适用于风电场的电能质量监测系统

2013-03-02李彦臻

风能 2013年5期

李彦臻

（大唐国际发电股份有限公司，北京 100140）

0 引言

目前，越来越多的风电场建成并投入运行。由于大中型风电场一般直接接入输电网，故输电网对风电电能质量要求越来越高。风能是一种间歇性能源，且风速预测存在误差。因此，风电场不能提供持续稳定的功率，发电稳定性较差。另外，风电场的功率波动会影响当地电网的电能质量，产生电压波动与闪变[1]。为此，本文结合实际设计一款电能质量监测管理系统，为风电场的电能质量问题提供监测和解决依据。

1 电能质量监测管理系统构成

电能质量监测管理系统由电能质量监测装置和电能质量监测上位机组成。系统构成如图1所示。

电能质量监测系统包括以下功能：

（1）采样

对发电机机端电气量、输电线路电气量进行连续采集，采样率为4800Hz。

（2）录波告警

各监测量越限告警并启动录波，录取一段时间的数据并存储，以便后续分析。

（3）实时监测

实时显示基波电压、基波电流有效值和相位；实时显示2~19次谐波电压、谐波电流的有效值；实时显示各单元的有功功率、无功功率、功率因数；实时显示频率、频率差；实时显示三相电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差；实时显示电压电流总谐波畸变率。

（4）统计功能

统计所有通道基波电压、基波电流有效值的历史曲线和年月日报表；统计2－19次谐波电压、谐波电流的有效值的历史曲线和年月日报表；统计各单元的有功功率、无功功率、功率因数的历史曲线和年月日报表；统计频率、频率差的历史曲线和年月日报表；统计三相电压不平衡度电压波动与闪变、电压偏差的历史曲线和年月日报表；统计显示总谐波畸变率的历史曲线和年月日报表。

2 电能质量各参量计算方法

目前，电能质量问题的主要分析方法可分为时域、频域和基于数学变换三种。其中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研究。频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流计算等。基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换、短时傅立叶变换以及小波变换等。此外，瞬时无功功率理论、专家系统和人工神经网络等分析方法也在电能质量领域中获得了应用[2]。

在电能质量问题的诸多主要分析方法中，傅立叶变换方法作为经典的信号分析方法，具有正交、完备等许多优点，而且有快速傅立叶变换(FFT)这样的快速算法[3]。

2.1 各次电压电流基本量的计算

离散傅立叶变换DFT(FFT)计算电压、电流的基本量时，将电压和电流合并为一个复序列，一次FFT完成电压、电流的各次谐波的基本值的计算[4]。不妨设x(n)=u(n)+ji(n)，其对应的离散傅立叶变换为：

根据幅值调整可得u(n)和i(n)的离散傅里叶变换：

2.2 电压电流有效值的计算

设任意周期电压u(t)、电流i(t)，采样序列为电压序列u(n)、电流序列i(n)，则电压有效值为：

2.3 频率的计算

设两个过零点之间的计数值为N，计数器的计数周期为Ts，则电网的周期为：

2.4 谐波量的计算

装置谐波测量采用FFT算法，各次谐波幅值与经过N点FFT变换后的频谱X(k)之间的关系如下：

利用加窗FFT将采样信号中的各次谐波分量变换到频域中，计算出信号各次谐波的幅值和相角，可以计算出电能质量中谐波的相关指标[5]。

其中：Um(l)为基波电压幅值，Im(l)为基波电流幅值，Um(k)为k次谐波电压幅值，Im(k)为k次谐波电流幅值，HRUk为k次谐波电压含有率，HRIk为k次谐波电流含有率，THDu为电压总谐波畸变率，THDi为电流总谐波畸变率。

2.5 三相不平衡度的计算

一般用不平衡度来描述三相电压不平衡的程度，用电压或者电流的负序分量与正序分量的方均根值百分比来表示。

在有零序分量的三相系统中，采用对称分量法分别求出负序分量、正序分量，三相不平衡度ε计算公式如下：

在无零序分量的三相系统中，设三相量为U、V、W，不平衡度ε计算公式如下：

2.6 闪变计算

电压闪变是指人眼对电压波动引起的照明异常的视觉感受。由于一般用电设备对电压的敏感度远远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感作为衡量电压波动危害程度的评价指标。电压闪变受电压波动幅值、频率和波形的影响，人眼对0.05Hz到35Hz的电压波动感受明显。因此，计算闪变前需对采集的信号进行滤波处理，滤波处理后的数据进入模拟人眼的闪变评估系统，计算结果序列记为ST。

由采样值计算ST的框图如图2所示。

根据上述模型，本文采用simulink搭建闪变仿真模型如图3所示。

设10min内装置采集存储S个采样点，将S个采样点经过上述处理，取得ST序列。计算ST序列的最大值记为Smax，每0.2倍的Smax划分为一个区间（共10个区间），记录各区间内的采样点数，并分别记录为 S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10。

计算概率分布：

计算累积概率：

P1到P10分别与0.1相比较，大于0.1的加起来得到P0.1；

P1到P10分别与0.3相比较，大于1的加起来得到P1；

P1到P10分别与3相比较，大于3的加起来得到P3；

P1到P10分别与10相比较，大于10的加起来得到P10；

P1到P10分别与50相比较，大于50的加起来得到P50；

则短时闪变Pst和长时闪变Plt的计算方法如下：

式中，n为长时间闪变测量时间内包含的短时闪变值个数，一般n取12，即长时闪变为2小时连续短时闪变测试结果的三均方根值。

2.7 电压波动计算

电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速或连续改变的现象。其变化周期大于工频周期，即电压波动的变化频率大于工频。为此，本文将电压采样值经过0.05－45Hz的带通滤波器提起电压波动量（Umax-Umin），则电压波动的计算公式为：

2.8 电压偏差计算

电压偏差是指在一定的电力系统运行条件下，由于总负荷的运行状态与运行特性的改变，负荷所需的无功功率与配电系统提供的无功功率不平衡导致的供电电压连续偏离标称电压的情况，计算方法如下：

需要指出的是，电压偏差是一种稳态电能质量，而电压波动是一种暂态电能质量。

2.9 电压骤升骤降

当系统发生短路故障或者由于大容量设备启动造成供电母线电压迅速下降后立即回升至标称电压的允许范围的现象称为电压骤降，其典型时间为0.5个－30个周波，下降幅度为标称电压的10%~90%；反之，当发生甩负荷等故障造成电压骤然升高后随即恢复到标称电压的现象称为电压骤升。电压骤升骤降是一种暂态电能质量，本系统通过实时计算采样电压有效值判断是否发生骤升和骤降。