适用于双馈风机的并网电压波动与闪变检测系统的研究

李芊芊，张江滨，李亚琳

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安　710048；2.国网陕西省电力公司，陕西西安　710048）

适用于双馈风机的并网电压波动与闪变检测系统的研究

李芊芊1，张江滨1，李亚琳2

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.国网陕西省电力公司，陕西西安710048）

风电因电能质量问题影响使其发展受到制约，电压波动及闪变是其中之一。使用目前的闪变仪对风电机组并网引起电压闪变进行检测，发现在检测低频段波动引起的闪变时误差较大，而这也是风电并网产生闪变的主要频段。因此，如何使低频段检测误差减小是该文研究的意义。根据IEC标准，在Matlab平台建立数字闪变检测系统仿真模型，并利用双线性方法求得系统的参数。针对上述情况，分析其误差产生的原因，通过对检测的瞬时闪变视感度S（t）引入参数校正以减小低频检测误差，使其满足风电并网闪变值检测的要求。最后将修正系数后的检测系统运用在一个双馈风力发电系统实例中，证明该风电场满足我国电压闪变值要求。

SIMULINK；双馈风力发电机；电压波动；闪变检测

风力发电在飞速发展的同时，由于输出功率的波动给接入电网带来一定影响，使其发展受到制约。在风机运转过程当中，风速的变化、塔影效应等各种情况下可能会造成电压波动；叶轮旋转过程当中的转矩处于非稳定状态、风机起停和发电机的切换，会导致输出功率波动，造成电压波动和电压闪变［1］。对电压闪变进行精确检测能够更好地了解电能质量状况，以便采取合理的措施来控制或抑制闪变。因此，选择合适的检测方法，设计出规范化和标准化的闪变检测系统具有实际的研究价值和意义［2］。目前，国外对于电压闪变仪都有一定程度的研究，如日本有△V10检测仪、法国有EDF检测仪、德国有FGH检测仪等［3］，但这些闪变检测仪主要适用于检测电弧炉等较高频率波动造成的闪变（0～25 Hz），并不适用于风电并网引起的低频率波动造成的闪变。

文献［4］提出研制一种高精度闪变仪，提出了提高闪变检测精度的措施与统计环节、采样频率和采样设备有关，但要以高精度的采样设备和大量的采样数据为前提，计算量大，成本高；文献［5］提出IEC闪变仪在进行风电场闪变检测中误差较大，采用校正环节校正闪变测试系统的输出能够提高精度，但文中只介绍了模拟闪变测试系统的仿真过程与校正方法，没有提到数字闪变测试系统。文献［6］介绍了闪变测量系统的数字化实现方法，对不同频率、幅值的调幅波引起的波动进行仿真，但对低频段测量的较大误差没有提出具体修正方法。文献［7］提出了离散化的方法用于闪变计算，其低频段测量误差小，适用于风电闪变的检测，但高频段测量误差较大。

在上述文献研究成果的基础上，本文依据IEC推荐的闪变检测系统原理，在Matlab平台下搭建检测模型，利用Bilinear函数得到数字闪变检测系统各环节参数，并对特定幅值和频率的调制波进行闪变的检测。针对低频段检测误差较大的情况，分析其误差产生的原因，通过参数校正的方法减小低频检测误差，使其满足风电并网闪变值检测的要求。

1　闪变检测系统的设计

1.1平方检测法检测原理

目前检测电压波动有许多种方法，由于平方法检测易于实现数字化，也被IEC推荐的闪变检测原理所采用，因此本文选取平方检测法。其中平方检测法流程图如图1所示。

图1　平方检测法流程图Fig.1　Square test flow chart

图1中框1为用于调幅波解调的平方器。框2为用于模拟人眼对照度波动的频率最大感知范围，在0.05～35 Hz之间的带通滤波器；框3为模仿人眼对频率选择的加权滤波器。框4、框5为模仿视神经反映与记忆效应的平方器以及一阶平滑滤波。框6为统计和分析，对前面得到的瞬时视感度值S（t）采样后进行统计评定，最后计算得出短时闪变值Pst。Pst计算方法主要有分段线性差值法、多项式曲线拟合法以及统计排序法等，可通过Matlab编程实现。

