国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)電能質(zhì)量分析與檢測

2012-10-22 09:05李婉娉李鵬劉承佳白寅凱
電網(wǎng)與清潔能源 2012年4期
關(guān)鍵詞:微網(wǎng)風(fēng)力電能

李婉娉,李鵬,2,劉承佳,白寅凱

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué)),河北保定071003;2.華北電力大學(xué)蘇州研究院,江蘇蘇州215123;3.內(nèi)蒙古北方龍源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

作為主電網(wǎng)的有效互補電網(wǎng),微網(wǎng)把新能源及可再生能源發(fā)電有效地整合在一起,不僅能夠提高能源的利用效率,而且供電的可靠性和安全性也得到了保障。近年來,全球風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展,作為技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一,風(fēng)力發(fā)電越來越受到各國的重視并得到了廣泛的開發(fā)和利用。

風(fēng)力發(fā)電以風(fēng)作為動力源,風(fēng)速和風(fēng)向具有隨機變動的自然特性,且風(fēng)電機組本身不具有電能存儲的功能,因此風(fēng)電機組輸出的電能也是隨機變動的。這種隨機的、隨風(fēng)速變動的功率注入微網(wǎng),將會對微網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響,如電壓波動和閃變、諧波、電壓偏差等[1]。

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的增大,其并入微網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題必將越來越嚴(yán)重,在某些情況下電能質(zhì)量問題將成為制約風(fēng)電機組裝機容量的主要因素。因此,對風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)引起的電能質(zhì)量問題進行分析與檢測具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

1 微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機

由于微網(wǎng)具有分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)的各種優(yōu)點,并且克服了其在大電網(wǎng)故障時必須馬上退出運行的缺陷[3],目前已經(jīng)被世界各國政府所重視。現(xiàn)在,國際上對微網(wǎng)的定義尚未統(tǒng)一。美國電氣可靠性技術(shù)協(xié)會(CERTS Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)給出的定義為:微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng),它可同時提供電能和熱量;微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換,并提供必需的控制;微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元,并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等要求[4]。

微網(wǎng)中的微電源多為帶有電力電子接口的小型發(fā)電機組。例如,太陽能發(fā)電,微型燃?xì)廨啓C,風(fēng)電機組,小型熱電聯(lián)產(chǎn)機組以及柴油發(fā)電機等[5]。圖1為風(fēng)力發(fā)電機組并入微網(wǎng)的簡單示意圖。

圖中風(fēng)力發(fā)電機通過電力電子接口與電網(wǎng)相連,SSB為固態(tài)短路器,PCC為微網(wǎng)的公共連接點。

圖1 微網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電機Fig.1 The wind turbines in microgrid

2 風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量

電能質(zhì)量問題可以劃分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和暫態(tài)電能質(zhì)量問題。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題主要包括長期電壓變化、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波等持久性的電壓或頻率變化。暫態(tài)電能質(zhì)量問題的主要表現(xiàn)形式有:脈沖暫態(tài)、振蕩暫態(tài)、電壓跌落、電壓凸起、電壓間斷等。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題己為人們所熟悉,我國在這方面也有多年的研究,與之相關(guān)的定義、指標(biāo)和監(jiān)測方法在國標(biāo)中有詳細(xì)規(guī)定[6-7]。

2.1 電壓波動和閃變問題

風(fēng)電機組在變動的風(fēng)速作用下,其輸出功率具有變動的特性,可能引起所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點(如并網(wǎng)點)的電壓波動[8]。研究表明,0.05~35 Hz頻率范圍內(nèi)的電壓波動將引起人眼可覺察到的閃變問題。電壓波動值為電壓均方根值的極大值Umax與極小值Umin之差ΔU占額定電壓UN的百分比[9],即

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的閃變大多是由大容量、沖擊性負(fù)荷造成的,而風(fēng)電機組引起的電壓波動和閃變問題歸根結(jié)底是由于風(fēng)電機組輸出功率的波動引起的[7-8]。

