基于HHT變換的微網(wǎng)電壓閃變與諧波檢測(cè)新技術(shù)

費(fèi)麗強(qiáng)，李鵬，李曉春，趙娜，葉飛

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024）

基于HHT變換的微網(wǎng)電壓閃變與諧波檢測(cè)新技術(shù)

費(fèi)麗強(qiáng)1，李鵬1，李曉春1，趙娜2，葉飛1

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024）

National Natural Science Foundation（50977029）。

隨著包括風(fēng)電、光伏等可再生能源和新型蓄能技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電（Distributed Generation,DG）日漸成為未來(lái)世界能源技術(shù)的重要發(fā)展方向[1]，而較小規(guī)模的分布式電源所形成的微網(wǎng)[2-3]整合DG的優(yōu)勢(shì)，削弱DG對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，充分發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)的效益和價(jià)值。微網(wǎng)運(yùn)行中，由于微電源如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)光資源、氣候、天氣等自然條件的影響，輸出功率具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，引起供電系統(tǒng)電壓和頻率的偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，直接影響到電力用戶的正常用電。而傳統(tǒng)的傅里葉變換不能滿足非平穩(wěn)信號(hào)與時(shí)頻分析的需要，實(shí)時(shí)性不夠好。小波變換雖然能將信號(hào)在不同尺度下進(jìn)行多分辨分解[4-6]，但是實(shí)際應(yīng)用中小波基的選擇并不唯一，造成分析效果不理想。

HHT（Hilbert-Huang transform）方法由美籍華人Norden E.Huang所提出來(lái)的一種全新的信號(hào)處理方法，該方法由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法EMD（empirical mode decomposition）和Hilbert變換2部分組成。通過(guò)EMD將任何復(fù)雜信號(hào)分解成有限個(gè)固有模式函數(shù)IMF（intrinsic mode function），再根據(jù)Hilbert變換求出每一個(gè)IMF的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值。

本文利用HHT變換方法，通過(guò)EMD分解及瞬時(shí)頻率實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)中電壓閃變、諧波等擾動(dòng)信號(hào)的提取及區(qū)分；通過(guò)時(shí)頻分析及Hilbert譜分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析。并仿真驗(yàn)證了該方法的簡(jiǎn)單、有效。

1 HHT方法

1.1 EMD方法的基本原理

EMD方法假設(shè)任何信號(hào)都由不同的IMF組成，每個(gè)IMF可以是線性的，也可以是非線性的，IMF分量必須滿足下面2個(gè)條件:

1）極值點(diǎn)個(gè)數(shù)和過(guò)零點(diǎn)數(shù)相同或最多相差一個(gè);

2）信號(hào)上任意一點(diǎn)，由局部極大值點(diǎn)和局部極小值點(diǎn)所確定的包絡(luò)線的均值均為0，即信號(hào)關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱。

圖1 HHT變換的原理框圖Fig.1 The block diagram of HHT transform

圖1為HHT變換的原理框圖，其EMD分解的具體過(guò)程如下。

先根據(jù)信號(hào)x（t）的極大點(diǎn)與極小點(diǎn)求出其上包絡(luò)δ1（t）及下包絡(luò)δ2（t）之平均值

然后求取x（t）與v1的差即為θ1，即

若θ1滿足上述IMF條件，則θ1就是x（t）的第1個(gè)IMF分量。若θ1不滿足IMF的條件，把θ1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)以上過(guò)程k次，得到θ1k=θ1（k-1）-v1k，利用SD的值判斷每次篩選結(jié)果是否為IMF分量

式中，SD的值通常取0.2～0.3。θ1k滿足SD的要求時(shí)，令α1=θ1k，且α1為信號(hào)x（t）的第1個(gè)IMF分量。將α1從x（t）中分離出來(lái)，得到

視r(shí)1（t）為新的x（t），重復(fù)以上過(guò)程，依次得到α2，α3，α4…，直到r（nt）基本呈單調(diào)趨勢(shì)或很小，可以視為測(cè)量誤差即可停止。于是EMD的分解結(jié)果為