高通滤波器：

视感度加权滤波器：

一阶低通滤波器，其中τ=300 ms：

1.3数字闪变测试系统的设计

为了测量精度和稳定性的提高，需要将模拟闪变检测系统转换成数字闪变检测系统，转换的方法多采用双线性变化法，它实际上是由s域到z域的映射，体现在传递函数上即为由H（s）到H（z）的变换，是复变函数的映射变换。

选择采样频率为400 Hz，利用双线性变换法将式由s域化为z域，公式如下：

式中：n，d为数字滤波器中的分子系数和分母系数；N，D为模拟滤波器中的分子系数和分母系数。变换时的采样频率为fs。公式中各环节系数按照降幂的顺序排列。

取采样频率fs=400 Hz，利用Bilinear函数对数字闪变检测系统各环节滤波器参数进行计算。为了保证数字闪变检测系统的精确度，利用Matlab中的format long语句，对变换后的参数设置15位有效数字，计算结果如下：

35 Hz低通滤波器参数Nd

0.05 Hz高通滤波器参数：

视感度加权滤波器参数：

300 ms延时平滑滤波器参数：

依据计算得到的数字滤波器的系数，搭建出闪变数字检测系统仿真模型，如图2所示。

系数的值K取为1/0.002 5，系统输出窗口显示的是S（t）瞬时视感度的波形。

图2　数字闪变检测系统模型Fig.2　Digital flicker test system

2　系统仿真

2.1模型检验

为了检验所搭建的数字闪变检测模型的参数是否正确，首先需要模拟含有某一波动频率的电压，再对其进行闪变检测。选择幅值为0.002 5 V，频率为8.8 Hz的正弦调幅波以及幅值为220 V的工频电压进行调制，将调制波作为闪变检测系统的输入波形，构造函数如下：

上述模型得到的仿真电压波形如图3—8所示。

图3　8.8 Hz正弦调幅波Fig.3　8.8 Hz sine modulated wave

图4　调制波形Fig.4　Modulation waveform

图5　通过带通滤波器的波形Fig.5　Waveform through band-pass filter

图6　通过视感度加权滤波器的波形Fig.6　Waveform through weighted filter

图7　S（t）波形Fig.7　The S（t）waveform

图8　S（t）微观波形Fig.8　The S（t）micro waveform

图3为幅值0.002 5 V，频率8.8 Hz的正弦调幅波波形；图4为调幅波与220 V工频调制后的波形；图5为通过带通滤波器的波形；图6为通过视感度加权滤波器的波形；图7为瞬时闪变视感度S（t）波形；图8为瞬时闪变视感度S（t）放大后微小幅值范围内的波形。

如图6所示，输出波形的频率和幅值是8.8 Hz，121 V，由此证明，经过加权滤波后，输出波形的频率等于调幅波频率，输出波形的幅值等于调幅波幅值和工频电压幅值平方的乘积；如图7所示，数字闪变检测系统最终检测的瞬时闪变视感度S（t）为1左右；如图8所示，S（t）基本处于1上下3%波动，满足IEC对闪变检测系统检测精度要求的范围。由仿真波形可知数字闪变测试系统各环节参数的选择基本正确。

2.2误差修正

IEC标准通过大量试验，得到S（t）=1相应的不同频率的电压波动d（%），利用这些数据进行仿真，对所建立的数字闪变测试系统模型进行校验。结果表明，在2.5～20 Hz的频率之间，该数字检测系统输出的S（t）值在1±0.05之间，其相对误差小于±5%。说明S（t）所设计的闪变测试系统效果良好。但在低频段，仿真输出的S（t）值偏差较大，见表1。

表1　S（t）=1下的各频率正弦电压波动值及该波动下对应的S（t）计算值Tab.1　Sine voltage fluctuations under different frequencies when S（t）=1 and the corresponding S（t）calculated value