下面對風(fēng)電機組輸出功率波動引起的電壓波動和閃變進行機理分析。

圖2為風(fēng)電機組并網(wǎng)示意圖。其中U觶1為機組出口電壓相量,U觶2為微網(wǎng)電壓相量,R為線路電阻,X為線路電抗,S為線路上流動的功率相量。

圖2 風(fēng)電機組并網(wǎng)等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit diagram of gridconnected wind turbines

圖3 風(fēng)電機組并網(wǎng)等效向量圖Fig.3 The equivalent vector diagram of grid-connected wind turbines

式中,S觶=P+j Q??傻?/p>

由于線路首末端相角δ較小,電壓降的橫分量可忽略不計,電壓降可近似用其縱分量來表示

由式(4)可知,當(dāng)風(fēng)電機組輸出的有功和無功功率發(fā)生快速變化時,會引起電網(wǎng)電壓的波動,進而引起閃變。

2.2 諧波問題

在微網(wǎng)中,作為供電電源和用電設(shè)備間的非線性接口電路,所有電力電子裝置在實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換和控制的時候,都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形,向電力系統(tǒng)注入諧波電流,使公共連接點(PCC)的電壓波形嚴(yán)重畸變,并產(chǎn)生很強的電磁干擾(EMI),對微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了潛在的威脅。

目前風(fēng)力發(fā)電大多采用直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機,這2種風(fēng)力發(fā)電機都屬于變速風(fēng)力機,均采用大容量的電力電子元件且在電網(wǎng)側(cè)都使用PWM逆變器進行變流。變速風(fēng)電機組并入微網(wǎng)后,變流器將始終處于工作狀態(tài),整流逆變就必然會帶來諧波污染,這些諧波電流注入微網(wǎng)中,會引起微網(wǎng)電壓的畸變,降低了電能質(zhì)量。運用PWM開關(guān)變流器和合理設(shè)計的濾波器能夠使諧波畸變最小化,甚至可以使諧波的影響忽略。但如果電力電子裝置的開關(guān)頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi),則會產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題,諧波電流的大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系,也就是與風(fēng)速大小有關(guān)。除此之外,如果風(fēng)機的并聯(lián)補償電容器和線路電抗發(fā)生諧振,則會對諧波起嚴(yán)重放大作用[10-11]。

2.3 電壓偏差問題

供電系統(tǒng)在正常運行方式下,某一節(jié)點的實際電壓Ur(kV)與系統(tǒng)額定電壓UN(kV)之差對系統(tǒng)額定電壓的百分?jǐn)?shù)稱為該節(jié)點的電壓偏差δU。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

電壓均方根值偏離額定值的現(xiàn)象稱為電壓變動,但電壓偏差是僅僅針對電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)而言的。電力系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下,機組或負(fù)荷投切所引起的系統(tǒng)電壓偏差一般不大于10%,電壓偏差強調(diào)的是實際電壓偏差系統(tǒng)額定電壓的數(shù)值,與偏差持續(xù)的時間無關(guān)[1,11]。

微網(wǎng)中的負(fù)荷以及發(fā)電機組的出力具有隨機性,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著運行方式的改變而改變,這些因素都將引起微網(wǎng)功率的不平衡。微網(wǎng)中無功功率不平衡時將會有大量無功功率流經(jīng)輸電線路,造成線路首末端電壓差。系統(tǒng)無功功率不平衡是引起系統(tǒng)電壓偏差的根本原因。

3 基于Hilbert-Huang變換的電壓偏差檢測

對風(fēng)力發(fā)電機并入微網(wǎng)引發(fā)的電能質(zhì)量問題進行實時的檢測與定位,是研究和治理電能質(zhì)量問題的前提,將有助于微網(wǎng)電能質(zhì)量的提高。Hilbert-Huang變換方法是一種分析非平穩(wěn)、非線性信號的新的信號處理方法。該方法可以從時域和頻域兩方面同時對信號進行分析,能夠準(zhǔn)確檢測出突變、非平穩(wěn)信號的時間和幅值信息。近年來,許多學(xué)者將其應(yīng)用在電能質(zhì)量問題的檢測中,并取得了較為理想的效果[12-15]。文獻[12]已經(jīng)提出采用Hilbert-Huang變換(HHT)方法對電壓波動和閃變信號及諧波信號進行檢測。在此,本文將該方法應(yīng)用在電壓偏差問題的檢測上同樣取得了較好的效果。

