智能電網(wǎng)新能源接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)遼寧省阜新供電公司 李潘星

近年來(lái)，我國(guó)新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大規(guī)模的可再生能源接入電網(wǎng)，對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)提出了新的要求。

首先，隨著可再生能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，可再生能源發(fā)電逐漸成為我國(guó)電網(wǎng)中的主力電源之一，新能源并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量帶來(lái)了較大影響。

其次，由于智能電網(wǎng)中大規(guī)模的風(fēng)電、光伏等可再生能源接入電網(wǎng)后，其波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性特征更為明顯，將對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成沖擊。

最后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型電力電子技術(shù)和通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其動(dòng)態(tài)特性顯著改變了電力系統(tǒng)運(yùn)行的傳統(tǒng)模式。新能源的大規(guī)模接入，對(duì)電能質(zhì)量帶來(lái)了新的影響，如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)分析大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)后的電能質(zhì)量問(wèn)題，成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要課題之一。本文以某公司為例，對(duì)智能電網(wǎng)新能源接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)展開(kāi)研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于可再生能源發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)也成為研究熱點(diǎn)。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提出了一種基于動(dòng)態(tài)諧波分析的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法。該方法首先利用小波變換對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行分解，得到高頻部分和低頻部分，然后對(duì)低頻部分進(jìn)行奇異值分解得到特征值，最后根據(jù)特征值確定諧波類型。該方法利用小波變換對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電壓擾動(dòng)和諧波分析。

德國(guó)西門(mén)子公司提出了一種基于小波變換的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析方法，該方法首先將電力系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行小波分解，然后對(duì)分解后的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)，最后采用FFT 變換得到各個(gè)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析。

國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員不斷探索新的方法，取得了一系列的研究成果。國(guó)網(wǎng)北京市電力公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司、國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司等單位，一直致力于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)的研究，并在不同的領(lǐng)域取得了較好的成果[1]。

中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司提出了基于小波分析的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析方法，該方法首先對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行小波變換，然后利用小波變換對(duì)不同頻率處的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，從而得到信號(hào)的時(shí)頻分布，最后利用FFT 變換得到信號(hào)的時(shí)域參數(shù)。該方法利用小波變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓擾動(dòng)和諧波的監(jiān)測(cè)與分析，且具有較好的抗噪能力。

綜上所述，隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，新能源的不斷接入，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)已無(wú)法滿足新能源接入電網(wǎng)后對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析的需求，因此亟須引入新的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)。

2 新能源接入對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

2.1 新能源并網(wǎng)對(duì)于饋線穩(wěn)態(tài)電壓影響

對(duì)于電網(wǎng)而言，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中的電壓會(huì)保持在某一點(diǎn)，而如果電源突然斷電，或者負(fù)載發(fā)生變化等情況，系統(tǒng)中的電壓就會(huì)發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)分布式電源接入后，系統(tǒng)的電壓將會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)[2]。在并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，電網(wǎng)中的潮流會(huì)出現(xiàn)反向流動(dòng)現(xiàn)象，使得系統(tǒng)中的電壓越來(lái)越低。當(dāng)分布式電源接入后，在發(fā)電機(jī)、負(fù)載等不平衡情況下，系統(tǒng)中的電壓將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)分布式電源接入容量較小時(shí)，電壓波動(dòng)幅度相對(duì)較??；當(dāng)分布式電源接入容量較大時(shí)，電壓波動(dòng)幅度將會(huì)增大。

在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，分布式電源的接入容量越大，系統(tǒng)中的電壓就會(huì)越低，此時(shí)系統(tǒng)中的電壓將會(huì)越來(lái)越高。因此，當(dāng)分布式電源接入容量較小時(shí)，系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)幅度較小，而當(dāng)分布式電源接入容量較大時(shí)，系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)幅度將會(huì)增大。

另外，由于分布式電源接入容量較小，系統(tǒng)中的負(fù)荷對(duì)分布式電源的變化響應(yīng)較慢，因此分布式電源并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)中的負(fù)荷并不會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化。而當(dāng)分布式電源接入容量較大時(shí)，系統(tǒng)中的負(fù)荷將會(huì)發(fā)生快速變化。當(dāng)分布式電源接入容量較大時(shí)，系統(tǒng)中的負(fù)荷將會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化，使得系統(tǒng)中的負(fù)荷快速變化。而負(fù)荷變化速度越快，系統(tǒng)中電壓波動(dòng)幅度將會(huì)越大。

