新能源場站電能質量問題及檢測方法研究

苑軍軍，郭寶甫，馬紅偉，王衛星，鄧超然

(許繼集團有限公司, 河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，電力需求日趨緊張，在化石能源缺乏和環境污染嚴重的背景下，提高新能源發電在電力行業中占比和利用效率，形成大電網和新能源發電相結合的供電模式。由于新能源發電受環境氣候的影響較大，輸出功率不穩定，以及大量的電力電子設備被應用到并網過程，這些都將會引起新能源并網的電能質量問題。為提高新能源并網電能質量，保障電力系統的安全、經濟和可靠運行，實現高效清潔發電和安全穩定供應。本文詳細介紹了新能源場站中常見的電能質量問題及檢測方法[1-4]。

1 新能源場站常見電能質量問題

隨著新能源發電的迅速發展，新能源場站電能質量評估結果表明，電壓波動和閃變、電力諧波污染對電網電能質量的影響最為嚴重，本節詳細分析了其產生的主要原因。

1.1 電壓的波動和閃變

電力系統中電壓是由電網潮流分布決定的，所以電網中負載和注入功率的波動將會產生電壓的波動和閃變，故新能源接入配電網導致電網電壓波動和閃變的根本原因是新能源發電輸出功率的波動[4-5]。圖1為光伏發電功率波動時產生的電壓電流波動，圖中①為逆變器側A相電流、②為逆變器側A相1/2電流、③為400 V側AB電壓、④為400 V側BC電壓。

圖1 光伏發電功率波動產生的電壓波動波形圖

從圖1中可以明顯看出由于外界環境的變化導致400 V側電壓產生明顯的跌落，在輸出功率短時保持不變時，電流值有明顯增大。

引起新能源場站功率波動的因素很多，總結為以下幾個方面：

a.由新能源場站調度和運行控制造成的發電機組出力變動和開停機；

b.自然條件的變化。例如光照強度和溫度的變化影響光伏電池組件輸出功率的大小，風電機組的輸出功率受到風速、風向變化的影響；

c.投切補償電容器時產生對電壓的影響；

d. 采用最大功率追蹤控制發電機組的輸出功率隨外界環境的變化而變動，進而產生電壓的波動；

e. 新能源場站接入點多為中低壓配電網，其短路容量相對較小，輸出功率波動時產生電壓的變化較大。

1.2 電力諧波

新能源發電并網用到了大量的電力電子設備，在并網初期，電力電子設備可看成一個大的諧波源。

圖2為MATLAB仿真圖，仿真采用無限大電源作為電網，圖中上半部分為電壓基波波形，下半部分為電流諧波波形，對比可見，電力電子設備滿功率運行前產生了大量的諧波，滿功率運行后諧波含量減少。

圖2 新能源發電并網MATLAB仿真圖

電力電子設備產生的一系列的諧波分量對電網造成了嚴重的諧波污染，例如[6-9]：

a.風電機組通過軟并網裝置并網運行時，產生諧波電流；

b.太陽能電池通過逆變器接入交流電網，頻繁開通和關段的開關器件；

c.輸出高頻電壓的微型燃氣輪機等。

2 新能源場站電能質量檢測方法

2.1 電壓波動和閃變的檢測方法

人眼主觀感受到的電壓波動頻率在0.5～35 Hz，此范圍內的電壓波動頻率引起電壓閃變。目前國內對于單一頻率調制的正弦電壓波動信號普遍采用三種檢測方法，即有效值檢測法、整流檢測法和平方解調法。若采用此三種方法檢測時變的非正弦電壓波動信號，由于工頻幅值遠大于電壓波動幅值，將會產生較大的誤差[10,11]。

因此，下面介紹兩種近年來提出的檢測方法。

(1)零空間追蹤算法

采用零空間追蹤算法進行電壓波動和閃變檢測的流程如圖3所示。

圖3 零空間追蹤的電壓閃變檢測算法流程圖

基于微分算子的零空間追蹤算法：按序提取出電壓信號中的基波信號和諧波信號，再通過基波信號對剩余信號解調，最終采用微分算子零空間追蹤算法從解調后的信號中分析得到基波的包絡信號。

便于理解分析，本文給出含有一個電壓閃變頻率的信號模型：

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)為電壓包絡信號；cos(Ω0t)為頻率為Ω0的基波信號。

基于調幅調頻算子和微分算子的零空間追蹤算法，提出兩種閃變包絡提取方案，第一種，首先采用基于調幅調頻算子的零空間追蹤算法把基波調制信號提取出，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，最后，通過對剩余信號進行解調，完成基波包絡信號的提取；第二種，同時采用上述兩種算法提取出的信號成分包括基波信號和基波調制信號，然后基波信號解調基波調制信號，獲得基波包絡信號。

基于微分算子的零空間追蹤算法和基于調幅調頻算子的零空間追蹤算法分別在單分量正弦信號提取和調制信號完整性提取中表現出了各自的優勢，兩種算法皆可通過調整閾值參數來提高提取精度。

(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頻分析手段，它不僅克服了傅里葉變換不能針對時間反應頻率變換的缺陷，還克服了小波基函數窗口固化的缺點。

信號傅里葉變換可表示：

(2)

引入高斯窗函數：

(3)

