適用于雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變檢測(cè)系統(tǒng)的研究

李芊芊，張江濱，李亞琳

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安　710048；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安　710048）

適用于雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電壓波動(dòng)與閃變檢測(cè)系統(tǒng)的研究

李芊芊1，張江濱1，李亞琳2

（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安710048）

風(fēng)電因電能質(zhì)量問題影響使其發(fā)展受到制約，電壓波動(dòng)及閃變是其中之一。使用目前的閃變儀對(duì)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)引起電壓閃變進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在檢測(cè)低頻段波動(dòng)引起的閃變時(shí)誤差較大，而這也是風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生閃變的主要頻段。因此，如何使低頻段檢測(cè)誤差減小是該文研究的意義。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，在Matlab平臺(tái)建立數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)仿真模型，并利用雙線性方法求得系統(tǒng)的參數(shù)。針對(duì)上述情況，分析其誤差產(chǎn)生的原因，通過對(duì)檢測(cè)的瞬時(shí)閃變視感度S（t）引入?yún)?shù)校正以減小低頻檢測(cè)誤差，使其滿足風(fēng)電并網(wǎng)閃變值檢測(cè)的要求。最后將修正系數(shù)后的檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用在一個(gè)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例中，證明該風(fēng)電場(chǎng)滿足我國(guó)電壓閃變值要求。

SIMULINK；雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電壓波動(dòng)；閃變檢測(cè)

風(fēng)力發(fā)電在飛速發(fā)展的同時(shí)，由于輸出功率的波動(dòng)給接入電網(wǎng)帶來一定影響，使其發(fā)展受到制約。在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程當(dāng)中，風(fēng)速的變化、塔影效應(yīng)等各種情況下可能會(huì)造成電壓波動(dòng)；葉輪旋轉(zhuǎn)過程當(dāng)中的轉(zhuǎn)矩處于非穩(wěn)定狀態(tài)、風(fēng)機(jī)起停和發(fā)電機(jī)的切換，會(huì)導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)，造成電壓波動(dòng)和電壓閃變［1］。對(duì)電壓閃變進(jìn)行精確檢測(cè)能夠更好地了解電能質(zhì)量狀況，以便采取合理的措施來控制或抑制閃變。因此，選擇合適的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)出規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的閃變檢測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)際的研究?jī)r(jià)值和意義［2］。目前，國(guó)外對(duì)于電壓閃變儀都有一定程度的研究，如日本有△V10檢測(cè)儀、法國(guó)有EDF檢測(cè)儀、德國(guó)有FGH檢測(cè)儀等［3］，但這些閃變檢測(cè)儀主要適用于檢測(cè)電弧爐等較高頻率波動(dòng)造成的閃變（0～25 Hz），并不適用于風(fēng)電并網(wǎng)引起的低頻率波動(dòng)造成的閃變。

文獻(xiàn)［4］提出研制一種高精度閃變儀，提出了提高閃變檢測(cè)精度的措施與統(tǒng)計(jì)環(huán)節(jié)、采樣頻率和采樣設(shè)備有關(guān)，但要以高精度的采樣設(shè)備和大量的采樣數(shù)據(jù)為前提，計(jì)算量大，成本高；文獻(xiàn)［5］提出IEC閃變儀在進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)閃變檢測(cè)中誤差較大，采用校正環(huán)節(jié)校正閃變測(cè)試系統(tǒng)的輸出能夠提高精度，但文中只介紹了模擬閃變測(cè)試系統(tǒng)的仿真過程與校正方法，沒有提到數(shù)字閃變測(cè)試系統(tǒng)。文獻(xiàn)［6］介紹了閃變測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)不同頻率、幅值的調(diào)幅波引起的波動(dòng)進(jìn)行仿真，但對(duì)低頻段測(cè)量的較大誤差沒有提出具體修正方法。文獻(xiàn)［7］提出了離散化的方法用于閃變計(jì)算，其低頻段測(cè)量誤差小，適用于風(fēng)電閃變的檢測(cè)，但高頻段測(cè)量誤差較大。

在上述文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上，本文依據(jù)IEC推薦的閃變檢測(cè)系統(tǒng)原理，在Matlab平臺(tái)下搭建檢測(cè)模型，利用Bilinear函數(shù)得到數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)，并對(duì)特定幅值和頻率的調(diào)制波進(jìn)行閃變的檢測(cè)。針對(duì)低頻段檢測(cè)誤差較大的情況，分析其誤差產(chǎn)生的原因，通過參數(shù)校正的方法減小低頻檢測(cè)誤差，使其滿足風(fēng)電并網(wǎng)閃變值檢測(cè)的要求。

1　閃變檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1平方檢測(cè)法檢測(cè)原理

目前檢測(cè)電壓波動(dòng)有許多種方法，由于平方法檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，也被IEC推薦的閃變檢測(cè)原理所采用，因此本文選取平方檢測(cè)法。其中平方檢測(cè)法流程圖如圖1所示。

