基于準(zhǔn)同步采樣光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波分析方法*

薛 萍，朱琳琳，王宏民

(哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于準(zhǔn)同步采樣光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波分析方法*

薛 萍，朱琳琳，王宏民

(哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在非同步采樣的情況下，針對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)方法存在計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差、頻譜泄露以及柵欄效應(yīng)等缺陷，提出一種基于同步采樣的諧波檢測(cè)算法，首先將非同步采樣序列準(zhǔn)同步化，然后利用基于Nuttall窗改進(jìn)的 FFT諧波分析算法進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)同步化的序列運(yùn)算，將整個(gè)基于準(zhǔn)同步諧波分析方法應(yīng)用于自主研制的光伏發(fā)電綜合測(cè)量裝置中。測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠有效地消除光伏發(fā)電系統(tǒng)中頻率波動(dòng)等現(xiàn)象帶來(lái)的影響，抑制頻譜泄露效果良好，提高了計(jì)算諧波參數(shù)的準(zhǔn)確度，并且具有較高的抗干擾能力。

頻率波動(dòng)；諧波分析；準(zhǔn)同步采樣；頻譜泄露；Nuttall窗

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少，太陽(yáng)能發(fā)電得到了人們的追捧，而光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的主要方面，所以光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)日益蓬勃。但由于光伏系統(tǒng)中的逆變器引入大量的諧波，諧波的存在會(huì)給現(xiàn)有諧波補(bǔ)償裝置帶來(lái)嚴(yán)重影響，因此掌握電網(wǎng)中諧波的成分含量，對(duì)有效地防止諧波造成的危害，維護(hù)電網(wǎng)中用電設(shè)備具有重大意義。

FFT具有采樣精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波分析中。但是由于光伏發(fā)電系統(tǒng)易受外界因素影響，造成了電網(wǎng)的頻率波動(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采用FFT進(jìn)行諧波分析時(shí)，很難保證同步采樣，出現(xiàn)了頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。針對(duì)這種現(xiàn)象，現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)FFT算法都有改進(jìn)。文獻(xiàn)[1]采用IEC方法，可以在一定程度上減少頻譜泄露的影響，但是無(wú)法獲得頻率的相位信息，而且可能發(fā)生誤檢和漏檢現(xiàn)象；文獻(xiàn)[2]采用基于加窗值FFT的二級(jí)算法可以提高測(cè)量精度，但是對(duì)諧波參數(shù)要求較高，不宜適用光伏發(fā)電系統(tǒng)的諧波分析；文獻(xiàn)[3]采用加窗插值 FFT算法，在一定程度上能夠抑制頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，但是應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，仍存在精度不夠的缺陷。針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要采用基于準(zhǔn)同步采樣的分析方法，首先利用時(shí)域插值的方法將非同步序列同步化[4]，然后對(duì)準(zhǔn)同步化后的采樣序列采用基于 4項(xiàng) 3階 Nuttall窗改進(jìn)的 FFT算法進(jìn)行運(yùn)算[5]。通過(guò)對(duì)采用此種算法的光伏發(fā)電綜合測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比可知，該方法能有效地抑制頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，快速準(zhǔn)確地提取出光伏發(fā)電系統(tǒng)的諧波參數(shù)，并且抗干擾能力比較強(qiáng)。

1 頻譜泄露問(wèn)題

當(dāng)FFT處理信號(hào)時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)時(shí)域上的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，但是?dāng)信號(hào)被截?cái)嗪?，在截?cái)帱c(diǎn)處頻率為fh的譜線就不再是單一譜線，而是以fh為中心的相鄰范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)譜線。在非同步采樣的情況下，諧波頻率和信號(hào)的基波很難達(dá)到頻率分辨率的整數(shù)倍，即基波和諧波頻率會(huì)落在相鄰兩個(gè)頻率點(diǎn)上，通過(guò)FFT計(jì)算得出的結(jié)果只是基波和諧波相鄰頻率點(diǎn)的值，這種情況就導(dǎo)致了頻譜泄露的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致FFT分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

圖1為非同步采樣后的頻譜圖，從圖中可以看出，非同步采樣因?yàn)轭l譜泄露問(wèn)題使計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差。