對信號連續S變換為：

(4)

S變換的逆變換為：

(5)

式中，τ為kTs；f為n/NTs；N為采樣點數；Ts為采樣時間。

S變換的結果是一個矩陣，可以分解成相位矩陣和模矩陣。信號發生突變的起始和終止時間可以通過求模變化的導數的最大值來確定，電壓閃變檢測流程如圖4所示。

圖4 電壓閃變的檢測流程圖

2.2 電力諧波的檢測方法

在新能源發電并網中，會產生大量諧波，諧波檢測是諧波問題研究的一個重要環節。如今，應用廣泛的諧波檢測方法有：迭代平滑濾波法、瞬時無功功率理論法、傅里葉變換法、小波變換法、神經網絡法等[12-18]。

(1)迭代平滑濾波法

此方法主要運用了移頻原理和濾波原理，外加多次迭代濾波。其在新能源發電并網中諧波參數求取流程如圖5。

圖5 迭代平滑濾波法諧波參數求取流程圖

由圖5知，首先對含有第h次諧波的電力信號進行離散采樣，設置采樣參數。然后通過第h次諧波基準信號的采樣角差計算得到第h次諧波的采樣角差；通過第h次諧波基準信號與實際信號逐項相乘移頻后得到信號m，使用平滑濾波器對移頻后的信號m進行濾波得到信號n，最后通過平滑濾波器幅頻特性分析信號n的頻率成分可得到第h次諧波負頻率的角差，進而可以分析得到第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，在h=0時，求取的是基波頻率、基波幅值和基波相角。

(2)瞬時無功功率理論法

瞬時無功功率理論法是將三相電路中的瞬時電壓和電流利用矩陣變換到正交坐標中：

(6)

其中，

C變換=

(7)

通過這種矩陣變換就可以將第h次諧波在坐標系變換為直流分量，通過低通濾波器提取出直流分量，再對直流分量進行廣義坐標反變換，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方法之一，尤其是快速傅里葉變換法(fast Fourier transformation，FFT)的出現，使其在電力諧波檢測中得到更廣泛的應用。但是，由于FFT的實現通常要借助于高速數字信號處理器(DSP),會產生頻譜泄露效應和柵欄效應。為了降低這兩種效應帶來的誤差影響，通常采用加窗插值改進FFT方法。表1給出了四種窗函數的性能數據對比。

表1 四種窗函數性能數據對比

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-21dB，而Blackman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，它是對傅里葉變換方法的進一步研究，彌補了傅里葉變換方法不能顯示非穩態信號變化信息的不足。

小波函數的選取對電力系統諧波檢測分析至關重要，不同小波函數的諧波分析效果優劣顯著，本文給出了5個小波函數選取指標：

a.正交性，簡化數學分析；

b.緊支撐性，更好的局部時域特征；

c.對稱性，具有線性相位的濾波性；

d.正則性，函數光滑程度；

e.消失矩，頻域內局部性。

基于實際工程應用，表2給出了七種小波函數性能。

表2 七種小波函數性能對比

注：N表示濾波器的長度，Nr和Nd是有關重構和分解濾波器長度的參數。

綜合以上因素，在電力系統諧波分析時，Daubechies效果最優，相關文獻[19]已證明。

(5)神經網絡法

人工神經網絡算法和理論正在不斷進步,被廣泛應用到各個領域。被應用到電力系統諧波檢測中，具有精度比較高、實時性好、計算量小等優點。使用神經網絡算法檢測整數次諧波精度較高,而用于檢測非整數次諧波的效果不理想。若將神經網絡和FFT配合使用,非整數次諧波的檢測精度會明顯升高,為諧波治理問題提供了很好的理論依據。

神經網絡算法和FFT配合的諧波檢測過程：

a.初始值設置：隨機產生初始權向量，設定初始基波角頻率、采樣頻率等，確定恰當的學習率；

b.信號估計：通過采用FFT加窗的方式得到整次諧波次數，從而得到隱層神經元的個數及其激勵函數；

c.由式x=xH+xL(xH為整次諧波分量，xL為非整次諧波分量)產生神經網絡輸出向量x；

d.分別由誤差函數、性能指標函數、計算誤差向量ε及能量誤差函數V的值；

e.根據梯速下降法，對電力系統電壓或電流信號中基波，各諧波的幅值、相位、頻率等進行調整，更新權值向量及標量；

f.如果V>ε，更新隱層神經無激勵矩陣,然后回到第c步，否則，結束神經網絡訓練。

綜上電力諧波檢測方法所述，表3給出了各檢測方法特性的對比分析結果，從表3中可清晰看到各檢測方法的優點和不足，針對不同應用場景下的新能源場站，可選擇最優的檢測分析方法。通過對比分析，也為進一步改進和完善新能源場站電力諧波的檢測方法提供有力支撐。

表3 五種電力諧波檢測方法對比分析

3 結 論

本文介紹了新能源場站存在的常見電能質量問題，并對問題產生的原因進行了簡要分析，著重介紹了電能質量問題的檢測分析方法。隨著現代科技的迅速發展，電力用戶對電能質量的要求越來越高，準確、快速地檢測到電能質量問題所在不僅對電網和設備的安全穩定運行具有重要意義，而且有利于國民經濟快速發展。