風力發電并入微網電能質量分析與檢測

李婉娉，李鵬,2，劉承佳，白寅凱

（1.新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），河北保定071003；2．華北電力大學蘇州研究院，江蘇蘇州215123；3.內蒙古北方龍源風力發電有限責任公司，內蒙古呼和浩特010020）

作為主電網的有效互補電網，微網把新能源及可再生能源發電有效地整合在一起，不僅能夠提高能源的利用效率，而且供電的可靠性和安全性也得到了保障。近年來，全球風力發電迅猛發展，作為技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的可再生能源發電方式之一，風力發電越來越受到各國的重視并得到了廣泛的開發和利用。

風力發電以風作為動力源，風速和風向具有隨機變動的自然特性，且風電機組本身不具有電能存儲的功能，因此風電機組輸出的電能也是隨機變動的。這種隨機的、隨風速變動的功率注入微網，將會對微網的電能質量造成影響,如電壓波動和閃變、諧波、電壓偏差等[1]。

隨著風力發電規模的增大，其并入微網引起的電能質量問題必將越來越嚴重，在某些情況下電能質量問題將成為制約風電機組裝機容量的主要因素。因此，對風力發電并入微網引起的電能質量問題進行分析與檢測具有重要的現實意義[2]。

1 微網中的風力發電機

由于微網具有分布式發電（Distributed Generation，DG）的各種優點，并且克服了其在大電網故障時必須馬上退出運行的缺陷[3]，目前已經被世界各國政府所重視?，F在，國際上對微網的定義尚未統一。美國電氣可靠性技術協會（CERTS Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）給出的定義為：微網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量；微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必需的控制；微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等要求[4]。

微網中的微電源多為帶有電力電子接口的小型發電機組。例如，太陽能發電，微型燃氣輪機，風電機組，小型熱電聯產機組以及柴油發電機等[5]。圖1為風力發電機組并入微網的簡單示意圖。

圖中風力發電機通過電力電子接口與電網相連,SSB為固態短路器,PCC為微網的公共連接點。

圖1 微網中的風力發電機Fig.1 The wind turbines in microgrid

2 風電并網的電能質量

電能質量問題可以劃分為穩態電能質量問題和暫態電能質量問題。穩態電能質量問題主要包括長期電壓變化、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波等持久性的電壓或頻率變化。暫態電能質量問題的主要表現形式有：脈沖暫態、振蕩暫態、電壓跌落、電壓凸起、電壓間斷等。穩態電能質量問題己為人們所熟悉，我國在這方面也有多年的研究，與之相關的定義、指標和監測方法在國標中有詳細規定[6-7]。

2.1 電壓波動和閃變問題

風電機組在變動的風速作用下，其輸出功率具有變動的特性，可能引起所接入系統的某些節點（如并網點）的電壓波動[8]。研究表明，0.05～35 Hz頻率范圍內的電壓波動將引起人眼可覺察到的閃變問題。電壓波動值為電壓均方根值的極大值Umax與極小值Umin之差ΔU占額定電壓UN的百分比[9]，即

傳統電力系統中的閃變大多是由大容量、沖擊性負荷造成的，而風電機組引起的電壓波動和閃變問題歸根結底是由于風電機組輸出功率的波動引起的[7-8]。

下面對風電機組輸出功率波動引起的電壓波動和閃變進行機理分析。

圖2為風電機組并網示意圖。其中U觶1為機組出口電壓相量，U觶2為微網電壓相量，R為線路電阻，X為線路電抗，S為線路上流動的功率相量。

圖2 風電機組并網等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit diagram of gridconnected wind turbines

圖3 風電機組并網等效向量圖Fig.3 The equivalent vector diagram of grid-connected wind turbines

式中，S觶=P+j Q?？傻?/p>

由于線路首末端相角δ較小，電壓降的橫分量可忽略不計，電壓降可近似用其縱分量來表示

由式（4）可知，當風電機組輸出的有功和無功功率發生快速變化時，會引起電網電壓的波動，進而引起閃變。

2.2 諧波問題

在微網中，作為供電電源和用電設備間的非線性接口電路，所有電力電子裝置在實現功率轉換和控制的時候，都不可避免地產生非正弦波形，向電力系統注入諧波電流，使公共連接點（PCC）的電壓波形嚴重畸變，并產生很強的電磁干擾（EMI），對微網的安全穩定運行構成了潛在的威脅。

