2，本发明实施例中选取的3周期窗口，由图可知，β₁=2.43545，β₂=2.435513，

则本实施方法2中的鉴相系数γ=(β₂-β₁)=0.63×10^-4。 

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u。 

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数λ， 

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ② 

式中，f′(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数。 

在本实施例中，一维非线性映射的迭代方程的迭代次数n=100000，此时式②转换为 

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{1}{100000}\underset{i=0}{\overset{99999}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象。当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。 

上述执行孤岛保护的具体过程是： 

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果 I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息。 

图5是由Lyapunov指数变化反映孤岛检测原理示意图，λ>0的区域对应检测系统的混沌带，说明产生了孤岛现象，λ<0对应检测系统的周期窗口，说明孤岛现象未产生，系统正常工作。混沌检测系统由负的Lyapunov指数向正的Lyapunov指数转变，说明光伏并网发电系统由正常工作状态向孤岛状态转变，光伏并网发电系统没有发生孤岛正常工作时，混沌检测系统仍处在狭窄的三周期窗口中。由于周期窗口参数值范围很小，即使很微弱的信号扰动也能使一维非线性映射的迭代方程①映射由周期窗口进入混沌带，因此，本发明的孤岛检测，灵敏度很高。 

图6是上述一维非线性映射的迭代方程①的分叉图显示孤岛检测原理。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应当了解，本发明不局限于上述具体实施例的限制，上述实施例和说明书只是说明了发明的原理和特征，在不脱离本发明的基本精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些将会落入保护范围，本发明要求保护范围由所附权利要求书进行界定。 

Claims (10)

1.基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是包括如下步骤：

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程：

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ①

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压；

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心；

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，一旦光伏发电与主电网的公共连接点处的电压u超过光伏并网发电系统技术要求的电压阈值时，

（2.1）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；

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u；

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数λ，

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ②

式中，f′(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数；

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象；当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。

2.根据权利要求1所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（1.2）中所述偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513；步骤（2）中所述电压阈值的取值范围为193.6<u<242.0；步骤（2.1）中所述比例k的取值范围为0＜k＜1；步骤（2.3）中所述迭代次数n的取值为100000。

3.根据权利要求1或2所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是：

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。

4.根据权利要求3所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是还进一步包括混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息的步骤。

5.基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是包括如下步骤：

（1.1）在混沌检测模块中构造一个一维非线性映射的迭代方程：

x(n+1)=π{A-βsin²[x(n)-v]}  ①

式中，x(n)为非线性映射的迭代变量，A为偏置值，β为放大倍数相关的量，v为驱动源的偏压；

（1.2）将上述迭代方程的参数β设置为一个固定的偏置值β*，使得在扰动信号为0时，迭代方程处于周期窗口的中心；

（2）混沌检测模块对光伏并网发电系统的公共连接点处的电压u进行采样，并判断该采样到的电压u是否过零点；如果没到过零点，则重复对公共连接点处的电压u进行采样；如果过了过零点，则将采样到的电压u进行转换，将采样到的电压u的两次过零点的时间间隔取倒数，获得公共连接点电压信号的频率f；一旦光伏发电与主电网的公共连接点处电压的频率f异常即超过光伏并网发电系统技术要求的频率阈值时，

（2.1）采用向前预测器获得公共电网的参考频率

并利用鉴相器将

的频率差值转换成扰动电压信号其中γ为鉴相器的鉴相系数；

（2.2）用扰动电压信号△u去调制迭代方程中的参数β，其调制形式为β=β*+△u；

（2.3）对调制后的迭代方程做一维映射迭代运算，并采用下式计算Lyapunov指数λ，

$\mathrm{\&lambda;}=\underset{n\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\log \left|f^{\&prime;}\left(x_i\right)\right|$   ②

式中，f(x_i)为一维非线性映射的迭代方程，n为迭代次数；

（2.4）当Lyapunov指数λ＜0时，则表明光伏并网发电系统未出现孤岛现象；当Lyapunov指数λ≥0时，则表明光伏并网发电系统出现孤岛现象，执行孤岛保护。

6.根据权利要求5所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（1.2）中所述偏置值β*的取值范围为2.43545<β*<2.435513；步骤（2）中所述频率阈值的取值范围为50±0.5Hz；步骤（2.1）中所述鉴相系数γ的取值范围为0<γ<0.001；步骤（2.3）中所述迭代次数n的取值为100000。

7.根据权利要求5或6所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是：

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。

8.根据权利要求7所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法，其特征是，步骤（2.4）中所述执行孤岛保护的具体过程是还进一步包括混沌检测模块向孤岛报警通信模块发出孤岛产生信号，孤岛报警通信模块向远程监控服务器发送孤岛报警信息的步骤。

9.根据权利要求1或5所述基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测方法所所设计的基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测装置，其特征是：主要由混沌检测模块、数字锁相环模块、最大功率点跟踪模块、乘法器、同步控制模块和IGBT驱动模块组成；其中混沌检测模块的输入端和数字锁相环模块的输入端同时连接在光伏并网发电系统的公共连接点处，数字锁相环模块的输出端和最大功率点跟踪模块的输出端分别连接在乘法器的2个输入端上，乘法器的输出端和混沌检测模块的输出端分别接入同步控制模块的2个输入端，同步控制模块的输出端经IGBT驱动模块与光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块相连；

混沌检测模块主要负责对光伏并网发电系统的公共连接点的电压进行采样，采样电压u按比例k进行适当的衰减后形成扰动电压信号△u、或将采样电压u转换为频率f后，将频率f与公共电网的参考频率

的频率差值转换成扰动电压信号△u，将上述扰动电压信号△u输入到预先构建的一维非线性映射的迭代方程中，调制该迭代方程的参数β，根据一维非线性映射的迭代方程的Lyapunov指数在调制前后的变化，检测出光伏并网发电系统是否出现孤岛现象；

数字锁相环模块通过对公共连接点的电压信号取样后进行锁相，输出当前电网的频率和相位信息sin(ωt+θ)，并与最大功率点跟踪模块的运算结果I_MPPT在乘法器中相乘，得到并网运行的参考电流信号i_ref，同步控制模块根据参考电流信号i_ref和混沌检测模块发出的孤岛产生信号，对公共主电网电压的频率、相位进行跟踪和同步控制；同步控制模块的控制信号由IGBT驱动模块进行功率放大后直接驱动光伏电池板阵列输出端处的DC/AC转换模块的IGBT功率管，实现DC/AC变换，将光伏电池板阵列输出的直流电能转换成与公共电网电压同步的交流电，馈入公共主电网中。

10.根据权利要求9所述的基于李雅普诺夫指数变化的光伏发电孤岛检测装置，其特征是：还进一步包括孤岛报警通信模块，该孤岛报警通信模块的输入端连接在混沌检测模块的输出端上，孤岛报警通信模块的输出端与远程监控服务器相连；孤岛报警通信模块在接收到混沌检测模块发出的孤岛产生信号后，向远程监控服务器发送孤岛报警信息。

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