新能源場(chǎng)站電能質(zhì)量問(wèn)題及檢測(cè)方法研究

苑軍軍，郭寶甫，馬紅偉，王衛(wèi)星，鄧超然

(許繼集團(tuán)有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求日趨緊張，在化石能源缺乏和環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，提高新能源發(fā)電在電力行業(yè)中占比和利用效率，形成大電網(wǎng)和新能源發(fā)電相結(jié)合的供電模式。由于新能源發(fā)電受環(huán)境氣候的影響較大，輸出功率不穩(wěn)定，以及大量的電力電子設(shè)備被應(yīng)用到并網(wǎng)過(guò)程，這些都將會(huì)引起新能源并網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。為提高新能源并網(wǎng)電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效清潔發(fā)電和安全穩(wěn)定供應(yīng)。本文詳細(xì)介紹了新能源場(chǎng)站中常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題及檢測(cè)方法[1-4]。

1 新能源場(chǎng)站常見(jiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題

隨著新能源發(fā)電的迅速發(fā)展，新能源場(chǎng)站電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果表明，電壓波動(dòng)和閃變、電力諧波污染對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響最為嚴(yán)重，本節(jié)詳細(xì)分析了其產(chǎn)生的主要原因。

1.1 電壓的波動(dòng)和閃變

電力系統(tǒng)中電壓是由電網(wǎng)潮流分布決定的，所以電網(wǎng)中負(fù)載和注入功率的波動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和閃變，故新能源接入配電網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是新能源發(fā)電輸出功率的波動(dòng)[4-5]。圖1為光伏發(fā)電功率波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓電流波動(dòng)，圖中①為逆變器側(cè)A相電流、②為逆變器側(cè)A相1/2電流、③為400 V側(cè)AB電壓、④為400 V側(cè)BC電壓。

圖1 光伏發(fā)電功率波動(dòng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)波形圖

從圖1中可以明顯看出由于外界環(huán)境的變化導(dǎo)致400 V側(cè)電壓產(chǎn)生明顯的跌落，在輸出功率短時(shí)保持不變時(shí)，電流值有明顯增大。

引起新能源場(chǎng)站功率波動(dòng)的因素很多，總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

a.由新能源場(chǎng)站調(diào)度和運(yùn)行控制造成的發(fā)電機(jī)組出力變動(dòng)和開(kāi)停機(jī)；

b.自然條件的變化。例如光照強(qiáng)度和溫度的變化影響光伏電池組件輸出功率的大小，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率受到風(fēng)速、風(fēng)向變化的影響；

c.投切補(bǔ)償電容器時(shí)產(chǎn)生對(duì)電壓的影響；

d. 采用最大功率追蹤控制發(fā)電機(jī)組的輸出功率隨外界環(huán)境的變化而變動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電壓的波動(dòng)；

e. 新能源場(chǎng)站接入點(diǎn)多為中低壓配電網(wǎng)，其短路容量相對(duì)較小，輸出功率波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電壓的變化較大。

1.2 電力諧波

新能源發(fā)電并網(wǎng)用到了大量的電力電子設(shè)備，在并網(wǎng)初期，電力電子設(shè)備可看成一個(gè)大的諧波源。

圖2為MATLAB仿真圖，仿真采用無(wú)限大電源作為電網(wǎng)，圖中上半部分為電壓基波波形，下半部分為電流諧波波形，對(duì)比可見(jiàn)，電力電子設(shè)備滿(mǎn)功率運(yùn)行前產(chǎn)生了大量的諧波，滿(mǎn)功率運(yùn)行后諧波含量減少。

圖2 新能源發(fā)電并網(wǎng)MATLAB仿真圖

電力電子設(shè)備產(chǎn)生的一系列的諧波分量對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染，例如[6-9]：

a.風(fēng)電機(jī)組通過(guò)軟并網(wǎng)裝置并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生諧波電流；

b.太陽(yáng)能電池通過(guò)逆變器接入交流電網(wǎng)，頻繁開(kāi)通和關(guān)段的開(kāi)關(guān)器件；

c.輸出高頻電壓的微型燃?xì)廨啓C(jī)等。

2 新能源場(chǎng)站電能質(zhì)量檢測(cè)方法

2.1 電壓波動(dòng)和閃變的檢測(cè)方法

人眼主觀感受到的電壓波動(dòng)頻率在0.5～35 Hz，此范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)頻率引起電壓閃變。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于單一頻率調(diào)制的正弦電壓波動(dòng)信號(hào)普遍采用三種檢測(cè)方法，即有效值檢測(cè)法、整流檢測(cè)法和平方解調(diào)法。若采用此三種方法檢測(cè)時(shí)變的非正弦電壓波動(dòng)信號(hào)，由于工頻幅值遠(yuǎn)大于電壓波動(dòng)幅值，將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[10,11]。