目前風力發電大多采用直驅永磁同步風力發電機和雙饋異步風力發電機，這2種風力發電機都屬于變速風力機，均采用大容量的電力電子元件且在電網側都使用PWM逆變器進行變流。變速風電機組并入微網后，變流器將始終處于工作狀態，整流逆變就必然會帶來諧波污染,這些諧波電流注入微網中,會引起微網電壓的畸變,降低了電能質量。運用PWM開關變流器和合理設計的濾波器能夠使諧波畸變最小化，甚至可以使諧波的影響忽略。但如果電力電子裝置的開關頻率恰好在產生諧波的范圍內，則會產生很嚴重的諧波問題，諧波電流的大小與輸出功率基本呈線性關系，也就是與風速大小有關。除此之外，如果風機的并聯補償電容器和線路電抗發生諧振，則會對諧波起嚴重放大作用[10-11]。

2.3 電壓偏差問題

供電系統在正常運行方式下，某一節點的實際電壓Ur（kV）與系統額定電壓UN（kV）之差對系統額定電壓的百分數稱為該節點的電壓偏差δU。其數學表達式為

電壓均方根值偏離額定值的現象稱為電壓變動，但電壓偏差是僅僅針對電力系統正常運行狀態而言的。電力系統在正常運行狀態下，機組或負荷投切所引起的系統電壓偏差一般不大于10%，電壓偏差強調的是實際電壓偏差系統額定電壓的數值，與偏差持續的時間無關[1，11]。

微網中的負荷以及發電機組的出力具有隨機性，網絡結構隨著運行方式的改變而改變，這些因素都將引起微網功率的不平衡。微網中無功功率不平衡時將會有大量無功功率流經輸電線路，造成線路首末端電壓差。系統無功功率不平衡是引起系統電壓偏差的根本原因。

3 基于Hilbert-Huang變換的電壓偏差檢測

對風力發電機并入微網引發的電能質量問題進行實時的檢測與定位，是研究和治理電能質量問題的前提，將有助于微網電能質量的提高。Hilbert-Huang變換方法是一種分析非平穩、非線性信號的新的信號處理方法。該方法可以從時域和頻域兩方面同時對信號進行分析，能夠準確檢測出突變、非平穩信號的時間和幅值信息。近年來，許多學者將其應用在電能質量問題的檢測中，并取得了較為理想的效果[12-15]。文獻[12]已經提出采用Hilbert-Huang變換（HHT）方法對電壓波動和閃變信號及諧波信號進行檢測。在此，本文將該方法應用在電壓偏差問題的檢測上同樣取得了較好的效果。

3.1 HHT的基本原理

HHT是由經驗模態分解（EMD）及Hilbert變換（HT）2部分構成的。對于一個給定的信號，先利用EMD方法對其進行分解，從而得到一系列固有模態分量（IMF），然后對每一個IMF分量進行Hilbert變換，求出其瞬時幅值和瞬時頻率。由于EMD分解的過程是根據信號自身的特點進行的，因此其對信號具有很強的自適應性。經過EMD分解后，信號可以由式（6）表示式中，ci為IMF分量；rn為殘余分量。當rn為常數或者單調函數時，分解過程即可停止。用EMD方法提取出來的IMF分量必須滿足2個條件：1）其極值點和過零點的數目必須相等或者最多相差一個；2）連接局部極大值點所形成的上包絡線和連接局部極小值點所形成的下包絡線的均值在任一點處為0。

對于IMF分量的Hilbert變換有如下定義。正變換

反變換

從而得到解析信號x（t）為

還可以表示為 x（t）=a（t）ejθ（t）

式中，a（t）為瞬時幅值；θ（t）為瞬時相位。

則對于IMF分量的瞬時頻率，可以按式（11）進行計算

3.2 仿真驗證

為了模擬風電并網產生的電壓偏差現象，我們搭建了電壓偏差擾動模型，如式（12）所示。在以下仿真測試中，首先采用EMD方法提取電壓偏差信號的固有模態函數（IMF）分量，然后再對所提取出來的IMF分量作Hilbert變換求其瞬時頻率和瞬時幅值。由于是仿真測試，在此沒有嚴格按照電壓偏差對于時間的定義，所得出的電壓波形如圖4所示。

式中，f=50 Hz。

用HHT對圖4的電壓偏差波形進行檢測，取采樣頻率為10 000 Hz，擾動發生和終止時刻的理論值分別是0.3 s和0.6 s，擾動幅度為0.1。顯然，電壓偏差擾動信號滿足IMF的2個條件，因此可以直接對其進行Hilbert變換，得到的檢測結果如圖5所示。在0.3 s和0.6 s這2個時刻，幅值發生了突變，下降幅度為0.1，與事先設定的電壓偏差擾動模型的屬性一致，因此運用HHT方法可以精確地檢測出電壓偏差擾動波形的起止時刻和擾動幅值。

圖4 風力發電并入微網的電壓偏差擾動波形Fig.4 The voltage deviation caused by the gridconnection of wind turbines

圖5 電壓偏差信號的HHT檢測結果Fig.5 The detection results of voltage deviation based on the HHT

