基于改进小波包变换的光伏集群系统谐振检测

2018-02-22朱时雨

东北电力技术 2018年12期

高静，朱时雨

(1.国网承德供电公司，河北承德 067000；2.国家电网公司东北分部，辽宁沈阳 110181)

分布式光伏集群并网系统含有大量电力电子设备，使得电网成为一个含有多个固有谐振点的复杂高阶LC网络。同时光伏发电谐波频谱宽、幅值波动大，系统中的背景谐波等均容易激发谐振现象。当大量光伏集群并网后，并联谐振问题将更为严重[1-2]。因此，迫切需要一种分布式光伏集群并网的谐振检测方法，为分布式光伏发电的集群并网提供技术保障。

小波变换能够很好地检测暂态信号。WPT是在小波变换的基础上发展的，相比小波变换，WPT可以对细节系数进行分解，提高了时频分辨率。文献[3]应用小波变换和神经网络的方法有效识别了电能扰动信号。文献[4]利用小波分析进行了电能质量检测。以上研究均是运用小波变换方法检测常规电能质量问题，而针对分布式光伏集群并网谐振问题的研究还处于刚刚起步阶段。对于分布式光伏集群并网系统中谐振扰动量的检测，需要一种非平稳信号的检测方法。WPT具有良好的时频局部特性和自适应性[5]。因此，WPT方法适合对分布式光伏集群并网系统中的谐振扰动量检测。

本文在WPT的基础上提出了基于二进制频带划分的改进WPT谐振检测方法，分析了基于改进WPT的谐振信号检测原理。应用改进WPT算法检测分析分布式光伏集群并网系统中谐振信号。仿真和试验证明该方法能够快速有效地检测分布式光伏集群谐振频带范围。

1 基于二进制频带划分的WPT原理

1.1 WPT原理

小波变换过程中，每一步均是分解低频部分，对信号频带的划分不是均匀的，因此信号的高频部分频率分辨率很低，而低频部分时间分辨率过低。WPT对频带的均匀是划分的[6-7]，并且WPT能够进一步分解高频分量，自适应地选择相应频带，具有较好的时频分辨率。三层分解的小波包树如图1所示，(i,j)为小波包分解后各个频带的标记，其中字母i代表分解层数(i=0,1,2…)，j代表次序(j=0,1,2…)。

图1 三层小波包树示意图

1.2 基于二进制频带划分的WPT

信号经WPT分解后，得到的各个频带不是依照频率大小的顺序分布的，因此难以得到谐振频率，不利于谐振检测。本文重新调整低通和高通滤波器组的排列，提出一种基于二进制频带划分的WPT算法，有效地检测出谐振频带范围。

二进制频带划分的思想是：利用WPT不断划分低频和高频频带，并重新调整低通和高通滤波器组的排列，使滤波器组排列顺序依次为LP-HP-HP-LP(分解层数≥2)，得到按频率大小分布的均匀频带。若对原始信号进行基于二进制频带划分的小波包5层分解，取采样频率为6 400 Hz，经1层小波包分解后，通过低通滤波器LP的信号频带范围为0～1 600 Hz，通过高通滤波器HP的信号频带范围为1 600～3 200 Hz；经2层小波包分解后，滤波器组排列顺序依次为LP-HP-HP-LP。小波包滤波器组结构及其频带范围如图2所示[8-9]。

图2 基于改进WPT的滤波器组结构及其频带范围

2 基于改进WPT的谐振检测原理

2.1 分布式光伏集群谐振分析

分布式光伏集群并网系统的拓扑结构如图3所示，U0为逆变器输出电压，Ug为电网电压，L1为滤波器电感，UC为滤波器电容电压，L2为滤波器网侧电感和变压器等效电感之和，Lg为电网等效电感。

图3 分布式光伏集群并网系统的拓扑结构

LCL等效谐振电路如图4所示。

图4 LCL等效谐振电路图

由图4可知，谐振频率如式(1)所示：

(1)

采用PI控制，控制策略如图5所示。其中电流调节器的比例系数和积分系数分别为Kp和K1，PWM增益为KPWM，电流为反馈系数H，i=1，2，3…。

图5 分布式光伏集群并网系统控制策略

由图5可得系统的传递函数：

Ig,i=Ki(S)Iref,i-Yi(S)Upcc

(2)

(3)

Yi(s)=(L1Cs3+KPKPWMCs2+(K1KPWMC+1)s)/D(s)

(4)

D(s)=L1L2Cs4+KPKPWML2Cs3+(L1+L2

+K1KPWML2C)s2+KPKPWMs+K1KPWM

(5)

2.2 基于改进WPT的谐振检测

(6)

