基于小波的风电场电能质量问题监测

吴琼

（江西瑞林电气自动化有限公司,江西南昌 330031）

基于小波的风电场电能质量问题监测

吴琼

（江西瑞林电气自动化有限公司,江西南昌 330031）

在对风电场引发的电压波动和闪变、谐波、电压偏差等电能质量问题进行分析的基础上，利用小波变换理论对其进行准确的故障定位、特征提取，为有效地评估电能质量问题,推进电能质量分析的理论水平以及电能质量的监测与治理提供必要的依据。

小波变换;风电场;闪变;谐波;电压偏差

风力发电以风作为动力,由于风速和风向具有随机变动的特性,因此风电机组的电能输出也是随机变动的。这种随机的、随风速变动的功率注入电网,将对电网的电能质量造成影响。随着风电场规模的增大,风电场接入系统引起的电能质量问题将成为制约风电场规模的重要因素，风电机组电能质量监测成为风电机组准入程序中必不可少的内容。因此,对风电场接入系统引起的电能质量问题以及电能质量监测技术进行研究具有重要意义[1]。

1 风电引起的电能质量问题

1.1 电压波动和闪变问题

风电机组并网运行过程中,由于风速的变动以及塔影效应、风剪切、风力机组类型和控制系统、所接入系统的网络结构等因素将引起输出功率的波动,只要风电机组处于运行状态,其波动的功率输出就会对电网电压造成影响。以上因素引起电压波动频率为1～2 Hz,这种连续的电压波动可能会引起相对较严重的闪变问题[2-3]。

用Matlab/Simulink工具建立风速模拟系统以及风速对风电场输出功率影响的仿真。基本风速取12 m/s,图1所描述的是根据基本风速下的阵风、渐变风、随机风的数学模型,搭建4种风速下合成风的Simulink仿真。图2所描述是4种风速下合成风对双馈风电机组输出功率的Simulink仿真。从图中的结果可以看出,风速的变化直接影响风机的输出功率。

图2 合成风对双馈风电机组输出功率影响的仿真

1.2 并网风电场引发的谐波问题

对于风电机组来说,谐波问题的来源是风电机组中采用的电力电子元件。由于变速风电机组并网后变流器将始终处于工作状态，因此采用变速技术的双馈异步发电机和同步发电机机组采用了大容量的电力电子元件,且因为变流器的开关频率是不固定的，采用强制换流变流器的变速风电机组不但会产生谐波而且还会产生间谐波。谐波电流大小与输出功率基本呈线性关系,也就是与风速大小有关。在正常状态下,谐波干扰的程度取决于变流器装置的设计结构及其安装的滤波装置状况,同时与电网的短路容量有关。随着电力电子器件的不断改进和新技术的应用,这个问题正在逐步得到解决。

1.3 并网风电场引发的电压偏差

电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，这些因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因：1)恒速风电机组在投入时,要求并网时间短,而短时间内大量无功功率的吸收造成了电压的跌落。2)随着电容器组的逐级投入,因调节不平滑,将引起无功功率的波动,从而造成电压偏差。3)对于恒速风电机组而言,风电场输出的有功功率与无功功率存在函数关系,当其输出有功功率P增加时,风电场吸收无功功率Q也增加,因此,必然引起电压的波动造成电压偏差。4)变速机组构成的风电场能够实现有功和无功的解偶控制,但当变速机组出力较高时,由于传输有功功率而在线路上消耗的无功功率也可能会造成电压降落,引起电压偏差。

综上所述,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。

2 风电场电能质量问题的监测与定位

2.1 小波变换的多分辨率分析

小波变换的多分辨率分析的内涵是将一个连续信号x(t),用不同的基函数在不同的分辨率水平上对x(t)作近似,使用小波函数和尺度函数将干扰信号进行分解和重构,信号分解为不同的尺度后,小波函数将生成某一尺度下高频段的细节部分,而尺度函数将生成这一尺度下低频段的近似部分。在正交小波分解中,一般将低频段的近似部分分解成两部分,分解后获得一个新的低频部分和高频部分,再进一步将新的低频部分继续分解成两部分,而高频部分不再被分解。

如果把x(t)的总频带(0～k)定义为空间V0,经第一次分解后,V0被分成两个子空间:一个是低频段的V1(0～k/2),另一个是高频段的W1(k/2～k)。将V1空间进一步分解又得到两个子空间:低频段的V2(0～k/4),另一个是高频段的W2(k/4～k/2)。按照这样的思路,将低频段进行逐次分解[5],如图3所示。

2.2 小波变换的奇异性检测

在数学上,函数的一阶导数过零点对应函数的极值点,二阶导数过零点对应函数的拐点(即转折点)。如果用于小波变换的小波函数是来自于某一低通函数的一阶导数或二阶导数,那么小波变换的结果必然体现信号的极值点或转折点[4-6]。