因此，下面介紹兩種近年來(lái)提出的檢測(cè)方法。

(1)零空間追蹤算法

采用零空間追蹤算法進(jìn)行電壓波動(dòng)和閃變檢測(cè)的流程如圖3所示。

圖3 零空間追蹤的電壓閃變檢測(cè)算法流程圖

基于微分算子的零空間追蹤算法：按序提取出電壓信號(hào)中的基波信號(hào)和諧波信號(hào)，再通過(guò)基波信號(hào)對(duì)剩余信號(hào)解調(diào)，最終采用微分算子零空間追蹤算法從解調(diào)后的信號(hào)中分析得到基波的包絡(luò)信號(hào)。

便于理解分析，本文給出含有一個(gè)電壓閃變頻率的信號(hào)模型：

u(t)=a0(1+Acos(Ωft))cos(Ω0t)

=a0cos(Ω0t)+a0Acos(Ωft)cos(Ω0t)

(1)

式中，a0為基波幅值；Acos(Ωft)為電壓包絡(luò)信號(hào)；cos(Ω0t)為頻率為Ω0的基波信號(hào)。

基于調(diào)幅調(diào)頻算子和微分算子的零空間追蹤算法，提出兩種閃變包絡(luò)提取方案，第一種，首先采用基于調(diào)幅調(diào)頻算子的零空間追蹤算法把基波調(diào)制信號(hào)提取出，其次，再采用基于微分算子的零空間追蹤算法提取基波信號(hào)，最后，通過(guò)對(duì)剩余信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，完成基波包絡(luò)信號(hào)的提??；第二種，同時(shí)采用上述兩種算法提取出的信號(hào)成分包括基波信號(hào)和基波調(diào)制信號(hào)，然后基波信號(hào)解調(diào)基波調(diào)制信號(hào)，獲得基波包絡(luò)信號(hào)。

基于微分算子的零空間追蹤算法和基于調(diào)幅調(diào)頻算子的零空間追蹤算法分別在單分量正弦信號(hào)提取和調(diào)制信號(hào)完整性提取中表現(xiàn)出了各自的優(yōu)勢(shì)，兩種算法皆可通過(guò)調(diào)整閾值參數(shù)來(lái)提高提取精度。

(2)S變換法

基于傅里葉變換和小波變換的S變換法是一種可逆時(shí)頻分析手段，它不僅克服了傅里葉變換不能針對(duì)時(shí)間反應(yīng)頻率變換的缺陷，還克服了小波基函數(shù)窗口固化的缺點(diǎn)。

信號(hào)傅里葉變換可表示：

(2)

引入高斯窗函數(shù)：

(3)

對(duì)信號(hào)連續(xù)S變換為：

(4)

S變換的逆變換為：

(5)

式中，τ為kTs；f為n/NTs；N為采樣點(diǎn)數(shù)；Ts為采樣時(shí)間。

S變換的結(jié)果是一個(gè)矩陣，可以分解成相位矩陣和模矩陣。信號(hào)發(fā)生突變的起始和終止時(shí)間可以通過(guò)求模變化的導(dǎo)數(shù)的最大值來(lái)確定，電壓閃變檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 電壓閃變的檢測(cè)流程圖

2.2 電力諧波的檢測(cè)方法

在新能源發(fā)電并網(wǎng)中，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如今，應(yīng)用廣泛的諧波檢測(cè)方法有：迭代平滑濾波法、瞬時(shí)無(wú)功功率理論法、傅里葉變換法、小波變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[12-18]。

(1)迭代平滑濾波法

此方法主要運(yùn)用了移頻原理和濾波原理，外加多次迭代濾波。其在新能源發(fā)電并網(wǎng)中諧波參數(shù)求取流程如圖5。

圖5 迭代平滑濾波法諧波參數(shù)求取流程圖

由圖5知，首先對(duì)含有第h次諧波的電力信號(hào)進(jìn)行離散采樣，設(shè)置采樣參數(shù)。然后通過(guò)第h次諧波基準(zhǔn)信號(hào)的采樣角差計(jì)算得到第h次諧波的采樣角差；通過(guò)第h次諧波基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)逐項(xiàng)相乘移頻后得到信號(hào)m，使用平滑濾波器對(duì)移頻后的信號(hào)m進(jìn)行濾波得到信號(hào)n，最后通過(guò)平滑濾波器幅頻特性分析信號(hào)n的頻率成分可得到第h次諧波負(fù)頻率的角差，進(jìn)而可以分析得到第h次諧波的頻率、幅值和相角，同等方法可得H次諧波的參數(shù)，在h=0時(shí)，求取的是基波頻率、基波幅值和基波相角。

(2)瞬時(shí)無(wú)功功率理論法

瞬時(shí)無(wú)功功率理論法是將三相電路中的瞬時(shí)電壓和電流利用矩陣變換到正交坐標(biāo)中：

(6)

其中，

C變換=

(7)