總之，分布式電源接入電網(wǎng)后，將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓發(fā)生較大波動(dòng)，而當(dāng)分布式電源接入容量較大時(shí)，將會(huì)引起電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)幅度增大[3]。

2.2 新能源引起的電網(wǎng)頻率變化

新能源接入后，由于并網(wǎng)后電網(wǎng)的慣量較低，所以當(dāng)新能源發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)后，將會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)頻率與新能源發(fā)電頻率不匹配的問(wèn)題。

新能源并網(wǎng)后，電網(wǎng)頻率的變化主要由兩方面決定：一是由本公司并網(wǎng)設(shè)備自身特性決定的，當(dāng)并網(wǎng)設(shè)備功率與電力系統(tǒng)總功率發(fā)生較大偏差時(shí)，并網(wǎng)設(shè)備會(huì)出現(xiàn)振蕩；二是由于某公司電力系統(tǒng)中各元件的慣性時(shí)間常數(shù)不一致，所以當(dāng)電力系統(tǒng)中的某一元件發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于慣性作用，會(huì)出現(xiàn)較大的振蕩。

當(dāng)新能源接入電網(wǎng)后，由于其出力的波動(dòng)性，將會(huì)導(dǎo)致公司電網(wǎng)的頻率產(chǎn)生波動(dòng)，所以電網(wǎng)頻率與新能源發(fā)電頻率不匹配[4]。當(dāng)新能源接入電網(wǎng)時(shí)，將會(huì)影響公司電網(wǎng)的慣性時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而使電網(wǎng)的頻率發(fā)生變化。由于電力系統(tǒng)中各元件慣性時(shí)間常數(shù)的不同，所以當(dāng)新能源接入電網(wǎng)時(shí)，由于其出力的波動(dòng)性以及出力的隨機(jī)性，將會(huì)使得電力系統(tǒng)中各元件慣性時(shí)間常數(shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)中各元件產(chǎn)生較大的振蕩。

2.3 新能源并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生孤島問(wèn)題

分布式電源是指能就近就地供電，能根據(jù)需要向負(fù)荷供電，不需要并網(wǎng)升壓變壓器，以減少對(duì)電網(wǎng)的干擾和對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于分布式電源并網(wǎng)后會(huì)降低電力系統(tǒng)頻率、電壓、頻率的穩(wěn)定性，使電網(wǎng)失去了對(duì)分布式電源的控制能力，即孤島效應(yīng)。

孤島效應(yīng)是指當(dāng)一個(gè)分布式電源與電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，由于電網(wǎng)本身缺乏足夠的信息和控制能力，無(wú)法保證分布式電源可靠地向用戶供電。同時(shí)，在接入了新能源后，其功率輸出受到限制，并網(wǎng)系統(tǒng)喪失了對(duì)分布式電源的控制能力和穩(wěn)定性，進(jìn)而失去了與大電網(wǎng)之間的聯(lián)系和配合。

在智能電網(wǎng)中，孤島效應(yīng)將會(huì)造成一系列的影響。首先，分布式電源并網(wǎng)后將會(huì)出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰；其次，在新能源接入電網(wǎng)后，由于其功率輸出特性變化較大，如發(fā)電時(shí)有功功率波動(dòng)較大，而用電時(shí)則無(wú)功功率變化較大，使得電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；最后，在孤島條件下，若電網(wǎng)電壓的恢復(fù)速度慢于分布式電源的恢復(fù)速度，則會(huì)造成電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3 智能電網(wǎng)技術(shù)框架下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)

3.1 智能電網(wǎng)技術(shù)框架下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法

傅里葉變換是對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，通過(guò)計(jì)算頻率域的幅值和相位來(lái)獲取信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。其是一種通用的時(shí)域分析方法，以信號(hào)時(shí)間序列為研究對(duì)象，可快速得到信號(hào)的瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)相位等，但該方法具有頻域特性，對(duì)噪聲敏感，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。傅里葉變換對(duì)信號(hào)的頻率、幅值和相位進(jìn)行了準(zhǔn)確的計(jì)算，但不能獲得信號(hào)的周期。在某公司應(yīng)用中，由于周期性信號(hào)的頻率一般都是穩(wěn)定不變的，因此利用傅里葉變換無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性信號(hào)的分析。

