基于HHT變換的微網(wǎng)電壓閃變與諧波檢測新技術(shù)

費麗強，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)國家重點實驗室，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新技術(shù)

費麗強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)國家重點實驗室，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，削弱DG對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，充分發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)的效益和價值。微網(wǎng)運行中，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，輸出功率具有波動性、隨機性、間歇性的特點，引起供電系統(tǒng)電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變、諧波等電能質(zhì)量問題，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)信號與時頻分析的需要，實時性不夠好。小波變換雖然能將信號在不同尺度下進行多分辨分解[4-6]，但是實際應(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所提出來的一種全新的信號處理方法，該方法由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法EMD（empirical mode decomposition）和Hilbert變換2部分組成。通過EMD將任何復(fù)雜信號分解成有限個固有模式函數(shù)IMF（intrinsic mode function），再根據(jù)Hilbert變換求出每一個IMF的瞬時頻率和瞬時幅值。

本文利用HHT變換方法，通過EMD分解及瞬時頻率實現(xiàn)了微網(wǎng)中電壓閃變、諧波等擾動信號的提取及區(qū)分；通過時頻分析及Hilbert譜分析對信號進行了頻譜分析。并仿真驗證了該方法的簡單、有效。

1 HHT方法

1.1 EMD方法的基本原理

EMD方法假設(shè)任何信號都由不同的IMF組成，每個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個條件:

1）極值點個數(shù)和過零點數(shù)相同或最多相差一個;

2）信號上任意一點，由局部極大值點和局部極小值點所確定的包絡(luò)線的均值均為0，即信號關(guān)于時間軸局部對稱。

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分解的具體過程如下。

先根據(jù)信號x（t）的極大點與極小點求出其上包絡(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，令α1=θ1k，且α1為信號x（t）的第1個IMF分量。將α1從x（t）中分離出來，得到

視r1（t）為新的x（t），重復(fù)以上過程，依次得到α2，α3，α4…，直到r（nt）基本呈單調(diào)趨勢或很小，可以視為測量誤差即可停止。于是EMD的分解結(jié)果為

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

1.2 Hilbert變換

對EMD分解得到的IMF分量εi（t）進行Hilbert變換為

1.3 Hilbert譜及邊際譜

對式（5）中的每個IMF分別作Hilbert變換后得

這里省略了殘差rn（t）。稱式（10）的展開式為Hilbert譜

進一步定義邊際譜為

式中，T為采樣時間長度。

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

簡單的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，微網(wǎng)通過公共耦合點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種典型運行模式：正常情況下微網(wǎng)通過聯(lián)網(wǎng)模式與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行；當檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，微網(wǎng)將以孤島模式運行。

圖2 簡單的微網(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)電會導(dǎo)致本地電壓過高，而且通過電力電子器件連接會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，進而引起電壓閃變，影響供電質(zhì)量。因此我們需要快速有效的檢測出微網(wǎng)中各種電能質(zhì)量擾動的幅值、時刻及頻率。

2.1 微網(wǎng)中電壓閃變的檢測

現(xiàn)定義電壓閃變信號S（t）如下

式中，Vf（t）為包絡(luò)信號，具有波動和閃變的特征，可以是單頻或多頻正弦信號的疊加；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，其表達式為

該信號由3個不同幅值、頻率的正弦信號疊加而成，基頻載波信號為10kV，頻率為50Hz的正弦信號。圖4是EMD分解后IMF分量及殘差，可以認為imf1,imf2,imf3是經(jīng)過EMD分解后提取出來的閃變信號。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，且從殘差曲線可知，閃變信號的變化趨勢趨于平穩(wěn)。

圖3 電壓閃變信號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分量進行Hilbert譜分析及邊際譜分析得到的結(jié)果。

圖5 Hilbert譜估計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中的擾動分量的頻率。由圖6可以看到，在5Hz，10Hz，20Hz處有3個明顯的峰值點，成功實現(xiàn)了擾動分量的頻率分解且相對幅值基本符合原始電壓閃變信號的擾動大小。

2.2 微網(wǎng)中諧波的檢測

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

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

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

圖8 EMD分解后的IMF分量及其瞬時頻率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，本文利用HHT方法對電壓閃變信號經(jīng)EMD分解，得到各IMF分量及殘差，有效的檢測出電壓閃變信號的成分；并通過對IMF分量進行Hilbert譜分析和邊際譜分析，有效地檢測出電壓閃變信號的頻率和幅值。

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

[1]雷金勇，李戰(zhàn)鷹.分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統(tǒng)影響研究綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(4)：46-50.

LEI Jin-yong,LI Zhan-ying.Distributed Generation Power Systems Technology and its Impact on Research[J].Southern Power System Technology,2011,5(4):46-50(in Chinese).

[2]宋斌.基于Agent的微網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[J].電力科學(xué)與工程，2009，25(9)：22-25.

SONGBin.Agent-basedControlFrameworkforMicrogrid[J].Electric Power Science and Engineering,2009,25(9):22-25(in Chinese).

[3]劉暢，袁榮湘.微電網(wǎng)運行與發(fā)展研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(5)：43-47.

LIU Chang,YUAN Rong-xiang.Research on Microgrid Operation and Development[J].Southern Power System Technology,2010,4(5):43-47(in Chinese).

[4]程佳.小波分解和同步檢波法在電壓閃變檢測中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程，2007，23(3)：20-23.

CHENG Jia.Wavelet Transform and Synchronous Detection Method Applied in Detection of Voltage Flicker[J].Electric Power Science and Engineering,2007,23(3):20-23(in Chinese).

[5]蘇慧玲，王淳.基于小波分析和擬同步檢波的電壓閃變檢測方法[J].電力科學(xué)與工程，2008，24(2)：5-8.

SU Hui-ling,WANG Chun.Method for the Detection of Voltage FlickerBased on Waveletand Simulating Synchronous Detection[J].Electric Power Science and Engineering,2008,24(2):5-8(in Chinese).

[6]黃榮雄，吳杰康.基于小波變換的電力系統(tǒng)諧波頻率測量算法[J].電力科學(xué)與工程，2010，26(8)：14-18.

HUANG Rong-xiong,WU Jie-kang.Wavelet Transform Based Methods for Harmonic Frequency Estimation of Power System[J].Electric Power Science and Engineering,2010,26(8):14-18(in Chinese).

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及大量電力電子設(shè)備的使用，容易引起電網(wǎng)電壓波動、電壓閃變及諧波等電能質(zhì)量問題，影響電力用戶的供電要求。利用HHT（Hilbert-Huang transform）變換方法對微網(wǎng)中的電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量擾動信號進行了EMD分解，得到各IMF分量，通過對IMF分量進行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出微網(wǎng)中電壓閃變信號的頻率和幅值及諧波信號產(chǎn)生及終止的時刻。

微網(wǎng)；HHT；電壓閃變；諧波檢測

國家自然科學(xué)基金資助項目（50977029）

1674-3814（2011）11-0009-04

TM732

B

2010-10-29。

費麗強（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行、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，主要研究方向為微網(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，研究方向為電力系統(tǒng)運行、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，研究方向為工業(yè)自動化；

葉 飛（1985—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行、分析與控制。

（編輯 董小兵）