光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點電氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及電能質(zhì)量分析

摘 要：本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。受環(huán)境因素影響，其發(fā)電狀態(tài)不穩(wěn)定，因此，研究人員設(shè)計一套完整的并網(wǎng)點電氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)展示層，能全面采集、分析電力數(shù)據(jù)以及環(huán)境信息。相關(guān)研究人員采用小波分析法以及快速傅里葉變換，對電能質(zhì)量進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過這種方式深入了解光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響，并為后續(xù)的電能質(zhì)量評價提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)點電氣監(jiān)測系統(tǒng)；電能質(zhì)量分析

中圖分類號：TM 615" " " " " " " 文獻標志碼：A

提高電能質(zhì)量是供電系統(tǒng)管理的重要目標，隨著光伏發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，傳統(tǒng)電網(wǎng)受其影響，供電穩(wěn)定性有所下降。針對光伏并網(wǎng)點設(shè)置電氣監(jiān)測系統(tǒng)，掌握電力數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，再根據(jù)相關(guān)特征信息進行電能質(zhì)量分析，能夠為提高電能質(zhì)量提供依據(jù)，因此進行研究。

1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點電氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)可分為3層，數(shù)據(jù)采集層從傳感器、故障錄波系統(tǒng)獲取光伏電站的運行數(shù)據(jù)，處理層對數(shù)據(jù)進行分析，最后由展示層將數(shù)據(jù)以可視化的形式呈現(xiàn)出來。系統(tǒng)監(jiān)測對象包括光伏組件、箱變、光伏逆變器以及接入光伏系統(tǒng)的電網(wǎng)，通過電力線將以上設(shè)備的運行數(shù)據(jù)傳輸至電表，智能電表經(jīng)由RS485接口將數(shù)據(jù)上傳至光伏電站的智能監(jiān)測系統(tǒng)，與此同時，電站的環(huán)境監(jiān)測儀也將數(shù)據(jù)匯總至該系統(tǒng)。光伏電站智能監(jiān)測系統(tǒng)利用Wi-Fi或者4G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至管理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)展示。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層設(shè)計

1.2.1 信號采樣方式

光伏電站的運行數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，當信號采樣時，采樣設(shè)備以特定的頻率運行，因此只能采集一系列離散化的數(shù)據(jù)。信號采樣是連續(xù)時空信號向離散化信號轉(zhuǎn)變的過程。假設(shè)存在連續(xù)的時間信號Xa（t），其頻率在區(qū)間0～fm發(fā)生變化，按照周期T對該信號進行采樣，得到的采樣信號記為Pτ（t），并且滿足采樣間隔τlt;T。顯然，根據(jù)該采樣周期可計算采樣頻率fs=1/T。由于采樣時間不連續(xù)，因此得到的結(jié)果為一系列數(shù)據(jù)點，將采樣時間作為橫坐標，數(shù)據(jù)點作為縱坐標，可得到原信號的分布規(guī)律[1]。將采樣后得到數(shù)值序列記為xa（t），則有xa（t）=Xa（t）·Pτ（t）。根據(jù)現(xiàn)有的理論，當原信號最大頻率不超過采樣頻率的0.5倍時，即fmlt;0.5 fs，采樣結(jié)果對原信號的保真率將達到較高的水平。為了更真實地通過采樣信號反映出原信號的特征及變化規(guī)律，應(yīng)該使采樣間隔τ→0。如果采樣信號和原信號確實滿足條件fmlt;0.5 fs，那么采樣信號通常不會出現(xiàn)相互重疊的情況，否則容易出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致信號干擾。但采樣頻率無限趨近于0在實際操作中無法實現(xiàn)，最終仍然需要確定一個可量化的頻率數(shù)值，在工程實踐中，設(shè)置采樣頻率的上限和下限，分別記為fH、fL。這種采樣方式稱為帶通采樣[2]。

