基于HHT变换的微网电压闪变与谐波检测新技术

费丽强，李鹏，李晓春，赵娜，叶飞

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003；2.大连理工大学，辽宁大连116024）

基于HHT变换的微网电压闪变与谐波检测新技术

费丽强1，李鹏1，李晓春1，赵娜2，叶飞1

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003；2.大连理工大学，辽宁大连116024）

National Natural Science Foundation（50977029）。

随着包括风电、光伏等可再生能源和新型蓄能技术的发展，分布式发电（Distributed Generation,DG）日渐成为未来世界能源技术的重要发展方向[1]，而较小规模的分布式电源所形成的微网[2-3]整合DG的优势，削弱DG对电网的冲击和负面影响，充分发挥分布式发电系统的效益和价值。微网运行中，由于微电源如风力发电系统、光伏发电系统受风光资源、气候、天气等自然条件的影响，输出功率具有波动性、随机性、间歇性的特点，引起供电系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变、谐波等电能质量问题，直接影响到电力用户的正常用电。而传统的傅里叶变换不能满足非平稳信号与时频分析的需要，实时性不够好。小波变换虽然能将信号在不同尺度下进行多分辨分解[4-6]，但是实际应用中小波基的选择并不唯一，造成分析效果不理想。

HHT（Hilbert-Huang transform）方法由美籍华人Norden E.Huang所提出来的一种全新的信号处理方法，该方法由经验模态分解法EMD（empirical mode decomposition）和Hilbert变换2部分组成。通过EMD将任何复杂信号分解成有限个固有模式函数IMF（intrinsic mode function），再根据Hilbert变换求出每一个IMF的瞬时频率和瞬时幅值。

本文利用HHT变换方法，通过EMD分解及瞬时频率实现了微网中电压闪变、谐波等扰动信号的提取及区分；通过时频分析及Hilbert谱分析对信号进行了频谱分析。并仿真验证了该方法的简单、有效。

1 HHT方法

1.1 EMD方法的基本原理

EMD方法假设任何信号都由不同的IMF组成，每个IMF可以是线性的，也可以是非线性的，IMF分量必须满足下面2个条件:

1）极值点个数和过零点数相同或最多相差一个;

2）信号上任意一点，由局部极大值点和局部极小值点所确定的包络线的均值均为0，即信号关于时间轴局部对称。

图1 HHT变换的原理框图Fig.1 The block diagram of HHT transform

图1为HHT变换的原理框图，其EMD分解的具体过程如下。

先根据信号x（t）的极大点与极小点求出其上包络δ1（t）及下包络δ2（t）之平均值

然后求取x（t）与v1的差即为θ1，即

若θ1满足上述IMF条件，则θ1就是x（t）的第1个IMF分量。若θ1不满足IMF的条件，把θ1作为原始数据，重复以上过程k次，得到θ1k=θ1（k-1）-v1k，利用SD的值判断每次筛选结果是否为IMF分量

式中，SD的值通常取0.2～0.3。θ1k满足SD的要求时，令α1=θ1k，且α1为信号x（t）的第1个IMF分量。将α1从x（t）中分离出来，得到

视r1（t）为新的x（t），重复以上过程，依次得到α2，α3，α4…，直到r（nt）基本呈单调趋势或很小，可以视为测量误差即可停止。于是EMD的分解结果为

因此，IMF分量分别包含了信号从高到低不同频率成分，而rn（t）为残差，表示信号的趋势。

1.2 Hilbert变换

对EMD分解得到的IMF分量εi（t）进行Hilbert变换为

1.3 Hilbert谱及边际谱

对式（5）中的每个IMF分别作Hilbert变换后得

这里省略了残差rn（t）。称式（10）的展开式为Hilbert谱

进一步定义边际谱为

式中，T为采样时间长度。

Hilbert谱能精确地描述信号的幅值在整个频率段上随频率和时间变化的规律，是信号能量的一种完整的时-频分布。Hilbert边际谱描述了信号的幅值随频率变化而变化的规律。

2 微网中电压闪变与谐波检测

简单的微网结构如图2所示，微网通过公共耦合点PCC与主电网相连接，可控DG如光伏发电、风力发电、燃料电池等均通过电力电子装置连接至交流母线。微网有联网和孤岛2种典型运行模式：正常情况下微网通过联网模式与常规配电网并网运行；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微网将以孤岛模式运行。