圖1　平方檢測(cè)法流程圖Fig.1　Square test flow chart

圖1中框1為用于調(diào)幅波解調(diào)的平方器。框2為用于模擬人眼對(duì)照度波動(dòng)的頻率最大感知范圍，在0.05～35 Hz之間的帶通濾波器；框3為模仿人眼對(duì)頻率選擇的加權(quán)濾波器。框4、框5為模仿視神經(jīng)反映與記憶效應(yīng)的平方器以及一階平滑濾波?？?為統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)前面得到的瞬時(shí)視感度值S（t）采樣后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)定，最后計(jì)算得出短時(shí)閃變值Pst。Pst計(jì)算方法主要有分段線性差值法、多項(xiàng)式曲線擬合法以及統(tǒng)計(jì)排序法等，可通過Matlab編程實(shí)現(xiàn)。

高通濾波器：

視感度加權(quán)濾波器：

一階低通濾波器，其中τ=300 ms：

1.3數(shù)字閃變測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了測(cè)量精度和穩(wěn)定性的提高，需要將模擬閃變檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換的方法多采用雙線性變化法，它實(shí)際上是由s域到z域的映射，體現(xiàn)在傳遞函數(shù)上即為由H（s）到H（z）的變換，是復(fù)變函數(shù)的映射變換。

選擇采樣頻率為400 Hz，利用雙線性變換法將式由s域化為z域，公式如下：

式中：n，d為數(shù)字濾波器中的分子系數(shù)和分母系數(shù)；N，D為模擬濾波器中的分子系數(shù)和分母系數(shù)。變換時(shí)的采樣頻率為fs。公式中各環(huán)節(jié)系數(shù)按照降冪的順序排列。

取采樣頻率fs=400 Hz，利用Bilinear函數(shù)對(duì)數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為了保證數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)的精確度，利用Matlab中的format long語(yǔ)句，對(duì)變換后的參數(shù)設(shè)置15位有效數(shù)字，計(jì)算結(jié)果如下：

35 Hz低通濾波器參數(shù)Nd

0.05 Hz高通濾波器參數(shù)：

視感度加權(quán)濾波器參數(shù)：

300 ms延時(shí)平滑濾波器參數(shù)：

依據(jù)計(jì)算得到的數(shù)字濾波器的系數(shù)，搭建出閃變數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

系數(shù)的值K取為1/0.002 5，系統(tǒng)輸出窗口顯示的是S（t）瞬時(shí)視感度的波形。

圖2　數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)模型Fig.2　Digital flicker test system

2　系統(tǒng)仿真

2.1模型檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所搭建的數(shù)字閃變檢測(cè)模型的參數(shù)是否正確，首先需要模擬含有某一波動(dòng)頻率的電壓，再對(duì)其進(jìn)行閃變檢測(cè)。選擇幅值為0.002 5 V，頻率為8.8 Hz的正弦調(diào)幅波以及幅值為220 V的工頻電壓進(jìn)行調(diào)制，將調(diào)制波作為閃變檢測(cè)系統(tǒng)的輸入波形，構(gòu)造函數(shù)如下：

上述模型得到的仿真電壓波形如圖3—8所示。

圖3　8.8 Hz正弦調(diào)幅波Fig.3　8.8 Hz sine modulated wave

圖4　調(diào)制波形Fig.4　Modulation waveform

圖5　通過帶通濾波器的波形Fig.5　Waveform through band-pass filter

圖6　通過視感度加權(quán)濾波器的波形Fig.6　Waveform through weighted filter

圖7　S（t）波形Fig.7　The S（t）waveform

圖8　S（t）微觀波形Fig.8　The S（t）micro waveform

圖3為幅值0.002 5 V，頻率8.8 Hz的正弦調(diào)幅波波形；圖4為調(diào)幅波與220 V工頻調(diào)制后的波形；圖5為通過帶通濾波器的波形；圖6為通過視感度加權(quán)濾波器的波形；圖7為瞬時(shí)閃變視感度S（t）波形；圖8為瞬時(shí)閃變視感度S（t）放大后微小幅值范圍內(nèi)的波形。

如圖6所示，輸出波形的頻率和幅值是8.8 Hz，121 V，由此證明，經(jīng)過加權(quán)濾波后，輸出波形的頻率等于調(diào)幅波頻率，輸出波形的幅值等于調(diào)幅波幅值和工頻電壓幅值平方的乘積；如圖7所示，數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)最終檢測(cè)的瞬時(shí)閃變視感度S（t）為1左右；如圖8所示，S（t）基本處于1上下3%波動(dòng)，滿足IEC對(duì)閃變檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度要求的范圍。由仿真波形可知數(shù)字閃變測(cè)試系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇基本正確。