将系统参数代入式(1)可以得到谐振频率为711.76 Hz，取采样频率为6 400 Hz。为了缩小谐振频率范围，在满足式(6)的条件下，选取小波包分解层数为5。

基于改进WPT的在线谐振检测原理为利用采样电路得到原始谐振电压或谐振电流信号，然后对输入的原始信号进行改进WPT分析，最后提取改进WPT得到的除基波分量外所有分量之中能量最集中的频带，即可得到谐振频率。

根据图2可知基于二进制频带划分的WPT的信号频率范围如表1所示。

表1 基于二进制频带划分的WPT的信号频率范围

3 分布式光伏集群并网系统的谐振检测

3.1 常规分布式光伏并网谐振的改进WPT

以某一分布式光伏集群并网示范工程中400 kWp并网运行的光伏发电系统为例，在 Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数

常规逆变器并网时的谐振电压如图6所示。

图6 常规光伏系统中并网谐振电压

图7为基于改进WPT的谐振电压分析结果。

图7 基于改进WPT的常规谐振电压分析

为了验证基于WPT的分布式光伏集群并网谐振检测方法的正确性，应用FFT对原始谐振信号进行分析，如图8所示。

图8 基于FFT的常规谐振电压分析

由图7可知，细节信号能量主要集中在X(5,4)，其频带范围为700～800 Hz，即谐振频率所在的频带范围。由图8可知谐振频率为720.67 Hz，与图7的分析结果一致，验证了基于WPT的光伏集群谐振检测方法的正确性。此外，WPT和FFT的检测时间分别为0.110 6 s和0.215 3 s，WPT与FFT相比耗时缩短了48.63%。由此可知，WPT是一种快速有效的谐振检测方法。

3.2 分布式光伏集群并网谐振的改进WPT

分布式光伏集群并网时的谐振电压波形如图9所示。

图9 光伏集群并网谐振电压波形

光伏集群并网谐振电压的改进WPT分析如图10所示。

图10 光伏集群并网谐振电压的改进WPT分析

为了验证基于WPT的分布式光伏集群并网谐振检测方法的正确性，应用FFT对原始谐振信号进行分析，如图11所示。

图11 光伏集群并网谐振电压的FFT分析

由图10可知，细节信号能量主要集中在X(5,4)，其频带范围为700～800 Hz，即谐振频率所在的频带范围。由图11可知谐振电压的谐振频率为711.33 Hz，与图10的分析结果一致，验证了基于WPT的光伏集群谐振检测方法的正确性。此外，WPT和FFT的检测时间分别为0.124 0 s和0.228 6 s，WPT与FFT相比耗时缩短了45.76%。仿真证明了基于二进制频带划分的WPT方法对分布式光伏集群并网谐振电压的检测是准确和有效的。

由以上分析得到并网谐振电压的改进WPT结果如表3所示。

表3 谐振电压的改进WPT结果

由表3可知，相比常规光伏并网，光伏集群并网时的谐振频率减小且谐振程度增加，电网中的背景谐波更易激发谐振现象。仿真证明了基于二进制频带划分的WPT方法对分布式光伏集群并网谐振电压的检测是准确和有效的。

同理，可以得到并网谐振电流的改进WPT结果如表4所示。相比常规逆变器并网，光伏集群并网时的谐振频率减小了，并且并网电流的谐振程度增加。谐振问题变得更加复杂且电网背景谐波更易引起网络固有谐振点谐振的产生。仿真证明了改进WPT方法能够准确检测分布式光伏集群并网电流的谐振频率。

表4 谐振电流的改进WPT结果

4 实例验证

以某一分布式光伏集群并网示范工程中6 MWp并网运行的光伏发电系统为例，对电网电压和逆变器并网电流进行测量。测试结果如图12所示。

图12 现场谐振电压和谐振电流

由图12可知，由于电网背景谐波激发的谐振的影响，并网电压的峰值从432.35 V 振荡增加至 566.18 V，并网电流的峰值从102.94 A 振荡增加至 585.29 A，并网逆变器不能正常工作。

通过改进WPT对5个周期进行分析，获得谐振电压信号的谐振分析结果如图13所示。

图13 谐振电压的改进WPT的分析

谐振电流信号的谐振分析结果如图14所示。

图14 现场谐振电流的改进WPT分析

为了更好地分析谐振电流，X(5，12)和16.5次谐波的对比波形如图15所示，红色波形代表改进WPT后的X(5，12)分量，蓝色波形代表由电能质量分析仪得到的16.5次谐波分量。

由图13、图14可知，在所有改进WPT后的分量之中X(5，12)的能量最集中，可以得到谐振的频带范围为800～900 Hz，谐振频率约为825 Hz。由图15可知， WPT谐振分析结果与现场实际电能质量分析仪的分析结果相吻合，即谐振频率在16.5次谐波频率附近。并且基于改进WPT的谐振检测耗时为0.104 8 s。此现场谐振信号的改进WPT分析结果表明，基于二进制频带划分的WPT算法能够快速准确地检测出分布式光伏集群并网系统中的谐振频率。