李婉娉，李鵬,2，劉承佳，白寅凱

（1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北保定071003；2．華北電力大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州215123；3.內(nèi)蒙古北方龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特010020）

作為主電網(wǎng)的有效互補(bǔ)電網(wǎng)，微網(wǎng)把新能源及可再生能源發(fā)電有效地整合在一起，不僅能夠提高能源的利用效率，而且供電的可靠性和安全性也得到了保障。近年來(lái)，全球風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展，作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到各國(guó)的重視并得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。

風(fēng)力發(fā)電以風(fēng)作為動(dòng)力源，風(fēng)速和風(fēng)向具有隨機(jī)變動(dòng)的自然特性，且風(fēng)電機(jī)組本身不具有電能存儲(chǔ)的功能，因此風(fēng)電機(jī)組輸出的電能也是隨機(jī)變動(dòng)的。這種隨機(jī)的、隨風(fēng)速變動(dòng)的功率注入微網(wǎng)，將會(huì)對(duì)微網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響,如電壓波動(dòng)和閃變、諧波、電壓偏差等[1]。

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的增大，其并入微網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題必將越來(lái)越嚴(yán)重，在某些情況下電能質(zhì)量問(wèn)題將成為制約風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的主要因素。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析與檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)

由于微網(wǎng)具有分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）的各種優(yōu)點(diǎn)，并且克服了其在大電網(wǎng)故障時(shí)必須馬上退出運(yùn)行的缺陷[3]，目前已經(jīng)被世界各國(guó)政府所重視?，F(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)微網(wǎng)的定義尚未統(tǒng)一。美國(guó)電氣可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)（CERTS Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）給出的定義為：微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時(shí)提供電能和熱量；微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必需的控制；微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等要求[4]。

微網(wǎng)中的微電源多為帶有電力電子接口的小型發(fā)電機(jī)組。例如，太陽(yáng)能發(fā)電，微型燃?xì)廨啓C(jī)，風(fēng)電機(jī)組，小型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以及柴油發(fā)電機(jī)等[5]。圖1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入微網(wǎng)的簡(jiǎn)單示意圖。

圖中風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)電力電子接口與電網(wǎng)相連,SSB為固態(tài)短路器,PCC為微網(wǎng)的公共連接點(diǎn)。

圖1 微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig.1 The wind turbines in microgrid

2 風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量

電能質(zhì)量問(wèn)題可以劃分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括長(zhǎng)期電壓變化、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諧波等持久性的電壓或頻率變化。暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的主要表現(xiàn)形式有：脈沖暫態(tài)、振蕩暫態(tài)、電壓跌落、電壓凸起、電壓間斷等。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題己為人們所熟悉，我國(guó)在這方面也有多年的研究，與之相關(guān)的定義、指標(biāo)和監(jiān)測(cè)方法在國(guó)標(biāo)中有詳細(xì)規(guī)定[6-7]。

2.1 電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題

風(fēng)電機(jī)組在變動(dòng)的風(fēng)速作用下，其輸出功率具有變動(dòng)的特性，可能引起所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)（如并網(wǎng)點(diǎn)）的電壓波動(dòng)[8]。研究表明，0.05～35 Hz頻率范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)將引起人眼可覺(jué)察到的閃變問(wèn)題。電壓波動(dòng)值為電壓均方根值的極大值Umax與極小值Umin之差ΔU占額定電壓UN的百分比[9]，即

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的閃變大多是由大容量、沖擊性負(fù)荷造成的，而風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題歸根結(jié)底是由于風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)引起的[7-8]。

下面對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)和閃變進(jìn)行機(jī)理分析。

圖2為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖。其中U觶1為機(jī)組出口電壓相量，U觶2為微網(wǎng)電壓相量，R為線路電阻，X為線路電抗，S為線路上流動(dòng)的功率相量。

圖2 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit diagram of gridconnected wind turbines