2.2誤差修正

IEC標(biāo)準(zhǔn)通過大量試驗(yàn)，得到S（t）=1相應(yīng)的不同頻率的電壓波動(dòng)d（%），利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對(duì)所建立的數(shù)字閃變測(cè)試系統(tǒng)模型進(jìn)行校驗(yàn)。結(jié)果表明，在2.5～20 Hz的頻率之間，該數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)輸出的S（t）值在1±0.05之間，其相對(duì)誤差小于±5%。說明S（t）所設(shè)計(jì)的閃變測(cè)試系統(tǒng)效果良好。但在低頻段，仿真輸出的S（t）值偏差較大，見表1。

表1　S（t）=1下的各頻率正弦電壓波動(dòng)值及該波動(dòng)下對(duì)應(yīng)的S（t）計(jì)算值Tab.1　Sine voltage fluctuations under different frequencies when S（t）=1 and the corresponding S（t）calculated value

由于在低頻段中，閃變數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)輸出的S（t）具有比較大的誤差，而這一頻段正好位于風(fēng)電引起的電壓波動(dòng)的頻段（3P頻率范圍一般在1～3 Hz之間），超出檢測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)。通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)誤差主要來自視感度加權(quán)濾波環(huán)節(jié)。因此，本文重點(diǎn)研究提高閃變檢測(cè)系統(tǒng)精度的方法。本文采用最小二乘法擬合修正系數(shù)，根據(jù)計(jì)算，得到各頻率下對(duì)應(yīng)波動(dòng)幅度的調(diào)幅波檢測(cè)的S（t）所對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)k值，如表2所示。

按照該表數(shù)據(jù)求出的校正曲線，見圖9。

通過運(yùn)用最小二乘法的方法對(duì)表2中的K值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到式（7）如下所示，所對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)見表3。

表2　S（t）=1的各低頻率范圍內(nèi)S（t）檢測(cè)值及校正系數(shù)KTab.2　The（t）values and correction coefficient K under the low frequency ranges when（t）=1

圖9　對(duì)應(yīng)0.5～4.5 Hz范圍的S（t）校正曲線Fig.9　The modulation curve for S（t）within frequency 0.5～4.5 Hz

表3　擬合多項(xiàng)式的系數(shù)Tab.3　The coefficients of the polynomial

校正后的S（t）誤差曲線見圖10。

圖10　校正前后S（t）誤差曲線對(duì)比Fig.10　S（t）error curve comparison before and after correction

由此圖10可知，通過添加校正參數(shù)環(huán)節(jié)，能夠有效減小閃變檢測(cè)系統(tǒng)在調(diào)幅波處于低頻段時(shí)的測(cè)量誤差，適用于風(fēng)電并網(wǎng)電壓閃變的檢測(cè)。

3　風(fēng)電場(chǎng)中閃變檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

以某個(gè)裝機(jī)總量為9 MW的風(fēng)電場(chǎng)作為模型，如圖11所示。風(fēng)電場(chǎng)由6臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，發(fā)電機(jī)出口電壓為690 V。將出口電壓作為數(shù)字閃變檢測(cè)系統(tǒng)的輸入電壓。

經(jīng)過校正系數(shù)后的數(shù)字閃變檢測(cè)得到短時(shí)閃變視感度曲線，如圖12所示，得知S（t）符合標(biāo)準(zhǔn)低頻段誤差5%的要求，因此，理論上該風(fēng)電場(chǎng)符合風(fēng)電引起的電壓閃變限值，可以接入電力系統(tǒng)。

圖11　雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)模型Fig.11　Doubly-fed fan grid model

4　結(jié)語(yǔ)

利用Matlab/Simulink軟件搭建IEC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，通過仿真得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)調(diào)幅波在高頻率范圍，S（t）值的檢測(cè)誤差較??；當(dāng)調(diào)幅波在低頻率范圍，S（t）值的檢測(cè)誤差則較大。

2）通過分析可知誤差來源于視感度加權(quán)濾波環(huán)節(jié)，添加參數(shù)校正環(huán)節(jié)可以提高低頻段檢測(cè)精度。

圖12　短時(shí)閃變視感度S（t）曲線Fig.12　Short-term flicker visual sensitivity S（t）curve

3）風(fēng)力發(fā)電引起的閃變頻率正好位于低頻段，以一個(gè)雙饋機(jī)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)為例，利用所設(shè)計(jì)的數(shù)字閃變儀進(jìn)行檢測(cè)，通過仿真曲線顯示，該風(fēng)電場(chǎng)滿足國(guó)標(biāo)對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)電壓閃變限值的要求。

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（編輯李沈）

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，西安理工大學(xué)碩士研究生，從事電力系統(tǒng)測(cè)量、保護(hù)與控制方向研究；

張江濱（1956—），男，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制方向。