因此，IMF分量分別包含了信號(hào)從高到低不同頻率成分，而rn（t）為殘差，表示信號(hào)的趨勢(shì)。

1.2 Hilbert變換

對(duì)EMD分解得到的IMF分量εi（t）進(jìn)行Hilbert變換為

1.3 Hilbert譜及邊際譜

對(duì)式（5）中的每個(gè)IMF分別作Hilbert變換后得

這里省略了殘差rn（t）。稱式（10）的展開(kāi)式為Hilbert譜

進(jìn)一步定義邊際譜為

式中，T為采樣時(shí)間長(zhǎng)度。

Hilbert譜能精確地描述信號(hào)的幅值在整個(gè)頻率段上隨頻率和時(shí)間變化的規(guī)律，是信號(hào)能量的一種完整的時(shí)-頻分布。Hilbert邊際譜描述了信號(hào)的幅值隨頻率變化而變化的規(guī)律。

2 微網(wǎng)中電壓閃變與諧波檢測(cè)

簡(jiǎn)單的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，微網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)PCC與主電網(wǎng)相連接，可控DG如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等均通過(guò)電力電子裝置連接至交流母線。微網(wǎng)有聯(lián)網(wǎng)和孤島2種典型運(yùn)行模式：正常情況下微網(wǎng)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)模式與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微網(wǎng)將以孤島模式運(yùn)行。

圖2 簡(jiǎn)單的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simple structure of microgrid

微網(wǎng)中大功率的分布式發(fā)電會(huì)導(dǎo)致本地電壓過(guò)高，而且通過(guò)電力電子器件連接會(huì)造成大量諧波干擾引入主電網(wǎng)。微網(wǎng)中的分布式發(fā)電技術(shù)如風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電，由于受自然條件不確定的約束，輸出功率不穩(wěn)定，引起電壓波動(dòng)，進(jìn)而引起電壓閃變，影響供電質(zhì)量。因此我們需要快速有效的檢測(cè)出微網(wǎng)中各種電能質(zhì)量擾動(dòng)的幅值、時(shí)刻及頻率。

2.1 微網(wǎng)中電壓閃變的檢測(cè)

現(xiàn)定義電壓閃變信號(hào)S（t）如下

式中，Vf（t）為包絡(luò)信號(hào)，具有波動(dòng)和閃變的特征，可以是單頻或多頻正弦信號(hào)的疊加；V0為電網(wǎng)電壓額定值；ω為工頻角頻率。

圖3為模擬電壓閃變信號(hào)，其表達(dá)式為

該信號(hào)由3個(gè)不同幅值、頻率的正弦信號(hào)疊加而成，基頻載波信號(hào)為10kV，頻率為50Hz的正弦信號(hào)。圖4是EMD分解后IMF分量及殘差，可以認(rèn)為imf1,imf2,imf3是經(jīng)過(guò)EMD分解后提取出來(lái)的閃變信號(hào)。從分解結(jié)果可知，EMD分解能夠有效的提取出輸出電壓中的閃變信號(hào)，且從殘差曲線可知，閃變信號(hào)的變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖3 電壓閃變信號(hào)S（t）Fig.3 Voltage flicker signal

圖4 EMD分解后的IMF分量及殘差Fig.4 The IMF components and residual of EMD decomposition

圖5、圖6是EMD分解后的IMF分量進(jìn)行Hilbert譜分析及邊際譜分析得到的結(jié)果。

圖5 Hilbert譜估計(jì)Fig.5 Hilbert spectrum estimation

圖6 Hilbert邊際譜分析Fig.6 Hilbert marginal spectrum analysis

由圖5可得，各IMF分量經(jīng)過(guò)Hilbert變換，得到的歸一化頻率能夠較好的分辨出電壓閃變信號(hào)中的擾動(dòng)分量的頻率。由圖6可以看到，在5Hz，10Hz，20Hz處有3個(gè)明顯的峰值點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)分量的頻率分解且相對(duì)幅值基本符合原始電壓閃變信號(hào)的擾動(dòng)大小。

2.2 微網(wǎng)中諧波的檢測(cè)