小波變換法是智能電網(wǎng)技術(shù)框架下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析的新方法，其通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，將信號(hào)分解為多個(gè)頻段，再分別提取各頻段的特征信息，從而達(dá)到電能質(zhì)量分析的目的。小波變換法具有良好的時(shí)頻特性和局部特性，能夠在一定程度上提高電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的精度[5]。通過(guò)小波變換法，某公司可以將信號(hào)中的各種噪聲以及高頻噪聲濾除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的檢測(cè)和分析。

小波變換法可以對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分解，由于在實(shí)際應(yīng)用中信號(hào)在不同頻段上存在著不同程度的諧波和噪聲，某公司通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析就可以提取出有用的信息。

3.2 智能電網(wǎng)框架下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能及配置

3.2.1 智能儀表完成電能質(zhì)量的功能

智能儀表通過(guò)與用戶終端之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶終端電能質(zhì)量參數(shù)的采集、監(jiān)控、記錄、計(jì)算、分析、評(píng)估和管理。在智能電網(wǎng)框架下，智能儀表除了滿足基本電能質(zhì)量的檢測(cè)和分析外，還應(yīng)具有如下功能：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能。包括對(duì)電壓偏差、頻率偏差等電能質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)測(cè)量；電能質(zhì)量分析功能。包括對(duì)電壓波動(dòng)與閃變、諧波分析和波形失真的監(jiān)測(cè)；電能質(zhì)量管理功能。包括用戶側(cè)電能質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，對(duì)電壓偏移和三相電壓不平衡度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析；電能質(zhì)量管理功能。包括對(duì)電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)用戶側(cè)電能質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和分析。

3.2.2 新能源接入系統(tǒng)電能質(zhì)量的功能要求和配置

新能源接入系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題主要是指，在新能源接入過(guò)程中產(chǎn)生的諧波、三相不平衡、電壓暫降等，這些都是由于新能源接入系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響，需要在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種手段加以改善。

諧波。主要指由電網(wǎng)中不平衡的三相電壓、電流產(chǎn)生的諧波。對(duì)于諧波一般可通過(guò)加裝濾波裝置和補(bǔ)償裝置來(lái)減少諧波含量，但由于電網(wǎng)中存在大量非線性負(fù)載，在加入濾波裝置之后，仍然會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。此外，對(duì)于新能源發(fā)電系統(tǒng)，由于其接入容量相對(duì)較小，在系統(tǒng)中引入的諧波含量相對(duì)較少。

電壓暫降。主要是指由電網(wǎng)電壓突然下降而引起的電能質(zhì)量問(wèn)題。在電力系統(tǒng)中，電壓暫降一般會(huì)影響到電壓互感器、低壓斷路器等設(shè)備的正常工作，且電壓暫降情況較為嚴(yán)重時(shí)可能造成繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

三相不平衡。主要是指電網(wǎng)中各相電壓或電流不平衡（包括相位差、幅值差等），一般是由于設(shè)備安裝和設(shè)計(jì)不良引起的。在電網(wǎng)中存在大量非線性負(fù)載時(shí)，三相不平衡將導(dǎo)致電壓或電流嚴(yán)重畸變。

電壓波動(dòng)。由于新能源發(fā)電系統(tǒng)的特性及用戶負(fù)荷特性等原因，電網(wǎng)中存在一定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)這種電壓波動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生在配電網(wǎng)時(shí)，將會(huì)引起配電網(wǎng)中的電抗器發(fā)生閃變現(xiàn)象或引起自動(dòng)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在智能電網(wǎng)技術(shù)框架下，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析方法也得到了極大的發(fā)展，但是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前仍存在一些問(wèn)題，本文對(duì)某公司智能電網(wǎng)新能源接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)一些檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹，這些方法雖然在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定的效果，但也存在一定的不足，在公司發(fā)展中仍須進(jìn)一步完善。

智能電網(wǎng)的構(gòu)建，為新能源接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析技術(shù)提供了較好的應(yīng)用前景，通過(guò)對(duì)各類電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)，基于小波變換法的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)具有更好的應(yīng)用價(jià)值，在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，既可以保留信號(hào)本身的特征信息，也能夠有效地降低噪聲的干擾，提高數(shù)據(jù)處理速度，避免信號(hào)受到干擾。

因此，在對(duì)新能源接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)，應(yīng)充分利用小波變換法進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析技術(shù)研究，同時(shí)結(jié)合智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用背景，選擇合適的檢測(cè)方法和分析方法進(jìn)行電能質(zhì)量分析，以提高電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)水平。