基于Hilbert的风力发电并网电压闪变检测

孙 雯 国 海 范智平 权 悦 徐朝胜

(安徽科技学院， 安徽 凤阳 233100)

基于Hilbert的风力发电并网电压闪变检测

孙 雯 国 海 范智平 权 悦 徐朝胜

(安徽科技学院， 安徽 凤阳 233100)

风力发电并网引起的电压闪变，对微网的安全稳定运行有很大的影响，也是制约风力发电规模化发展的一个因素。介绍了基于Hilbert变换的电压闪变检测原理，并仿真了在单一频率、多个频率、含有高次谐波3种情况下利用Hilbert变换提取电压闪变信号的包络线，证明了Hilbert变换能够很好地检测出闪变频率。

Hilbert变换； 电压闪变； 风力发电； Matlab

近年来，随着人们环保意识的增强，全球风力发电等可再生能源产业迅速发展。由于风速风向变化的随机性、间歇性和波动性，其风电装置的输出电能也具有随机性、间歇性和波动性。若将其并网，虽有储能装置对电能进行削峰填谷，但仍会对微网的电能质量造成严重影响，特别是电压闪变、电压波动等问题[1-2]。

1 电压闪变及其检测方法

风力发电并网后，由于风力发电的随机性和波动性，以及大量电力电子器件的应用，会造成微网中的信号是非平稳、非线性的。

若能实时检测风力发电并网所引起的电压闪变，就可以及时改善电能质量，提高微网运行的可靠性、安全性以及稳定性[3]。

电压闪变的多种检测方法见表1[3-5]。比较可知，Hilbert变换法能从时域和频域同时对信号进行分析，能较准确地检测出非平稳的突变信号的时间、幅值和频率的变化，精度高，运算简单，易于实现，非常适用于微网中电压闪变的检测。

表1 电压闪变检测方法比较

2 基于Hilbert变换的电压闪变检测

任意给定信号x(t)经傅里叶变换后的信号实部和虚部，其幅频响应及相频响应都存在。利用Hilbert变换，可以构造出相应的仅含有正频率成分的解析信号，从而降低信号的抽样率[6-8]。

Hilbert变换器如图1所示。

图1Hilbert变换器

假设一个连续时间信号x(t)，经过Hilbert变换可得：

(1)

h(t)=1(πt)

(2)

因jh(t)=j(πt)的傅里叶变换是符号函数sgn(Ω)，故Hilbert变换器的频率响应为：

(3)

若令

H(jΩ)=|H(jΩ)|ejφ(Ω)

(4)

则

|H(jΩ)|=1

(5)

(6)

Hilbert变换器的频率响应如图2所示。

图2 Hilbert变换器的频率响应

故Hilbert变换器是幅频特性为1的全通滤波器。连续时间信号x(t)通过Hilbert变换器后，负频率成分作+90°相移，正频率成分作-90°相移。

定义Z(t)为信号x(t)的解析信号:

(7)

经傅里叶变换得：

(8)

故

(9)

由式(8)可知，经Hilbert变换后的解析信号Z(jΩ)只含有正频率成分,且为原信号x(t)正频率分量X(jΩ)的2倍。由于最高频率Ωc不变，这时只需Ωs≥Ωc，即可由x(n)恢复出x(t)。

连续信号x(t)通过Hilbert变换器，相当于通过一全通滤波器，信号频谱的幅度不发生变化，只有相位发生变化。

若信号

x(t)=Asin(2πf0t)

(10)

经Hilbert变换得

(11)

即正、余弦函数构成一对Hilbert变换对。

通常可以将电网波动电压看成是以工频额定电压为载波，电压幅值在一定频率范围内波动的调幅波。其数学模型为：

(12)

式中：Um—— 载波电压幅值，V；

ωm—— 基波角频率，Hz；

mi—— 调幅波调制系数，无量纲；

ωi—— 调幅波角频率，Hz。

假定波动电压u(t)：

u(t) =U0(sin2πf0t+msin2πΩtsin2πf0t)

(13)

故波动电压可看成一工频电压为U0、频率为(f0+Ω)Hz和(f0-Ω)Hz的间谐波合成信号。

(14)

再合成解析信号：

(15)

Z(t)的幅值为：

(16)

即为波动信号。

3 仿真验证

假定单一频率调制分量对基波调制后，得闪变电压信号：

u(t)=(1+mcos2πΩt)·cos2πf0t

(17)