圖3 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)等效向量圖Fig.3 The equivalent vector diagram of grid-connected wind turbines

式中，S觶=P+j Q?？傻?/p>

由于線路首末端相角δ較小，電壓降的橫分量可忽略不計(jì)，電壓降可近似用其縱分量來(lái)表示

由式（4）可知，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功和無(wú)功功率發(fā)生快速變化時(shí)，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，進(jìn)而引起閃變。

2.2 諧波問(wèn)題

在微網(wǎng)中，作為供電電源和用電設(shè)備間的非線性接口電路，所有電力電子裝置在實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換和控制的時(shí)候，都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流，使公共連接點(diǎn)（PCC）的電壓波形嚴(yán)重畸變，并產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾（EMI），對(duì)微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。

目前風(fēng)力發(fā)電大多采用直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)都屬于變速風(fēng)力機(jī)，均采用大容量的電力電子元件且在電網(wǎng)側(cè)都使用PWM逆變器進(jìn)行變流。變速風(fēng)電機(jī)組并入微網(wǎng)后，變流器將始終處于工作狀態(tài)，整流逆變就必然會(huì)帶來(lái)諧波污染,這些諧波電流注入微網(wǎng)中,會(huì)引起微網(wǎng)電壓的畸變,降低了電能質(zhì)量。運(yùn)用PWM開(kāi)關(guān)變流器和合理設(shè)計(jì)的濾波器能夠使諧波畸變最小化，甚至可以使諧波的影響忽略。但如果電力電子裝置的開(kāi)關(guān)頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問(wèn)題，諧波電流的大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，也就是與風(fēng)速大小有關(guān)。除此之外，如果風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器和線路電抗發(fā)生諧振，則會(huì)對(duì)諧波起嚴(yán)重放大作用[10-11]。

2.3 電壓偏差問(wèn)題

供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓Ur（kV）與系統(tǒng)額定電壓UN（kV）之差對(duì)系統(tǒng)額定電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差δU。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

電壓均方根值偏離額定值的現(xiàn)象稱為電壓變動(dòng)，但電壓偏差是僅僅針對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)而言的。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)組或負(fù)荷投切所引起的系統(tǒng)電壓偏差一般不大于10%，電壓偏差強(qiáng)調(diào)的是實(shí)際電壓偏差系統(tǒng)額定電壓的數(shù)值，與偏差持續(xù)的時(shí)間無(wú)關(guān)[1，11]。

微網(wǎng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)組的出力具有隨機(jī)性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著運(yùn)行方式的改變而改變，這些因素都將引起微網(wǎng)功率的不平衡。微網(wǎng)中無(wú)功功率不平衡時(shí)將會(huì)有大量無(wú)功功率流經(jīng)輸電線路，造成線路首末端電壓差。系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。

3 基于Hilbert-Huang變換的電壓偏差檢測(cè)

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入微網(wǎng)引發(fā)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與定位，是研究和治理電能質(zhì)量問(wèn)題的前提，將有助于微網(wǎng)電能質(zhì)量的提高。Hilbert-Huang變換方法是一種分析非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的新的信號(hào)處理方法。該方法可以從時(shí)域和頻域兩方面同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出突變、非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)間和幅值信息。近年來(lái)，許多學(xué)者將其應(yīng)用在電能質(zhì)量問(wèn)題的檢測(cè)中，并取得了較為理想的效果[12-15]。文獻(xiàn)[12]已經(jīng)提出采用Hilbert-Huang變換（HHT）方法對(duì)電壓波動(dòng)和閃變信號(hào)及諧波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在此，本文將該方法應(yīng)用在電壓偏差問(wèn)題的檢測(cè)上同樣取得了較好的效果。