1.2.2 光伏支路和逆變器運行數(shù)據(jù)采集方法

由于光伏電站的布置形式存在差異，當歸納光伏支路和逆變器的運行數(shù)據(jù)采集方法時，應(yīng)結(jié)合具體的實例進行分析。某200 kW光伏電站共計792塊光伏板，分為12個組串、4個光伏陣列，逆變器數(shù)量為4個，每2個逆變器連接至1臺交流匯流箱，再經(jīng)過并網(wǎng)接入箱和升壓變壓器并入10 kV電網(wǎng)。該光伏電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較為簡單，數(shù)據(jù)采集器通過RS485接口獲得逆變器的運行數(shù)據(jù)。上位機通過4G網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)采集器上的數(shù)據(jù)，各光伏支路并未設(shè)置數(shù)據(jù)采集器。在光伏支路和逆變器數(shù)據(jù)采集中，可使用新型逆變器，因為新型逆變器自帶監(jiān)測功能，所以可通過RS485接口上傳逆變器側(cè)的功率、電壓及電流數(shù)據(jù)。例如，可采用SG50KTL-M型逆變器，其數(shù)據(jù)采集類型包括光伏組串的輸出電流、歷史發(fā)電量、每相交流輸出電壓、每相交流輸出功率以及運行頻率等。

1.2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集方法

1.2.3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)分類

環(huán)境數(shù)據(jù)類型多樣，包括太陽輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、光伏設(shè)備浸水情況、環(huán)境濕度、光伏組件積灰情況、特定時段內(nèi)的平均氣溫、特定時段內(nèi)的平均降水量、特定時段內(nèi)的平均日照小時數(shù)、云量等。這些環(huán)境數(shù)據(jù)是造成系統(tǒng)波動變化的重要原因，均可能影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。以平均日照小時數(shù)為例，該指標越大，說明光伏系統(tǒng)的發(fā)電時間越長，有利于提高發(fā)電量。例如，太陽的輻照度決定了能量密度，故而影響中光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率。

1.2.3.2 基于傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)采集

大部分環(huán)境數(shù)據(jù)獨立于發(fā)電設(shè)備，需要設(shè)置專門的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器，例如濕度傳感器和溫度傳感器，根據(jù)光伏發(fā)電的特點，可使用自動氣象站監(jiān)測、采集環(huán)境數(shù)據(jù)，這類氣象站是一種集成化的監(jiān)測設(shè)備，安裝多種類型的傳感器，以Growatt PH型自動氣象站為例，其主要的環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器類型見表1。

1.2.4 電氣數(shù)據(jù)采集方法

除了逆變器自帶的電氣監(jiān)測功能外，在整個光伏系統(tǒng)中，還需在其他節(jié)點設(shè)置電氣監(jiān)測裝置，以采集電氣數(shù)據(jù)。逆變器測量的數(shù)據(jù)為直流信息，并網(wǎng)接入箱需要接入升壓變壓器，是整個光伏系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點，在并網(wǎng)接入箱處設(shè)置霍爾電流傳感器，型號為NACF.200C-S5/V，該型傳感器的額定測量電流為200 A，可測量的電流幅值范圍在0～600A，測量帶寬為0～25 Hz，響應(yīng)時間不超過3 μs，測量誤差為額定電流的1%。

2 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點電能質(zhì)量分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

2.1.1 小波去噪

利用傳感器采集的數(shù)據(jù)有可能存在噪聲，進而干擾電能質(zhì)量分析的結(jié)果，因此需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除不符合要求的數(shù)據(jù)點，在該過程中可采用小波變換分析法。

2.1.1.1 小波變換分析法的實現(xiàn)原理

小波分析法建立在傅里葉分析法的基礎(chǔ)上，能夠綜合分析信號的時域特征和頻域特征，其實現(xiàn)原理如下。

假設(shè)存在1個實數(shù)域L2（R），其信號可分解為2種信號，分別為小波空間信號Wj和尺度空間信號Vj，二者之和即為該實數(shù)域。對Wj和Vj進行分解，可得到更低尺度的小波空間信號和尺度空間信號。信號hN屬于該實數(shù)域，按照該原理對其進行小波分解，可得到該信號的小波分解表達式，如公式（1）所示。

hN=hN-1+hN-2+...+hN-m+gN+gN-1+gN-2+...+gN-m " " （1）

式中：hN為屬于實數(shù)域L2（R）的一個光伏系統(tǒng)電氣信號；hN-m為信號hN經(jīng)過小波分解后的第m個尺度空間信號；gN-m為信號hN經(jīng)過小波分解后的第m個小波空間信號。經(jīng)過分解后，信號中的高頻分量和低頻分量被分離開，通常高頻分量屬于噪聲，低頻分量為信號中的有用部分[3]。在信號分離后，先將高頻分量剔除，剩余的低頻信號還需要進行重構(gòu)。小波分解已經(jīng)形成了較為成熟的算法模型，例如Mallat算法，如公式（2）所示[4]。

