风力发电并入微网电能质量分析与检测

李婉娉，李鹏,2，刘承佳，白寅凯

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），河北保定071003；2．华北电力大学苏州研究院，江苏苏州215123；3.内蒙古北方龙源风力发电有限责任公司，内蒙古呼和浩特010020）

作为主电网的有效互补电网，微网把新能源及可再生能源发电有效地整合在一起，不仅能够提高能源的利用效率，而且供电的可靠性和安全性也得到了保障。近年来，全球风力发电迅猛发展，作为技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一，风力发电越来越受到各国的重视并得到了广泛的开发和利用。

风力发电以风作为动力源，风速和风向具有随机变动的自然特性，且风电机组本身不具有电能存储的功能，因此风电机组输出的电能也是随机变动的。这种随机的、随风速变动的功率注入微网，将会对微网的电能质量造成影响,如电压波动和闪变、谐波、电压偏差等[1]。

随着风力发电规模的增大，其并入微网引起的电能质量问题必将越来越严重，在某些情况下电能质量问题将成为制约风电机组装机容量的主要因素。因此，对风力发电并入微网引起的电能质量问题进行分析与检测具有重要的现实意义[2]。

1 微网中的风力发电机

由于微网具有分布式发电（Distributed Generation，DG）的各种优点，并且克服了其在大电网故障时必须马上退出运行的缺陷[3]，目前已经被世界各国政府所重视。现在，国际上对微网的定义尚未统一。美国电气可靠性技术协会（CERTS Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）给出的定义为：微网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等要求[4]。

微网中的微电源多为带有电力电子接口的小型发电机组。例如，太阳能发电，微型燃气轮机，风电机组，小型热电联产机组以及柴油发电机等[5]。图1为风力发电机组并入微网的简单示意图。

图中风力发电机通过电力电子接口与电网相连,SSB为固态短路器,PCC为微网的公共连接点。

图1 微网中的风力发电机Fig.1 The wind turbines in microgrid

2 风电并网的电能质量

电能质量问题可以划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。稳态电能质量问题主要包括长期电压变化、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波等持久性的电压或频率变化。暂态电能质量问题的主要表现形式有：脉冲暂态、振荡暂态、电压跌落、电压凸起、电压间断等。稳态电能质量问题己为人们所熟悉，我国在这方面也有多年的研究，与之相关的定义、指标和监测方法在国标中有详细规定[6-7]。

2.1 电压波动和闪变问题

风电机组在变动的风速作用下，其输出功率具有变动的特性，可能引起所接入系统的某些节点（如并网点）的电压波动[8]。研究表明，0.05～35 Hz频率范围内的电压波动将引起人眼可觉察到的闪变问题。电压波动值为电压均方根值的极大值Umax与极小值Umin之差ΔU占额定电压UN的百分比[9]，即

传统电力系统中的闪变大多是由大容量、冲击性负荷造成的，而风电机组引起的电压波动和闪变问题归根结底是由于风电机组输出功率的波动引起的[7-8]。

下面对风电机组输出功率波动引起的电压波动和闪变进行机理分析。

图2为风电机组并网示意图。其中U觶1为机组出口电压相量，U觶2为微网电压相量，R为线路电阻，X为线路电抗，S为线路上流动的功率相量。

图2 风电机组并网等效电路图Fig.2 The equivalent circuit diagram of gridconnected wind turbines

图3 风电机组并网等效向量图Fig.3 The equivalent vector diagram of grid-connected wind turbines

式中，S觶=P+j Q。可得

由于线路首末端相角δ较小，电压降的横分量可忽略不计，电压降可近似用其纵分量来表示

由式（4）可知，当风电机组输出的有功和无功功率发生快速变化时，会引起电网电压的波动，进而引起闪变。

2.2 谐波问题

在微网中，作为供电电源和用电设备间的非线性接口电路，所有电力电子装置在实现功率转换和控制的时候，都不可避免地产生非正弦波形，向电力系统注入谐波电流，使公共连接点（PCC）的电压波形严重畸变，并产生很强的电磁干扰（EMI），对微网的安全稳定运行构成了潜在的威胁。

目前风力发电大多采用直驱永磁同步风力发电机和双馈异步风力发电机，这2种风力发电机都属于变速风力机，均采用大容量的电力电子元件且在电网侧都使用PWM逆变器进行变流。变速风电机组并入微网后，变流器将始终处于工作状态，整流逆变就必然会带来谐波污染,这些谐波电流注入微网中,会引起微网电压的畸变,降低了电能质量。运用PWM开关变流器和合理设计的滤波器能够使谐波畸变最小化，甚至可以使谐波的影响忽略。但如果电力电子装置的开关频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，谐波电流的大小与输出功率基本呈线性关系，也就是与风速大小有关。除此之外，如果风机的并联补偿电容器和线路电抗发生谐振，则会对谐波起严重放大作用[10-11]。