3.1 HHT的基本原理

HHT是由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)及Hilbert變換(HT)2部分構(gòu)成的。對于一個給定的信號,先利用EMD方法對其進行分解,從而得到一系列固有模態(tài)分量(IMF),然后對每一個IMF分量進行Hilbert變換,求出其瞬時幅值和瞬時頻率。由于EMD分解的過程是根據(jù)信號自身的特點進行的,因此其對信號具有很強的自適應(yīng)性。經(jīng)過EMD分解后,信號可以由式(6)表示式中,ci為IMF分量;rn為殘余分量。當(dāng)rn為常數(shù)或者單調(diào)函數(shù)時,分解過程即可停止。用EMD方法提取出來的IMF分量必須滿足2個條件:1)其極值點和過零點的數(shù)目必須相等或者最多相差一個;2)連接局部極大值點所形成的上包絡(luò)線和連接局部極小值點所形成的下包絡(luò)線的均值在任一點處為0。

對于IMF分量的Hilbert變換有如下定義。正變換

反變換

從而得到解析信號x(t)為

還可以表示為 x(t)=a(t)ejθ(t)

式中,a(t)為瞬時幅值;θ(t)為瞬時相位。

則對于IMF分量的瞬時頻率,可以按式(11)進行計算

3.2 仿真驗證

為了模擬風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的電壓偏差現(xiàn)象,我們搭建了電壓偏差擾動模型,如式(12)所示。在以下仿真測試中,首先采用EMD方法提取電壓偏差信號的固有模態(tài)函數(shù)(IMF)分量,然后再對所提取出來的IMF分量作Hilbert變換求其瞬時頻率和瞬時幅值。由于是仿真測試,在此沒有嚴(yán)格按照電壓偏差對于時間的定義,所得出的電壓波形如圖4所示。

式中,f=50 Hz。

用HHT對圖4的電壓偏差波形進行檢測,取采樣頻率為10 000 Hz,擾動發(fā)生和終止時刻的理論值分別是0.3 s和0.6 s,擾動幅度為0.1。顯然,電壓偏差擾動信號滿足IMF的2個條件,因此可以直接對其進行Hilbert變換,得到的檢測結(jié)果如圖5所示。在0.3 s和0.6 s這2個時刻,幅值發(fā)生了突變,下降幅度為0.1,與事先設(shè)定的電壓偏差擾動模型的屬性一致,因此運用HHT方法可以精確地檢測出電壓偏差擾動波形的起止時刻和擾動幅值。

圖4 風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)的電壓偏差擾動波形Fig.4 The voltage deviation caused by the gridconnection of wind turbines

圖5 電壓偏差信號的HHT檢測結(jié)果Fig.5 The detection results of voltage deviation based on the HHT

4 結(jié)語

本文首先對風(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)引發(fā)的電能質(zhì)量問題進行分析。通過分析可知風(fēng)電場輸出功率波動、風(fēng)電場電力電子裝置的介入以及風(fēng)電場與電網(wǎng)之間有功和無功的傳遞是風(fēng)電場引發(fā)這些電能質(zhì)量問題的根本原因。對于風(fēng)電場并網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題,可以采用提高系統(tǒng)的電抗和無功補償?shù)却胧﹣砀纳齐妷洪W變和電壓波動問題,諧波問題則通過采用多脈沖整流電路、APF來解決。但仍需進一步研究和完善合理有效的電能質(zhì)量控制措施,以使微網(wǎng)穩(wěn)定運行,以最大限度地利用風(fēng)力資源。

針對電壓偏差問題,本文提出采用Hilbert-Huang變換方法對其進行檢測,仿真結(jié)果表明了該方法在檢測電壓偏差問題的上有效性,為微網(wǎng)電能質(zhì)量的提高提供了一定的技術(shù)支持。

[1] 雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(8):84-89.LEI Ya-zhou.Studies on wind farm integration into power system[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(8):84-89(in Chinese).