由于在低频段中，闪变数字检测系统输出的S（t）具有比较大的误差，而这一频段正好位于风电引起的电压波动的频段（3P频率范围一般在1～3 Hz之间），超出检测精度标准。通过大量试验发现检测误差主要来自视感度加权滤波环节。因此，本文重点研究提高闪变检测系统精度的方法。本文采用最小二乘法拟合修正系数，根据计算，得到各频率下对应波动幅度的调幅波检测的S（t）所对应的修正系数k值，如表2所示。

按照该表数据求出的校正曲线，见图9。

通过运用最小二乘法的方法对表2中的K值进行数据拟合，得到式（7）如下所示，所对应的多项式各项系数见表3。

表2　S（t）=1的各低频率范围内S（t）检测值及校正系数KTab.2　The（t）values and correction coefficient K under the low frequency ranges when（t）=1

图9　对应0.5～4.5 Hz范围的S（t）校正曲线Fig.9　The modulation curve for S（t）within frequency 0.5～4.5 Hz

表3　拟合多项式的系数Tab.3　The coefficients of the polynomial

校正后的S（t）误差曲线见图10。

图10　校正前后S（t）误差曲线对比Fig.10　S（t）error curve comparison before and after correction

由此图10可知，通过添加校正参数环节，能够有效减小闪变检测系统在调幅波处于低频段时的测量误差，适用于风电并网电压闪变的检测。

3　风电场中闪变检测系统的应用

以某个装机总量为9 MW的风电场作为模型，如图11所示。风电场由6台1.5 MW双馈风力发电机组组成，发电机出口电压为690 V。将出口电压作为数字闪变检测系统的输入电压。

经过校正系数后的数字闪变检测得到短时闪变视感度曲线，如图12所示，得知S（t）符合标准低频段误差5%的要求，因此，理论上该风电场符合风电引起的电压闪变限值，可以接入电力系统。

图11　双馈风机并网模型Fig.11　Doubly-fed fan grid model

4　结语

利用Matlab/Simulink软件搭建IEC标准的数字化检测系统，通过仿真得到以下结论：

1）当调幅波在高频率范围，S（t）值的检测误差较小；当调幅波在低频率范围，S（t）值的检测误差则较大。

2）通过分析可知误差来源于视感度加权滤波环节，添加参数校正环节可以提高低频段检测精度。

图12　短时闪变视感度S（t）曲线Fig.12　Short-term flicker visual sensitivity S（t）curve

3）风力发电引起的闪变频率正好位于低频段，以一个双馈机并网风电场为例，利用所设计的数字闪变仪进行检测，通过仿真曲线显示，该风电场满足国标对风机并网电压闪变限值的要求。

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（编辑李沈）

Research on Grid-Connected Voltage Fluctuation and Flicker Detection System Suitable for Doubly-Fed Fan

LI Qianqian1，ZHANG Jiangbin1，LI Yalin2
（1.Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China；2.State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

The development of wind power is constrained by its power quality，and the influence of voltage fluctuation and flicker is one of factors which affect the power quality.At present，the flicker meter is often used to detect the voltage flicker which is caused when wind turbines are connected to the power grid.It is found the error is bigger when the flicker caused by the low frequency fluctuation is detected，and this is also the main frequency band where flickers occur when wind turbines are connected to the power grid.Therefore，this paper aims at how to reduce the low frequency band detection error.According to the IEC standard，the digital flicker detection system simulation model is built in the Matlab platform，using the bi-linear method to obtain the parameters of the system.According to the above situation，the paper analyzes the causes of the error，and based on the instantaneous flicker visual sensitivity in detection of S（t）correction parameters are introduced to reduce the low frequency error so that the requirements for the wind power grid flicker value detection are met.Finally，the detection system with coefficients corrected is applied in the actual case of the doubly-fed wind power generation system，and it has proved that the wind farm satisfies the requirement of the voltage flicker value in our country.

SIMULINK；doubly-fed wind generator；voltage fluctuation；flicker detection

1674-3814（2015）12-0126-06

TM933

A

2015-09-16。

李芊芊（1990—），女，西安理工大学硕士研究生，从事电力系统测量、保护与控制方向研究；

张江滨（1956—），男，教授，研究方向为电力系统运行与控制方向。