3.1 HHT的基本原理

HHT是由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）及Hilbert變換（HT）2部分構(gòu)成的。對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)，先利用EMD方法對(duì)其進(jìn)行分解，從而得到一系列固有模態(tài)分量（IMF），然后對(duì)每一個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，求出其瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率。由于EMD分解的過(guò)程是根據(jù)信號(hào)自身的特點(diǎn)進(jìn)行的，因此其對(duì)信號(hào)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。經(jīng)過(guò)EMD分解后，信號(hào)可以由式（6）表示式中，ci為IMF分量；rn為殘余分量。當(dāng)rn為常數(shù)或者單調(diào)函數(shù)時(shí)，分解過(guò)程即可停止。用EMD方法提取出來(lái)的IMF分量必須滿足2個(gè)條件：1）其極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目必須相等或者最多相差一個(gè)；2）連接局部極大值點(diǎn)所形成的上包絡(luò)線和連接局部極小值點(diǎn)所形成的下包絡(luò)線的均值在任一點(diǎn)處為0。

對(duì)于IMF分量的Hilbert變換有如下定義。正變換

反變換

從而得到解析信號(hào)x（t）為

還可以表示為 x（t）=a（t）ejθ（t）

式中，a（t）為瞬時(shí)幅值；θ（t）為瞬時(shí)相位。

則對(duì)于IMF分量的瞬時(shí)頻率，可以按式（11）進(jìn)行計(jì)算

3.2 仿真驗(yàn)證

為了模擬風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的電壓偏差現(xiàn)象，我們搭建了電壓偏差擾動(dòng)模型，如式（12）所示。在以下仿真測(cè)試中，首先采用EMD方法提取電壓偏差信號(hào)的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量，然后再對(duì)所提取出來(lái)的IMF分量作Hilbert變換求其瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值。由于是仿真測(cè)試，在此沒(méi)有嚴(yán)格按照電壓偏差對(duì)于時(shí)間的定義，所得出的電壓波形如圖4所示。

式中，f=50 Hz。

用HHT對(duì)圖4的電壓偏差波形進(jìn)行檢測(cè)，取采樣頻率為10 000 Hz，擾動(dòng)發(fā)生和終止時(shí)刻的理論值分別是0.3 s和0.6 s，擾動(dòng)幅度為0.1。顯然，電壓偏差擾動(dòng)信號(hào)滿足IMF的2個(gè)條件，因此可以直接對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。在0.3 s和0.6 s這2個(gè)時(shí)刻，幅值發(fā)生了突變，下降幅度為0.1，與事先設(shè)定的電壓偏差擾動(dòng)模型的屬性一致，因此運(yùn)用HHT方法可以精確地檢測(cè)出電壓偏差擾動(dòng)波形的起止時(shí)刻和擾動(dòng)幅值。

圖4 風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)的電壓偏差擾動(dòng)波形Fig.4 The voltage deviation caused by the gridconnection of wind turbines

圖5 電壓偏差信號(hào)的HHT檢測(cè)結(jié)果Fig.5 The detection results of voltage deviation based on the HHT

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)引發(fā)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)分析可知風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)、風(fēng)電場(chǎng)電力電子裝置的介入以及風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間有功和無(wú)功的傳遞是風(fēng)電場(chǎng)引發(fā)這些電能質(zhì)量問(wèn)題的根本原因。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題，可以采用提高系統(tǒng)的電抗和無(wú)功補(bǔ)償?shù)却胧﹣?lái)改善電壓閃變和電壓波動(dòng)問(wèn)題,諧波問(wèn)題則通過(guò)采用多脈沖整流電路、APF來(lái)解決。但仍需進(jìn)一步研究和完善合理有效的電能質(zhì)量控制措施,以使微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,以最大限度地利用風(fēng)力資源。

針對(duì)電壓偏差問(wèn)題，本文提出采用Hilbert-Huang變換方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，仿真結(jié)果表明了該方法在檢測(cè)電壓偏差問(wèn)題的上有效性，為微網(wǎng)電能質(zhì)量的提高提供了一定的技術(shù)支持。

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