[2] 王純琦.大型風(fēng)力發(fā)電場接入電網(wǎng)電能質(zhì)量問題研究[D].烏魯木齊:新疆大學(xué),2007.

[3] 雷金勇,李戰(zhàn)鷹,盧澤漢,等.分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統(tǒng)影響研究綜述[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2011,5(4):46-50.LEI Jin-yong,LI Zhan-ying,LU Ze-han,et al.Review on the research of distributed generation technology and its impacts on electric power systems[J].South Power System Technology,2011,5(4):46-50(in Chinese).

[4] 魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(19):100-106.Lu Zhong-xiang,Wang Cai-xia,Min Yong,et al.Overview on microgrid research[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(19):100-106(in Chinese).

[5] LASSETER RH,AKHIL A,MARNAY C,et al.Integration of distributed energy resources:the CERTS microgrid concept[R].USA:Consortiumfor Electric Reliability Technology Solutions,2002.

[6] 林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,23(10):1-4.LIN Hai-xue.Main problems of modern power quality[J].Power System Technology,2003,23(10):1-4(in Chinese).

[7] 林海雪.電力系統(tǒng)電壓波動和閃變標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,31(11):1-6.LIN Hai-xue.On the standard of voltage fluctuation and flicker in power system[J].Power System Technology,2011,31(11):1-6(in Chinese).

[8] 伍青安,袁越,吳博文,等.基于Hilbert-Huang變換的風(fēng)電場閃變[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(4):39-43.WU Qing-an,YUAN Yue,WU Bo-wen,et al.Wind farm voltage flicker based on Hilbert-Huang transform[J].Power System and Clean Energy,2011,27(4):39-43(in Chinese).

[9] 孫濤,王偉勝,戴慧珠,等.風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動和閃變[J].電網(wǎng)技術(shù).2003,27(12):62-66.SUNTao,WANGWei-sheng,DAIHui-zhu,et al.Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generation[J].Power System Technology.2003,27(12):62-66(in Chinese).

[10]刁瑞盛.風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的影響研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[11]肖湘寧,韓民曉,徐永海,等.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.

[12]李天云,趙妍,韓永強,等.Hilbert-Huang變換方法在諧波和電壓閃變檢測中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(2):73-77.LITian-yun,ZHAOYan,HANYong-qiang,et al.Application of Hilbert-Huang transform method in detection of harmonic and voltage flicker[J].Power System Technology,2005,29(2):73-77(in Chinese).

[13]費麗強,李鵬,李曉春,等.基于HHT變換的微網(wǎng)中電壓閃變與諧波檢測新技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(11):9-12.FEILi-qiang,LIPeng,LIXiao-chun,et al.A new detection technology of voltage flicker and harmonics in microgrid based on HHTtransform[J].Power Systemand Clean Energy,2011,27(11):9-12(in Chinese).

[14]張宇輝,賀健偉,李天云.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和HHT的諧波和間諧波檢測方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(17):46-51.ZHANGYu-hui,HEJian-wei,LITian-yun.A new method to detect harmonics and inter-harmonics based on mathematical morphology and Hilbert-Huang transform[J].Power System Technology,2005,25(17):52-56(in Chinese).

[15]王波,楊洪耕.電力系統(tǒng)電壓短期擾動的三角模態(tài)檢測方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2005,20(11):101-105.WANG Bo,YANG Hong-geng.Triangle mode method for detection of short-term voltage disturbance of power system[J].Transactions Of China Electrotechnical Society,2005,20(11):101-105(in Chinese).

猜你喜歡
微網(wǎng)風(fēng)力電能
海上漂浮式風(fēng)力發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)研究
蘋果皮可以產(chǎn)生電能
電能的生產(chǎn)和運輸
海風(fēng)吹來的電能
澎湃電能 助力“四大攻堅”
大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備潤滑概要
基于OMAP-L138的微網(wǎng)控制器設(shè)計
基于改進下垂法的微網(wǎng)并網(wǎng)控制策略研究
用于微網(wǎng)逆變器并聯(lián)的控制策略
低壓微網(wǎng)中的單相電壓獨立下垂控制策略