式中：m—— 调制系数，取0.1；

Ω—— 调幅波频率，取8.8 Hz；

f0—— 载波电压频率，取50.0 Hz。

对式(17)单一频率电压闪变信号的检测结果如图3所示。进行加窗插值FFT计算后，可得闪变频率为8.8 Hz。

图3 单一频率电压闪变检测结果

若在原电压波动信号上再叠加一角频率θ=15 Hz、调制系数n=0.05、频率f=15.0 Hz的调幅波，则得多频率电压信号：

u(t)=(1+mcos2πΩt+ncos2πθt)·cos2πf0t

(18)

对式(18)多频率电压闪变信号的检测结果如图4所示。可知闪变频率有2个尖峰值，分别为 8.8 Hz 和15.0 Hz。

图4 多频率电压闪变检测结果

若考虑高次谐波和间谐波对检测过程的影响，在原信号上叠加3次和5次谐波后产生的信号为：

u(t)=(1+mcos2πΩt)·(cos2πf0t+ 0.3cos2π3f0t+0.2cos2π5f0t)

(19)

带高次谐波电压闪变检测结果如图5所示。可知，含有谐波的闪变信号频率为8.8 Hz。

图5 带高次谐波电压闪变检测结果

通过对单一频率、多频率、带高次谐波3种情况下电压闪变检测实例仿真，利用Hilbert变换提取出闪变信号的包络线，得出Hilbert变换能够很好地描述闪变变化趋势，检测出闪变频率，验证了Hilbert变换法用于电压闪变检测的可行性和准确性。

4 结 语

基于Hilbert变换对风力发电并网引起的电压闪变进行检测，仿真结果验证了该电压闪变检测方法的可行性，为电压闪变补偿装置的设计提供了技术支持，为并网电能质量的改善奠定了理论基础。

[1] 郭琳，王萍，王慧慧.风力发电并网电压扰动信号的分析与检测[J].电源学报，2015，13(5):15-21.

[2] 李婉娉，李鹏，刘承佳，等.风力发电并入微网电能质量分析与检测[J].电网与清洁能源，2012，28(14):86-90.

[3] REDONDO K， LAZKANO A， SAIZ P，et al.A Strategy for Improving the Accuracy of Flicker Emission Measurement From Wind Turbines [J].Electric Power Systems Research，2016，133(1)：12-19.

[4] 沈杨，戴本祁，张惠东.基于小波和扩展Prony算法的电压闪变检测新方法[J].电力系统保护与控制，2010，38(10):43-47.

[5] 王红星，陈歆技.电压波动与闪变检测方法的研究与仿真[J].科技资讯，2015，34(1):54-59.

[6] Y Önal，DG Ece，Ömer Nezih Gerek.Hilbert-Huang Transform Based Approach for Measurement of Voltage Flicker Magnitude and Frequency [J].Electric Power Components and Systems，2015，43(2)：167-176.

[7] 王玉，徐利梅，邵仕泉.Hilbert-huang变换在微网电能质量中的应用[J].中国电力教育，2013，13(5):219-220.

[8] 费丽强，李鹏，李晓春.基于HHT变换的微网中电压闪变与谐波检测新技术[J].电网与清洁能源，2011，27(11):9-12.

Abstract:As voltage flicker caused by wind power interconnected with grid has great impacts on the stable and safety operation of grid, which is also a factor of restricting the scale development of wind power generation. This paper introduced the principles of voltage flicker detection based on Hilbert. And, the simulation research based on Hilbert was carried out to extract envelope of voltage flicker signal at three situations, such as single frequency, multiple frequencies and high harmonic. The simulation results had verified the effectiveness of detecting flicker frequency by Hilbert transform.

Keywords:Hilbert; voltage flicker; wind power generation; Matlab

DetectionofVoltageFlickerCausedbyWindPowerInterconnectedwithGridBasedonHilbert

SUN Wen GUO Hai FAN Zhiping QUAN Yue XU Chaosheng

(Anhui Science and Technology University, Fengyang Anhui 233100, China)

TM61

A

1673-1980(2017)05-0094-04

2017-03-21

安徽省高校自然科学研究重点项目“三相-单相矩阵变换器容错控制研究”(KJ2016A170)； 安徽省高校自然科学研究重点项目“基于TFET的新型电荷俘获型存储器的研究”(KJ2017A502)；安徽科技学院人才引进项目“微网混合储能系统的协调控制”(ZRC2014467)

孙雯(1990 — )，女，助教，研究方向为微网储能、能量管理。