由于微網(wǎng)中分布式電源大量使用電力電子裝置，會(huì)引起諧波污染，其中低次諧波很難濾除。為了驗(yàn)證HHT方法的諧波檢測(cè)的快速有效性，現(xiàn)定義諧波失真信號(hào)的表達(dá)式如下

該信號(hào)由10kV，50Hz基波，2次諧波，3次諧波組成，其中采樣頻率為10kHz。圖7為諧波失真信號(hào)仿真圖。圖8為經(jīng)EMD分解得到的IMF分量x1及其瞬時(shí)頻率，從圖中可知，HHT可以精確地檢測(cè)出發(fā)生擾動(dòng)和終止時(shí)間分別為0.458s和0.634s。

圖7 諧波失真信號(hào)Fig.7 Harmonic distortion signal

圖8 EMD分解后的IMF分量及其瞬時(shí)頻率Fig.8 The IMF components and the instantaneous frequency of EMD decomposition

3 結(jié)論

1）考慮微網(wǎng)中分布式電源輸出功率不穩(wěn)定的特點(diǎn)，本文利用HHT方法對(duì)電壓閃變信號(hào)經(jīng)EMD分解，得到各IMF分量及殘差，有效的檢測(cè)出電壓閃變信號(hào)的成分；并通過(guò)對(duì)IMF分量進(jìn)行Hilbert譜分析和邊際譜分析，有效地檢測(cè)出電壓閃變信號(hào)的頻率和幅值。

2）考慮微網(wǎng)中分布式電源中含有大量的電力電子裝置，容易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，本文通過(guò)HHT變換對(duì)暫態(tài)諧波信號(hào)進(jìn)行EMD分解，并對(duì)得到的IMF第一分量求取瞬時(shí)頻率，精確地刻畫出諧波信號(hào)產(chǎn)生與終止的時(shí)間。

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A New Detection Technology of Voltage Flicker and Harmonics in Microgrid Based on HHT Transformation

FEI Li-qiang1,LIPeng1,LI Xiao-chun1,ZHAO Na2,YE Fei1
（1.State Key Laboratory of New Energy Power System,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei Province,China;2.Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China.）

Due to thei own characteristics of distributed resources and a large number of power electronic devices used in microgrid,voltage fluctuations,voltage flicker and harmonics and other power quality problems often occur,causing negative impactson powerusers.In thispaper,voltage flicker,harmonics and other disturbance signals are decomposed into IMF components by EMD of HHT transformation to obtain the corresponding IMF component and the Hilbert spectrum and marginal spectrum of the IMF component is analyzed.Simulation results show that by this method,the frequency and amplitude of voltage flicker and the generation and termination moment of harmonic signal in microgrid can be detected efficiently.

microgrid;HHT;voltage flicker;harmonics detection

微網(wǎng)中大規(guī)模的分布式電源由于其自身特點(diǎn)及大量電力電子設(shè)備的使用，容易引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)、電壓閃變及諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，影響電力用戶的供電要求。利用HHT（Hilbert-Huang transform）變換方法對(duì)微網(wǎng)中的電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了EMD分解，得到各IMF分量，通過(guò)對(duì)IMF分量進(jìn)行Hilbert譜分析和邊際譜分析。仿真結(jié)果表明，該方法能快速有效地檢測(cè)出微網(wǎng)中電壓閃變信號(hào)的頻率和幅值及諧波信號(hào)產(chǎn)生及終止的時(shí)刻。

微網(wǎng)；HHT；電壓閃變；諧波檢測(cè)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50977029）

1674-3814（2011）11-0009-04

TM732

B

2010-10-29。

費(fèi)麗強(qiáng)（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，微網(wǎng)技術(shù)與新能源并網(wǎng)發(fā)電；

李 鵬（1965—），男，博士，教授，IEEE Senior Member，主要研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)技術(shù)與新能源并網(wǎng)發(fā)電、電能質(zhì)量分析與控制、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

李曉春（1986—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，微網(wǎng)技術(shù)與新能源并網(wǎng)發(fā)電；

趙 娜（1986—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化；

葉 飛（1985—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制。

（編輯 董小兵）