图2 简单的微网结构图Fig.2 Simple structure of microgrid

微网中大功率的分布式发电会导致本地电压过高，而且通过电力电子器件连接会造成大量谐波干扰引入主电网。微网中的分布式发电技术如风力发电和太阳能光伏发电，由于受自然条件不确定的约束，输出功率不稳定，引起电压波动，进而引起电压闪变，影响供电质量。因此我们需要快速有效的检测出微网中各种电能质量扰动的幅值、时刻及频率。

2.1 微网中电压闪变的检测

现定义电压闪变信号S（t）如下

式中，Vf（t）为包络信号，具有波动和闪变的特征，可以是单频或多频正弦信号的叠加；V0为电网电压额定值；ω为工频角频率。

图3为模拟电压闪变信号，其表达式为

该信号由3个不同幅值、频率的正弦信号叠加而成，基频载波信号为10kV，频率为50Hz的正弦信号。图4是EMD分解后IMF分量及残差，可以认为imf1,imf2,imf3是经过EMD分解后提取出来的闪变信号。从分解结果可知，EMD分解能够有效的提取出输出电压中的闪变信号，且从残差曲线可知，闪变信号的变化趋势趋于平稳。

图3 电压闪变信号S（t）Fig.3 Voltage flicker signal

图4 EMD分解后的IMF分量及残差Fig.4 The IMF components and residual of EMD decomposition

图5、图6是EMD分解后的IMF分量进行Hilbert谱分析及边际谱分析得到的结果。

图5 Hilbert谱估计Fig.5 Hilbert spectrum estimation

图6 Hilbert边际谱分析Fig.6 Hilbert marginal spectrum analysis

由图5可得，各IMF分量经过Hilbert变换，得到的归一化频率能够较好的分辨出电压闪变信号中的扰动分量的频率。由图6可以看到，在5Hz，10Hz，20Hz处有3个明显的峰值点，成功实现了扰动分量的频率分解且相对幅值基本符合原始电压闪变信号的扰动大小。

2.2 微网中谐波的检测

由于微网中分布式电源大量使用电力电子装置，会引起谐波污染，其中低次谐波很难滤除。为了验证HHT方法的谐波检测的快速有效性，现定义谐波失真信号的表达式如下

该信号由10kV，50Hz基波，2次谐波，3次谐波组成，其中采样频率为10kHz。图7为谐波失真信号仿真图。图8为经EMD分解得到的IMF分量x1及其瞬时频率，从图中可知，HHT可以精确地检测出发生扰动和终止时间分别为0.458s和0.634s。

图7 谐波失真信号Fig.7 Harmonic distortion signal

图8 EMD分解后的IMF分量及其瞬时频率Fig.8 The IMF components and the instantaneous frequency of EMD decomposition

3 结论

1）考虑微网中分布式电源输出功率不稳定的特点，本文利用HHT方法对电压闪变信号经EMD分解，得到各IMF分量及残差，有效的检测出电压闪变信号的成分；并通过对IMF分量进行Hilbert谱分析和边际谱分析，有效地检测出电压闪变信号的频率和幅值。

2）考虑微网中分布式电源中含有大量的电力电子装置，容易对电网产生谐波污染，本文通过HHT变换对暂态谐波信号进行EMD分解，并对得到的IMF第一分量求取瞬时频率，精确地刻画出谐波信号产生与终止的时间。

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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

微网中大规模的分布式电源由于其自身特点及大量电力电子设备的使用，容易引起电网电压波动、电压闪变及谐波等电能质量问题，影响电力用户的供电要求。利用HHT（Hilbert-Huang transform）变换方法对微网中的电压闪变、谐波等电能质量扰动信号进行了EMD分解，得到各IMF分量，通过对IMF分量进行Hilbert谱分析和边际谱分析。仿真结果表明，该方法能快速有效地检测出微网中电压闪变信号的频率和幅值及谐波信号产生及终止的时刻。

微网；HHT；电压闪变；谐波检测

国家自然科学基金资助项目（50977029）

1674-3814（2011）11-0009-04

TM732

B

2010-10-29。

费丽强（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行、分析与控制，微网技术与新能源并网发电；

李 鹏（1965—），男，博士，教授，IEEE Senior Member，主要研究方向为微网技术与新能源并网发电、电能质量分析与控制、电力电子技术在电力系统中的应用；

李晓春（1986—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行、分析与控制，微网技术与新能源并网发电；

赵 娜（1986—），女，硕士研究生，研究方向为工业自动化；

叶 飞（1985—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行、分析与控制。

（编辑 董小兵）