圖1 非同步采樣后的頻譜

2 基于準(zhǔn)同步采樣的諧波檢測(cè)方法

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于其本身性質(zhì)，容易受到光照等外界條件的干擾，使得轉(zhuǎn)化的電信號(hào)變成非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，基于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)等仍很難做到同步采樣。

2.1 非同步序列的準(zhǔn)同步化

在同步采樣情況下，采樣序列滿(mǎn)足下式：

其中 N、Ts、P、T0分別表示采樣序列個(gè)數(shù)、采樣周期、非零整數(shù)、基波周期。

當(dāng)在非同步采樣的情況下，式(1)中的P顯然不為整數(shù)，若是P仍然為整數(shù)，應(yīng)當(dāng)調(diào)整采樣周期使得：

租賃行業(yè)是一種重投資，收益小的行業(yè)，傳統(tǒng)的租賃單位往往考慮的是以降低自身綜合成本，來(lái)增加公司自身利潤(rùn)，但是租賃行業(yè)屬于服務(wù)行業(yè)，服務(wù)的質(zhì)量決定公司后期發(fā)展的規(guī)模，降低自身綜合成本往往會(huì)影響到公司市場(chǎng)的服務(wù)質(zhì)量，從短期來(lái)看的確能夠達(dá)到一定的盈利收入，但是后期市場(chǎng)擴(kuò)大，這種租賃公司整體會(huì)陷入疲軟狀態(tài)，有損自身公司的品牌建設(shè)，就目前的租賃單位來(lái)說(shuō)，在業(yè)務(wù)的經(jīng)營(yíng)存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題。

Tsh、L分別表示調(diào)整后的采樣周期、一個(gè)非零整數(shù)。

式(2)中，若要求出準(zhǔn)采樣周期 Tsh需要準(zhǔn)確地求出T0。

具體步驟如下：

(1)對(duì)滿(mǎn)足奈奎斯特采樣條件的電力信號(hào)以一個(gè)固定采樣頻率進(jìn)行等間隔采樣；(2)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波預(yù)處理；(3)對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行插值處理，求出基波周期；(4)根據(jù)式(2)求出 Tsh，以 Tsh為間隔進(jìn)行插值運(yùn)算，由此得到準(zhǔn)同步采樣序列；(5)將式(4)得到的準(zhǔn)同步采樣序列采用改進(jìn)的 FFT算法進(jìn)行運(yùn)算；(6)求出諧波參數(shù)。

2.2 基于Nuttall窗的改進(jìn)FFT諧波分析算法

2.2.1 雙譜線插值算法

幅值則通過(guò)對(duì)k1和k2兩條譜線的幅值進(jìn)行加權(quán)平均求得，公式為：

2.2.2 基于Nuttall窗的FFT諧波參數(shù)求解

在選用加窗插值法中，窗函數(shù)的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響后期整個(gè)結(jié)果的精度。在選擇窗函數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇旁瓣峰值電平小和衰減速率大的窗函數(shù)，4項(xiàng) 3階 Nuttall窗[6]相對(duì)來(lái)說(shuō)是個(gè)不錯(cuò)的選擇，其時(shí)域表示為：

將式(9)帶入式(4)求取擬合多項(xiàng)式可得到 α的逼近式：

同理，將式(9)帶入式(6)可得幅值修正公式為：

3 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)諧波源進(jìn)行測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)使用自主研制的 LJPV—100光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合測(cè)量裝置，在非同步采樣模式下對(duì)自主研制的諧波源生成的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量裝置采用的是本文所述算法。

LJPV—100光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合測(cè)量裝置總體分為三部分：在信號(hào)模擬量輸入模塊中，主要實(shí)現(xiàn)三相電流、電壓的大信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后，使信號(hào)轉(zhuǎn)換到適合AD采樣的小信號(hào)；在數(shù)據(jù)采集模塊中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過(guò)FPGA控制利用高速 PCI總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)；在顯示模塊中，通過(guò)上位機(jī)軟件編程，完成了信號(hào)波形、諧波分析的結(jié)果以及一些電能參數(shù)的顯示及數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 諧波實(shí)時(shí)勘測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

諧波源輸出的參數(shù)如下：基波頻率50 Hz，基波電壓有效值 176.7 V，同時(shí)加入2、13、22、25、34、39次諧波，諧波含量分別為10%、5%、7%、8%、8%，10%，采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為1 024個(gè)。測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果的上位機(jī)界面如圖 3。