在信号中奇异点的位置可能反映在小波变换的过零点,也可能反映在小波变换的极值点上,但由于过零点容易受到噪声的干扰,因此过零点检测不如根据峰值点检测可靠。为了保证检测有效,一方面小波函数应选择某一低通函数的一阶和二阶导数,另一方面,尺度要选择适当,使信号的奇异点在此尺度下尽可能反映出来。

2.3 风电场电压波动与闪变仿真分析

选用载波工频电压峰值5 V,调幅波电压峰值1 V,频率为2 Hz(风电场引起的电压波动与闪变的频率约为1～2 Hz),如图4所示,仿真时间为2 s,采样频率1.024 kHz。仿真采用db4小波函数,根据多分辨率分析进行7层分解,频带可分解为 d1(256 kHz～512Hz)、d2(128～256Hz)、d3(64～128 Hz)、d4(32～64 Hz)、d5 (16～32 Hz)、d6(8～16 Hz)、d7(4～8 Hz)、a7(0～4 Hz),见图5,d表示小波函数分解过程中的细节部分,a表示小波函数分解过程中的近似部分。

图3 频带空间分解

图4 电压波动原始波形

图5 输出信号x(t)的小波变换

从图5各个频段的近似部分可以看出,a7中的信号与设定的调幅波,也就是假定闪变的干扰源波形最为接近。对小波变换的近似部分a7单独提取并分析,见图6。

图6 a7频带内的小波波形

a7频带内的波形为2 Hz,幅值为0.5,直流分量为2.5,是波形的中心轴线对应的数值。忽略小波变换的边缘效应,分解出波形的频率、相位与幅值与设定的调幅波基本吻合。结果表明:利用小波的多分辨率分解可以很容易得到所需要的频带范围的信息，并且能将不同类型的闪变信号有效地分离开来。

2.4 电能质量事件的定位

对电压偏差进行仿真设定,设定了4个周期的电压偏差。扰动事件图形如图7所示,对扰动事件进行小波变换,见图8。

图7 电压偏差扰动波形

图8 sym2小波进行5层分解

从图8可以看出,在对电压偏差事件的小波分解中,d1层和d2层对信号的奇异性尤为敏感。图中可以看出小波变换的模极大值随着尺度的增大而增大，但当尺度过大时，平滑区域也随之增大，导致对事件的准确定位出现偏差,因此,从d4层与d5层的模极大值很难判定扰动的发生时间。

3 结论

近年来迅速发展的小波变换理论已经在电力系统中得到广泛应用，可以实现对电网扰动的检测和分类;对电网信号消噪以及对奇异点信号的检测;对电网设备的状态监测与故障诊断等。因此,本文拟用小波变换对风电场并网引起的各种电能质量问题进行监测和分析,提出风电场电能质量监测问题的小波变换方法,为研究的进一步深入提供定性和定量的研究分析数据。如能结合神经网络的自识别功能,将可以实现风电场电能质量的监测与自动识别,针对采集到的扰动源采取相应的手段,从而提高风电场的电能质量;另外,也可以利用小波变换对扰动源进行奇异点信号监测,从而实现对扰动信号的定向监测,不会因实时监测而造成的软、硬件资源浪费,提高存储信号的有效性和实用性。

[1] 王纯琦.大型风力发电场接入电网电能质量问题研究[D].乌鲁木齐:新疆大学,2007.

[2] 孙涛,王伟胜,戴慧珠,等.风力发电引起的电压波动和闪变[J].电网技术,2003,27(12):62-66.

[3] 赵海翔.风电引起的电压波动和闪变研究[D].北京:中国电力科学研究院,2004.

[4] 胡广书.现代信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[5] 刘如军.电网电压闪变信号的小波分析[D].武汉:华中师范大学,2004.

[6] 何建军,任震,黄雯莹,等.电力系统奇异信息的复值小波分析[J].中国电机工程学报,1999,19(11):1-4.

Monitoring on Power Energy Quality Problems for Wind Power Farm Based on Wavelet

WU Qiong
(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

On the basis of analysis on power energy quality problems caused by wind power farm,such as voltage fluctuation, flicker problems,harmonic wave and voltage deviation etc,wavelet transformation theory is adopted for accurate failure positioning and characteristic collecting,it can provide necessary basis for effective evaluation of power energy quality problems,promotion of theory level of power energy quality analysis and inspection and treatment of power energy quality.

wavelet transformation;wind power farm;flicker;harmonic wave;voltage deviation

TM614

A

1004-4345(2014)04-0025-03

2014-05-24

江西省科技支撑计划项目(2010BGA02500)。

吴 琼(1979—),女,工程师,主要从事电力系统运行与优化工作。