適用于風電場的電能質量監測系統

李彥臻

（大唐國際發電股份有限公司，北京 100140）

0 引言

目前，越來越多的風電場建成并投入運行。由于大中型風電場一般直接接入輸電網，故輸電網對風電電能質量要求越來越高。風能是一種間歇性能源，且風速預測存在誤差。因此，風電場不能提供持續穩定的功率，發電穩定性較差。另外，風電場的功率波動會影響當地電網的電能質量，產生電壓波動與閃變[1]。為此，本文結合實際設計一款電能質量監測管理系統，為風電場的電能質量問題提供監測和解決依據。

1 電能質量監測管理系統構成

電能質量監測管理系統由電能質量監測裝置和電能質量監測上位機組成。系統構成如圖1所示。

電能質量監測系統包括以下功能：

（1）采樣

對發電機機端電氣量、輸電線路電氣量進行連續采集，采樣率為4800Hz。

（2）錄波告警

各監測量越限告警并啟動錄波，錄取一段時間的數據并存儲，以便后續分析。

（3）實時監測

實時顯示基波電壓、基波電流有效值和相位；實時顯示2~19次諧波電壓、諧波電流的有效值；實時顯示各單元的有功功率、無功功率、功率因數；實時顯示頻率、頻率差；實時顯示三相電壓不平衡度、電壓波動與閃變、電壓偏差；實時顯示電壓電流總諧波畸變率。

（4）統計功能

統計所有通道基波電壓、基波電流有效值的歷史曲線和年月日報表；統計2－19次諧波電壓、諧波電流的有效值的歷史曲線和年月日報表；統計各單元的有功功率、無功功率、功率因數的歷史曲線和年月日報表；統計頻率、頻率差的歷史曲線和年月日報表；統計三相電壓不平衡度電壓波動與閃變、電壓偏差的歷史曲線和年月日報表；統計顯示總諧波畸變率的歷史曲線和年月日報表。

2 電能質量各參量計算方法

目前，電能質量問題的主要分析方法可分為時域、頻域和基于數學變換三種。其中，時域仿真方法在電能質量分析中的應用最廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序對供電系統電能質量擾動現象進行研究。頻域分析方法主要用于電能質量中諧波問題的分析，包括頻譜分布、諧波潮流計算等。基于數學變換的分析方法主要指傅立葉變換、短時傅立葉變換以及小波變換等。此外，瞬時無功功率理論、專家系統和人工神經網絡等分析方法也在電能質量領域中獲得了應用[2]。

在電能質量問題的諸多主要分析方法中，傅立葉變換方法作為經典的信號分析方法，具有正交、完備等許多優點，而且有快速傅立葉變換(FFT)這樣的快速算法[3]。

2.1 各次電壓電流基本量的計算

離散傅立葉變換DFT(FFT)計算電壓、電流的基本量時，將電壓和電流合并為一個復序列，一次FFT完成電壓、電流的各次諧波的基本值的計算[4]。不妨設x(n)=u(n)+ji(n)，其對應的離散傅立葉變換為：

根據幅值調整可得u(n)和i(n)的離散傅里葉變換：

2.2 電壓電流有效值的計算

設任意周期電壓u(t)、電流i(t)，采樣序列為電壓序列u(n)、電流序列i(n)，則電壓有效值為：

2.3 頻率的計算

設兩個過零點之間的計數值為N，計數器的計數周期為Ts，則電網的周期為：

2.4 諧波量的計算

裝置諧波測量采用FFT算法，各次諧波幅值與經過N點FFT變換后的頻譜X(k)之間的關系如下：

利用加窗FFT將采樣信號中的各次諧波分量變換到頻域中，計算出信號各次諧波的幅值和相角，可以計算出電能質量中諧波的相關指標[5]。

其中：Um(l)為基波電壓幅值，Im(l)為基波電流幅值，Um(k)為k次諧波電壓幅值，Im(k)為k次諧波電流幅值，HRUk為k次諧波電壓含有率，HRIk為k次諧波電流含有率，THDu為電壓總諧波畸變率，THDi為電流總諧波畸變率。