通過(guò)這種矩陣變換就可以將第h次諧波在坐標(biāo)系變換為直流分量，通過(guò)低通濾波器提取出直流分量，再對(duì)直流分量進(jìn)行廣義坐標(biāo)反變換，便可以得到第h次諧波的三相電壓(電流)。

(3)傅里葉變換法

傅里葉變換法是目前使用最廣的諧波檢測(cè)方法之一，尤其是快速傅里葉變換法(fast Fourier transformation，F(xiàn)FT)的出現(xiàn)，使其在電力諧波檢測(cè)中得到更廣泛的應(yīng)用。但是，由于FFT的實(shí)現(xiàn)通常要借助于高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),會(huì)產(chǎn)生頻譜泄露效應(yīng)和柵欄效應(yīng)。為了降低這兩種效應(yīng)帶來(lái)的誤差影響，通常采用加窗插值改進(jìn)FFT方法。表1給出了四種窗函數(shù)的性能數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 四種窗函數(shù)性能數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1中可以看出，矩形窗的主瓣寬度雖然是最窄的，但是其阻帶的最小衰減卻是最差的，達(dá)-21dB，而B(niǎo)lackman窗的阻帶的最小衰減為-84dB，旁瓣峰值的衰減為 -70dB，能夠顯著抑制頻譜泄露，大大提高對(duì)諧波分析的精確性和有效性。

(4)小波變換法

小波變換法是在1910年提出的，它是對(duì)傅里葉變換方法的進(jìn)一步研究，彌補(bǔ)了傅里葉變換方法不能顯示非穩(wěn)態(tài)信號(hào)變化信息的不足。

小波函數(shù)的選取對(duì)電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)分析至關(guān)重要，不同小波函數(shù)的諧波分析效果優(yōu)劣顯著，本文給出了5個(gè)小波函數(shù)選取指標(biāo)：

a.正交性，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)分析；

b.緊支撐性，更好的局部時(shí)域特征；

c.對(duì)稱(chēng)性，具有線性相位的濾波性；

d.正則性，函數(shù)光滑程度；

e.消失矩，頻域內(nèi)局部性。

基于實(shí)際工程應(yīng)用，表2給出了七種小波函數(shù)性能。

表2 七種小波函數(shù)性能對(duì)比

注：N表示濾波器的長(zhǎng)度，Nr和Nd是有關(guān)重構(gòu)和分解濾波器長(zhǎng)度的參數(shù)。

綜合以上因素，在電力系統(tǒng)諧波分析時(shí)，Daubechies效果最優(yōu)，相關(guān)文獻(xiàn)[19]已證明。

(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和理論正在不斷進(jìn)步,被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。被應(yīng)用到電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)中，具有精度比較高、實(shí)時(shí)性好、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法檢測(cè)整數(shù)次諧波精度較高,而用于檢測(cè)非整數(shù)次諧波的效果不理想。若將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FFT配合使用,非整數(shù)次諧波的檢測(cè)精度會(huì)明顯升高,為諧波治理問(wèn)題提供了很好的理論依據(jù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和FFT配合的諧波檢測(cè)過(guò)程：

a.初始值設(shè)置：隨機(jī)產(chǎn)生初始權(quán)向量，設(shè)定初始基波角頻率、采樣頻率等，確定恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)率；

b.信號(hào)估計(jì)：通過(guò)采用FFT加窗的方式得到整次諧波次數(shù)，從而得到隱層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)及其激勵(lì)函數(shù)；

c.由式x=xH+xL(xH為整次諧波分量，xL為非整次諧波分量)產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出向量x；

d.分別由誤差函數(shù)、性能指標(biāo)函數(shù)、計(jì)算誤差向量ε及能量誤差函數(shù)V的值；

e.根據(jù)梯速下降法，對(duì)電力系統(tǒng)電壓或電流信號(hào)中基波，各諧波的幅值、相位、頻率等進(jìn)行調(diào)整，更新權(quán)值向量及標(biāo)量；

f.如果V>ε，更新隱層神經(jīng)無(wú)激勵(lì)矩陣,然后回到第c步，否則，結(jié)束神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

綜上電力諧波檢測(cè)方法所述，表3給出了各檢測(cè)方法特性的對(duì)比分析結(jié)果，從表3中可清晰看到各檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的新能源場(chǎng)站，可選擇最優(yōu)的檢測(cè)分析方法。通過(guò)對(duì)比分析，也為進(jìn)一步改進(jìn)和完善新能源場(chǎng)站電力諧波的檢測(cè)方法提供有力支撐。

表3 五種電力諧波檢測(cè)方法對(duì)比分析

3 結(jié) 論

本文介紹了新能源場(chǎng)站存在的常見(jiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，著重介紹了電能質(zhì)量問(wèn)題的檢測(cè)分析方法。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，電力用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)到電能質(zhì)量問(wèn)題所在不僅對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，而且有利于國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。