4 結語

本文首先對風力發電并入微網引發的電能質量問題進行分析。通過分析可知風電場輸出功率波動、風電場電力電子裝置的介入以及風電場與電網之間有功和無功的傳遞是風電場引發這些電能質量問題的根本原因。對于風電場并網產生的電能質量問題，可以采用提高系統的電抗和無功補償等措施來改善電壓閃變和電壓波動問題,諧波問題則通過采用多脈沖整流電路、APF來解決。但仍需進一步研究和完善合理有效的電能質量控制措施,以使微網穩定運行,以最大限度地利用風力資源。

針對電壓偏差問題，本文提出采用Hilbert-Huang變換方法對其進行檢測，仿真結果表明了該方法在檢測電壓偏差問題的上有效性，為微網電能質量的提高提供了一定的技術支持。

[1] 雷亞洲．與風電并網相關的研究課題[J]．電力系統自動化，2003，27(8)：84-89．LEI Ya-zhou.Studies on wind farm integration into power system[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(8):84-89(in Chinese).

[2] 王純琦．大型風力發電場接入電網電能質量問題研究[D]．烏魯木齊：新疆大學,2007．

[3] 雷金勇，李戰鷹，盧澤漢，等.分布式發電技術及其對電力系統影響研究綜述[J].南方電網技術，2011，5(4)：46-50．LEI Jin-yong，LI Zhan-ying，LU Ze-han，et al．Review on the research of distributed generation technology and its impacts on electric power systems[J]．South Power System Technology，2011，5(4)：46-50(in Chinese)．

[4] 魯宗相，王彩霞，閔勇，等．微電網研究綜述[J]．電力系統自動化，2007，31(19)：100-106．Lu Zhong-xiang，Wang Cai-xia，Min Yong，et al．Overview on microgrid research[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31(19)：100-106(in Chinese).

[5] LASSETER RH,AKHIL A,MARNAY C,et al.Integration of distributed energy resources:the CERTS microgrid concept[R].USA:Consortiumfor Electric Reliability Technology Solutions,2002.

[6] 林海雪．現代電能質量的基本問題[J]．電網技術，2003,23（10）：1-4．LIN Hai-xue.Main problems of modern power quality[J].Power System Technology,2003,23（10）：1-4(in Chinese).

[7] 林海雪．電力系統電壓波動和閃變標準介紹[J]．電網技術，2011,31（11）:1-6．LIN Hai-xue.On the standard of voltage fluctuation and flicker in power system[J].Power System Technology,2011,31（11）:1-6(in Chinese).

[8] 伍青安，袁越，吳博文，等.基于Hilbert-Huang變換的風電場閃變[J].電網與清潔能源，2011,27（4）：39-43.WU Qing-an,YUAN Yue,WU Bo-wen,et al.Wind farm voltage flicker based on Hilbert-Huang transform[J].Power System and Clean Energy,2011,27(4):39-43(in Chinese).

[9] 孫濤，王偉勝，戴慧珠,等．風力發電引起的電壓波動和閃變[J]．電網技術．2003，27(12)：62-66．SUNTao,WANGWei-sheng,DAIHui-zhu,et al.Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generation[J].Power System Technology.2003,27(12):62-66(in Chinese)．

[10]刁瑞盛．風力發電對電網的影響研究[D]．杭州：浙江大學，2006．

[11]肖湘寧，韓民曉，徐永海,等．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[12]李天云，趙妍，韓永強，等.Hilbert-Huang變換方法在諧波和電壓閃變檢測中的應用[J].電網技術，2005,29(2):73-77.LITian-yun,ZHAOYan,HANYong-qiang,et al.Application of Hilbert-Huang transform method in detection of harmonic and voltage flicker[J].Power System Technology,2005,29(2):73-77(in Chinese).

[13]費麗強，李鵬，李曉春，等.基于HHT變換的微網中電壓閃變與諧波檢測新技術[J].電網與清潔能源，2011,27(11)：9-12.FEILi-qiang,LIPeng,LIXiao-chun,et al.A new detection technology of voltage flicker and harmonics in microgrid based on HHTtransform[J].Power Systemand Clean Energy,2011,27(11):9-12(in Chinese).

[14]張宇輝，賀健偉，李天云.基于數學形態學和HHT的諧波和間諧波檢測方法[J].電網技術，2008,32(17)：46-51.ZHANGYu-hui,HEJian-wei,LITian-yun.A new method to detect harmonics and inter-harmonics based on mathematical morphology and Hilbert-Huang transform[J].Power System Technology,2005,25(17):52-56(in Chinese).

[15]王波，楊洪耕.電力系統電壓短期擾動的三角模態檢測方法[J].電工技術學報，2005,20(11)：101-105.WANG Bo,YANG Hong-geng.Triangle mode method for detection of short-term voltage disturbance of power system[J].Transactions Of China Electrotechnical Society,2005,20(11):101-105(in Chinese).