圖3 測(cè)試結(jié)果

從圖中可以看出：整個(gè)裝置可以準(zhǔn)確地測(cè)量出諧波的含有率、基波頻率以及電壓幅值等參數(shù)。具體諧波含有率的測(cè)試結(jié)果和誤差分析如表1。

表1 誤差分析

由表中可以看出諧波電壓幅值誤差在 4.45%左右，符合I類(lèi)測(cè)試儀準(zhǔn)確度要求。根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]，直接采用FFT測(cè)量諧波電壓幅值誤差可達(dá)到 27%；IEC分群方法測(cè)量諧波電壓幅值的誤差在8%左右；采用基于加窗值FFT的二級(jí)算法測(cè)量諧波電壓幅值的誤差大約在5%左右。綜上所述，在非同步采樣的情況下，采用本文所述方法可以有效減少頻譜泄露問(wèn)題，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

本文根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性質(zhì)，在非同步采樣的情況下，針對(duì)FFT以及改進(jìn) FFT算法的缺陷，提出了基于準(zhǔn)同步采樣方法的諧波檢測(cè)方法。該方法主要利用在時(shí)域?qū)⒎峭讲蓸忧闆r下得到的序列根重構(gòu)得到準(zhǔn)同步化序列，然后采用基于Nuttall窗改進(jìn)的 FFT算法對(duì)準(zhǔn)同步化后的序列運(yùn)算，求取諧波參數(shù)。該方法已經(jīng)應(yīng)用于LTPV-100光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合測(cè)量裝置中，測(cè)得準(zhǔn)確度符合I類(lèi)分析儀的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)以往文獻(xiàn)中采用各類(lèi)算法測(cè)得后的誤差做比較，顯然基于準(zhǔn)同步采樣的諧波分析方法，通過(guò)有效地抑制頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出諧波參數(shù)，并且整個(gè)裝置的抗干擾能力較強(qiáng)，可靠性較高。因此，基于準(zhǔn)同步采樣的諧波分析方法比較適合應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能夠有效地減少光伏發(fā)電系統(tǒng)中頻率波動(dòng)等現(xiàn)象造成的影響。

[1]IEC std.61000-4-7.General guide on harmonics and nterharmonics measurement and instrumentation,for power supply systems and equipment connected there to[S].2002.

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[3]蔡曉峰，張鴻博，魯改鳳.應(yīng)用三譜線插值 FFT分析電力諧波的改進(jìn)算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(2)：33-39.

[4]陳隆道，錢(qián)照明，張圣訓(xùn).周期域分析中非同步取樣數(shù)據(jù)的同步化[J].電子學(xué)報(bào)，2001，29(7)：950-953.

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The algorithm for harmonic in photovoltaic power system based on the quasi-synchronous sampling

Xue Ping，Zhu Linlin，Wang Hongmin
(School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

In the case of non-synchronous sampling,for defect in existing detection methods,as large amount of calculation,realtime performance，spectrum leakage and so on.This paper presents a harmonic detection algorithm based on quasi-synchronous sampling.Firstly make the asynchronous sampling sequence become quasi-synchronous.Secondly operate the quasi-synchronous sequence used the improved FFT algorithm based on Nuttall window.The algorithm is applied in PV integrated measurement device. Test results show that this algorithm can effectively eliminate the effects which frequency fluctuations and other phenomena in PV power system brought.It has a high accuracy and is good at anti-jamming capability.

frequency fluctuation；harmonic analysis；quasi synchronous sampling；spectrum leakage；Nuttall window

TM61

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.034

薛萍，朱琳琳，王宏民.基于準(zhǔn)同步采樣光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波分析方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (11)：121-123，131.

英文引用格式：Xue Ping，Zhu Linlin，Wang Hongmin.The algorithm for harmonic in photovoltaic power system based on the quasi-synchronous sampling[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：121-123，131.

2015-07-11)

薛萍(1969-)，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電子計(jì)算機(jī)信息控制與應(yīng)用技術(shù)、半導(dǎo)體應(yīng)用。

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究研發(fā)項(xiàng)目（GC13A412）

朱琳琳(1990-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：光電器件和半導(dǎo)體發(fā)光器件、光電控制，E-mail：471888365@qq.com。

王宏民(1962-)，男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：大功率LED。