（2）

式中：將第j層小波分解的第n個尺度系數(shù)記cnj；第j層小波分解的第n個空間系數(shù)記為dnj；ckj+1為第j+1層小波分解的第k個尺度系數(shù)；dkj+1為第j+1層小波分解的第k個空間系數(shù)；hk-2n和gk-2n分別為第k-2n次小波分解的尺度空間信號和小波空間信號[4]；Z為整數(shù)集。

2.1.1.2 小波去噪的實施流程

小波分解是一種在信號處理、圖像處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的算法，其主要作用是將復(fù)雜的信號分解為多個簡單的小波系數(shù)，從而對信號進行降噪、特征提取等操作。在實際應(yīng)用中，小波分解去噪包括以下5個步驟。1）采集含噪信息。該步驟主要目的是獲取含有噪聲的信號，這類信號來自各種數(shù)據(jù)采集端，例如傳感器、試驗數(shù)據(jù)等。由于采集的信號中包括有用信號和噪聲信號，研究人員需要通過信號去噪分離噪聲信號。2）對采樣信號進行小波分解。小波分解可以將信號分解為多個層次，每層的小波系數(shù)都代表了信號在不同頻率范圍內(nèi)的信息。該步驟是信息去噪的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其原因在于不同頻率的小波系數(shù)，對噪聲的敏感程度不同，通過小波分解可以將噪聲從有用信號中分離。3）計算小波系數(shù)。該步驟主要是對采集的信號進行計算，得到小波分解后的系數(shù)。這些系數(shù)包括信號的頻率信息、有用信號的分布情況等內(nèi)容。4）判斷小波系數(shù)是否大于閾值。閾值用于判斷小波系數(shù)是否為有用信號。如果小波系數(shù)大于閾值，就說明該信號分量為原始信號，需要保留這些有用的系數(shù)，如果小波系數(shù)小于閾值，就說明該信號分量屬于噪聲信號，對其系數(shù)進行處理。通常情況下需要對這些小于閾值的小波系數(shù)進行歸零，從而消除噪聲，重構(gòu)后的信號中去除了大部分噪聲，使剩下的信號更接近原始信號。5）進行信號重構(gòu)，得到去噪后的信號。該步驟的只要作用是將處理過的小波系數(shù)重新組合，得到去噪后的信號。與原始信號相比，經(jīng)過重構(gòu)的信號中噪聲分量顯著減少，信號質(zhì)量得到提高。在實際應(yīng)用中，相關(guān)工作人員需要根據(jù)具體情況選擇合適的方法，并結(jié)合其他處理技術(shù)，以獲得更好的去噪效果。

2.1.2 核定小波變換參數(shù)

小波變換的參數(shù)能夠影響小波去噪的效果，同一類數(shù)據(jù)的小波參數(shù)不同，去噪效果將產(chǎn)生差異。鑒于此，應(yīng)該核定小波變換的參數(shù)，使其達到最佳的去噪效果。參數(shù)核定的方法為仿真試驗，仿真工具為MATLAB中的Simulink模塊，可利用該模塊搭建含有白噪聲的并網(wǎng)點電壓信號，在正常的原始信號中疊加白噪聲信號，進而測定最佳的小波去噪?yún)?shù)。信噪比SNR用于評價信號噪聲干擾的程度，該指標的計算方法為SNR=10×lg（P1/P2）；P1為信號的有效功率，P2為噪聲的有效功率。仿真過程需要選擇小波基函數(shù)和分解層數(shù)，小波基函數(shù)采用sym3，分解層數(shù)分別設(shè)置為1、2、3、4、5、6、7、8、9以及10，觀察去噪之后的信噪比，結(jié)果見表2。當信噪比越大時，降噪效果越好，從數(shù)據(jù)可知，當分解層數(shù)為7層時，降噪效果最佳。

2.2 電能質(zhì)量分析

2.2.1 電能質(zhì)量評價標準

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的電能質(zhì)量評價標準，例如《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》（GB/T 12325—2019）、《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》（GB/T 15543—2019），電能質(zhì)量的評價指標應(yīng)包括供電電壓偏差、電壓變動、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度以及系統(tǒng)頻率偏差。對于供電電壓偏差來說，當電壓等級≤10 kV時，電壓偏差應(yīng)控制在±7%，當電壓等級≥35 kV時，正負偏差絕對值之和≤10%。對于三相電壓不平衡度，正常允許值為2%，短時不超過4%。對于系統(tǒng)頻率偏差指標，正常允許值為±0.2 Hz，根據(jù)系統(tǒng)容量大小，可放寬至±0.5 Hz。