2.5 三相不平衡度的計算

一般用不平衡度來描述三相電壓不平衡的程度，用電壓或者電流的負序分量與正序分量的方均根值百分比來表示。

在有零序分量的三相系統中，采用對稱分量法分別求出負序分量、正序分量，三相不平衡度ε計算公式如下：

在無零序分量的三相系統中，設三相量為U、V、W，不平衡度ε計算公式如下：

2.6 閃變計算

電壓閃變是指人眼對電壓波動引起的照明異常的視覺感受。由于一般用電設備對電壓的敏感度遠遠低于白熾燈，為此，選擇人對白熾燈照度波動的主觀視感作為衡量電壓波動危害程度的評價指標。電壓閃變受電壓波動幅值、頻率和波形的影響，人眼對0.05Hz到35Hz的電壓波動感受明顯。因此，計算閃變前需對采集的信號進行濾波處理，濾波處理后的數據進入模擬人眼的閃變評估系統，計算結果序列記為ST。

由采樣值計算ST的框圖如圖2所示。

根據上述模型，本文采用simulink搭建閃變仿真模型如圖3所示。

設10min內裝置采集存儲S個采樣點，將S個采樣點經過上述處理，取得ST序列。計算ST序列的最大值記為Smax，每0.2倍的Smax劃分為一個區間（共10個區間），記錄各區間內的采樣點數，并分別記錄為 S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10。

計算概率分布：

計算累積概率：

P1到P10分別與0.1相比較，大于0.1的加起來得到P0.1；

P1到P10分別與0.3相比較，大于1的加起來得到P1；

P1到P10分別與3相比較，大于3的加起來得到P3；

P1到P10分別與10相比較，大于10的加起來得到P10；

P1到P10分別與50相比較，大于50的加起來得到P50；

則短時閃變Pst和長時閃變Plt的計算方法如下：

式中，n為長時間閃變測量時間內包含的短時閃變值個數，一般n取12，即長時閃變為2小時連續短時閃變測試結果的三均方根值。

2.7 電壓波動計算

電壓波動定義為電壓均方根值一系列相對快速或連續改變的現象。其變化周期大于工頻周期，即電壓波動的變化頻率大于工頻。為此，本文將電壓采樣值經過0.05－45Hz的帶通濾波器提起電壓波動量（Umax-Umin），則電壓波動的計算公式為：

2.8 電壓偏差計算

電壓偏差是指在一定的電力系統運行條件下，由于總負荷的運行狀態與運行特性的改變，負荷所需的無功功率與配電系統提供的無功功率不平衡導致的供電電壓連續偏離標稱電壓的情況，計算方法如下：

需要指出的是，電壓偏差是一種穩態電能質量，而電壓波動是一種暫態電能質量。

2.9 電壓驟升驟降

當系統發生短路故障或者由于大容量設備啟動造成供電母線電壓迅速下降后立即回升至標稱電壓的允許范圍的現象稱為電壓驟降，其典型時間為0.5個－30個周波，下降幅度為標稱電壓的10%~90%；反之，當發生甩負荷等故障造成電壓驟然升高后隨即恢復到標稱電壓的現象稱為電壓驟升。電壓驟升驟降是一種暫態電能質量，本系統通過實時計算采樣電壓有效值判斷是否發生驟升和驟降。

3 應用

應用上述算法，本文設計的電能質量監測系統實現測量指標如下：

（1）頻率誤差: ≤0.01Hz；

（2）基波電壓、基波電流誤差≤0.5%；

（3）基波電壓和電流之間相位差的測量誤差：≤0.5°；

（4）諧波電壓測量誤差： GB/T 14549-1993規定的A級要求；

（5）諧波電流測量誤差：GB/T 14549-1993規定的A級要求；

（6）三相電壓不平衡度誤差：≤0.2%；

（7）電壓偏差誤差：≤0.5%；

（8）電壓波動誤差：≤5%；

（9）閃變誤差：≤5%。

該電能質量監測系統可為進一步研究風電機組的電能質量問題提供數據依據。

[1]林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術,2001,25(1):10.

[2]肖湘寧,尹忠東,徐永海.現代電能質量問題綜述[J].電氣時代,2004,(11):10.

[3]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004．

[4]石敏,吳正國,尹為民.基于小波變換與FFT算法的電能質量信號分析[J].海軍工程大學學報,2003,15(1):64-69．

[5]張斌,劉曉川,許之晗.基于變換的電能質量分析方法[J]．電網技術,2001,25(1):26-29．