2.3 电压偏差问题

供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压Ur（kV）与系统额定电压UN（kV）之差对系统额定电压的百分数称为该节点的电压偏差δU。其数学表达式为

电压均方根值偏离额定值的现象称为电压变动，但电压偏差是仅仅针对电力系统正常运行状态而言的。电力系统在正常运行状态下，机组或负荷投切所引起的系统电压偏差一般不大于10%，电压偏差强调的是实际电压偏差系统额定电压的数值，与偏差持续的时间无关[1，11]。

微网中的负荷以及发电机组的出力具有随机性，网络结构随着运行方式的改变而改变，这些因素都将引起微网功率的不平衡。微网中无功功率不平衡时将会有大量无功功率流经输电线路，造成线路首末端电压差。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因。

3 基于Hilbert-Huang变换的电压偏差检测

对风力发电机并入微网引发的电能质量问题进行实时的检测与定位，是研究和治理电能质量问题的前提，将有助于微网电能质量的提高。Hilbert-Huang变换方法是一种分析非平稳、非线性信号的新的信号处理方法。该方法可以从时域和频域两方面同时对信号进行分析，能够准确检测出突变、非平稳信号的时间和幅值信息。近年来，许多学者将其应用在电能质量问题的检测中，并取得了较为理想的效果[12-15]。文献[12]已经提出采用Hilbert-Huang变换（HHT）方法对电压波动和闪变信号及谐波信号进行检测。在此，本文将该方法应用在电压偏差问题的检测上同样取得了较好的效果。

3.1 HHT的基本原理

HHT是由经验模态分解（EMD）及Hilbert变换（HT）2部分构成的。对于一个给定的信号，先利用EMD方法对其进行分解，从而得到一系列固有模态分量（IMF），然后对每一个IMF分量进行Hilbert变换，求出其瞬时幅值和瞬时频率。由于EMD分解的过程是根据信号自身的特点进行的，因此其对信号具有很强的自适应性。经过EMD分解后，信号可以由式（6）表示式中，ci为IMF分量；rn为残余分量。当rn为常数或者单调函数时，分解过程即可停止。用EMD方法提取出来的IMF分量必须满足2个条件：1）其极值点和过零点的数目必须相等或者最多相差一个；2）连接局部极大值点所形成的上包络线和连接局部极小值点所形成的下包络线的均值在任一点处为0。

对于IMF分量的Hilbert变换有如下定义。正变换

反变换

从而得到解析信号x（t）为

还可以表示为 x（t）=a（t）ejθ（t）

式中，a（t）为瞬时幅值；θ（t）为瞬时相位。

则对于IMF分量的瞬时频率，可以按式（11）进行计算

3.2 仿真验证

为了模拟风电并网产生的电压偏差现象，我们搭建了电压偏差扰动模型，如式（12）所示。在以下仿真测试中，首先采用EMD方法提取电压偏差信号的固有模态函数（IMF）分量，然后再对所提取出来的IMF分量作Hilbert变换求其瞬时频率和瞬时幅值。由于是仿真测试，在此没有严格按照电压偏差对于时间的定义，所得出的电压波形如图4所示。

式中，f=50 Hz。

用HHT对图4的电压偏差波形进行检测，取采样频率为10 000 Hz，扰动发生和终止时刻的理论值分别是0.3 s和0.6 s，扰动幅度为0.1。显然，电压偏差扰动信号满足IMF的2个条件，因此可以直接对其进行Hilbert变换，得到的检测结果如图5所示。在0.3 s和0.6 s这2个时刻，幅值发生了突变，下降幅度为0.1，与事先设定的电压偏差扰动模型的属性一致，因此运用HHT方法可以精确地检测出电压偏差扰动波形的起止时刻和扰动幅值。

图4 风力发电并入微网的电压偏差扰动波形Fig.4 The voltage deviation caused by the gridconnection of wind turbines

图5 电压偏差信号的HHT检测结果Fig.5 The detection results of voltage deviation based on the HHT

4 结语

本文首先对风力发电并入微网引发的电能质量问题进行分析。通过分析可知风电场输出功率波动、风电场电力电子装置的介入以及风电场与电网之间有功和无功的传递是风电场引发这些电能质量问题的根本原因。对于风电场并网产生的电能质量问题，可以采用提高系统的电抗和无功补偿等措施来改善电压闪变和电压波动问题,谐波问题则通过采用多脉冲整流电路、APF来解决。但仍需进一步研究和完善合理有效的电能质量控制措施,以使微网稳定运行,以最大限度地利用风力资源。

针对电压偏差问题，本文提出采用Hilbert-Huang变换方法对其进行检测，仿真结果表明了该方法在检测电压偏差问题的上有效性，为微网电能质量的提高提供了一定的技术支持。

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