2.2.2 電能質(zhì)量分析方法

2.2.2.1 基于快速傅里葉變換的信號特征提取

快速傅里葉變換法（FFT）能夠?qū)⑦B續(xù)的時域和頻率信號轉(zhuǎn)化為離散的信號，并且整體計算量較小，能夠利用計算機輔助完成相應(yīng)的計算，其在電力工程信號分析中發(fā)揮了重要的作用。因此，利用FFT提取信號特征，進行信號分析。

2.2.2.2 電壓變動分析方法

電壓變動的評價指標為電壓變動的相對百分值，將該指標記為du，計算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：Ut1和Ut2為供電電壓持續(xù)1 s以上的2個相鄰周期的電壓均方根，電壓波動為二者之間的差值；UN為標稱電壓。利用FFT進行電壓波動分析的流程：采集電壓信號→獲得FFT離散電壓數(shù)值序列→計算Ut1和Ut2→有效值歸一化→計算指標du→累加相應(yīng)幅度的變動頻率數(shù)值→判斷統(tǒng)計周期是否達到1h→如果判斷結(jié)果為達到1h，則輸出電壓變動頻率r[5]。

2.2.2.3 電壓偏差分析方法

電壓偏差=（電壓測量值-系統(tǒng)標稱電壓）/系統(tǒng)標稱電壓×100%。利用FFT方法進行電壓偏差計算的流程如下：采樣電壓信號→利用FFT離散電壓信號，獲得離散數(shù)值序列→計算第i個時間窗口內(nèi)的電壓有效值→如果igt;2，求出3個電壓有效值的平均值→輸出電壓偏差數(shù)值[6]。

2.2.3 電能質(zhì)量仿真分析

2.2.3.1 仿真條件和方法

仿真過程同樣使用MATLAB軟件及其可視化模塊，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本參數(shù)見表3。

2.2.3.2 電壓變動仿真結(jié)果

利用MATLAB搭建電壓變動信號仿真模型，當頻率為10Hz時采集電壓信號，在一個整波周期內(nèi)，采樣點為200個。按照電壓變動的分析流程，獲得離散化數(shù)據(jù)，獲得電壓波動的頻率。整個仿真過程持續(xù)時長為0.4s。原電壓波形在0～0.2s較為穩(wěn)定，隨后產(chǎn)生明顯的波動。仿真模擬結(jié)果顯示：電壓變動幅度在4%以上的變動次數(shù)為2次；電壓變動幅度在2%～3%的變動次數(shù)為1次；電壓變動幅度在1.25%～2%的變動次數(shù)為4次；電壓變動幅度在3%～4%的變動次數(shù)為0次。

2.2.3.3 電壓偏差仿真結(jié)果

以表3所示的仿真模型為基礎(chǔ)，將直流側(cè)輸入電壓改為800V，并聯(lián)電容的初始電壓設(shè)置為400V，仿真時長為0.6s，采樣頻率設(shè)置為10kHz，由此可獲得6000個離散的交流電壓信號。該仿真模型的實際輸出電壓值為238.8V，利用FFT方法進行仿真計算，得到的輸出電壓為238.7087V，偏差為（238.7087-238.8）×100=-0.0382%。顯然，該電能質(zhì)量分析方法的計算結(jié)果與實際電壓的偏差非常微小，反映出該質(zhì)量評價方法的有效性。

3 結(jié)語

針對光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電導(dǎo)致電能質(zhì)量下降的問題，研究過程在并網(wǎng)點建立完善的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層以及數(shù)據(jù)展示層，能夠獲取天氣信息、環(huán)境信息和電氣信息，包括空氣濕度、空氣溫度、電壓、功率、平均降雨量以及平均氣溫等。在獲得數(shù)據(jù)后，利用小波分析法進行降噪，通過快速傅里葉分析提取離散化的數(shù)據(jù)序列，進而進行仿真評價，獲得電壓變動、電壓偏差、諧波和三相不平衡度等評價電能質(zhì)量的指標。經(jīng)過MATLAB仿真，該監(jiān)測系統(tǒng)可提供有效的數(shù)據(jù)，用于電能質(zhì)量分析。

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