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光伏发电系统电能质量检测分析- I -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究目的和意义11.2 光伏发电技术研究现状21.2.1 光伏发电电能质量检测方法的现状21.2.2 光伏发电电能质量检测装置的现状31.3 项目来源以及本文研究主要内容4第2章 电能质量测量常用方法52.1 电能质量偏差问题52.1.1 电压偏差的定义和标准52.1.2 频率偏差的定义和标准62.2 谐波72.2.1 谐波的定义和标准72.2.2 谐波的检测方法82.3 电压波动及不平衡度问题92.3.1 电压波动的定义和标准92.3.2 三相电压不平衡度定义和标准102.4 本章小结11第3章 光伏发电系统中谐波分析算法的研究123.1 傅里叶谐波分析算法123.1.1 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换123.1.2 傅里叶分析方法在光伏发电系统中存在的不足153.1.3 基于Nuttall窗的改进FFT谐波分析算法183.2 基于准同步采样的谐波检测方法203.2.1 基于时域插值的基波周期的计算方法213.2.2 非同步系列准同步化233.3 基于准同步采样算法的仿真实验243.4 本章小结26第4章 光伏发电系统电能质量检测装置的实现274.1 总体结构和方案274.2 光伏发电电能质量检测装置硬件设计284.2.1 模拟量输入硬件结构设计方案284.2.2 数据采集系统结构设计方案294.3 光伏发电电能质量检测装置上位机软件设计314.3.1 数据采集模块324.3.2 数据分析模块334.3.3 数据显示模块344.3.4 数据管理模块364.4 本章小结37第5章 装置测试与谐波分析385.1 装置测试385.1.1 准同步采样测试395.1.2 交流参数和环境参数测试405.1.3 谐波分析435.2 光伏系统电能质量测量装置的误差分析445.2.1 基于准同步采样谐波分析方法的误差445.2.2 模拟量输入误差455.2.3 A/D转换与数据处理误差465.3 本章小结46结论47参考文献48第1章 绪论1.1 本课题的研究目的和意义目前光伏发电由于其无污染、无噪声、不受地域限制、安全可靠等优点成为21世纪最有价值的新能源1。光伏发电在总电力供应比例中逐年增加，预计在十年后比例将高于30%，由此可知，光伏发电在整个电力产业的重要性。光伏发电系统主要分为离网型光伏发电系统和并网型发电系统。随着光伏发电产业的日益成熟，现在也由以前离网型发电系统逐步向并网型发电系统的大方向迈进，但是在离网型发电系统在并网之前，要检验其电能质量是否符合国家标准，然后才能并入国家电网，此外当利用离网型光伏发电系统时，随着各行各业的电力设备对电能质量的严格要求，因此进行光伏发电系统电能质量的检测分析具有重大意义2。近年来，在电力行业中，随着人类利用的非再生能源的枯竭，又由于世界人口的增长，现有的非再生能源已经满足不了人们的需求，不仅如此，人们利用的煤、石油等能源燃烧后会排放CO2、SO2、粉尘等会带来严重的污染，导致近来年雾霾，沙尘暴等天气频繁出现，致使全球气温不断升高，最终会危害社会发展和人类的健康。为了改善环境问题走可持续发展道路，我们选择能源问题上，首先从其无污染、天然、可再生等着手点出发，寻找合适的新能源。其中由于太阳能其无污染、无噪声、不受地域限制、安全可靠等优点成为21世纪最有价值的新能源，我国也相当重视这一新型产业，为了扩展光伏发电产业的应用，陆续出台了一系列的政策，来加大力度推广光伏产业的发展3。光伏发电产业已经发展有40多年的历史，最近这十年发展势头更是猛烈，并且在今后的发展中势头更为强劲，据数据显示，光伏发电在总电力供应比例中逐年增加，预计到2030年比例将达到30%以上4，由此可以看出，光伏产业正处于一片欣欣向荣的景象中，不久的将来，光伏发电这一产业将会成为电力产业的主要供给链。就目前光伏产业的应用来讲，一些欧美国家已经把光伏发电技术应用于医疗、交通、生活、运输等，并在未来更是将光伏发电技术应用到各行各业中去5。随着光伏产业的发展，随之而来的光伏发电电能质量问题日益严重，这是由于光伏发电受外界因素影响较大，输出的功率有很大的波动性，因此就会带来电压波动、电压闪变等一系列电能质量问题，此外，由于光伏发电产生的是直流电压，需要将直流电压转换为交流电压，供交流用电设备使用，在这一环节中，需要使用到非线性设备逆变器，由于逆变器的引入，导致了谐波的产生，谐波会对设备产生严重的危害，由此观之，必须重视光伏发电电能质量问题6。1.2 光伏发电技术研究现状1.2.1 光伏发电电能质量检测方法的现状随着光伏产业的崛起，光伏发电电能质量检测算法也日益增多，随着理论的加深，出现了许多新的算法，归纳起来大概分为人工智能和变换两种。1目前根据变换来的分析方法包括很多，主要的有傅里叶变换、正交变换以及小波变换等算法7。傅里叶算法是比较经典的算法，具有速度快、用法明确等优点，尤其在信号处理等方面有较大的成就，在谐波的检测方面具有较多的应用。但是在采用傅里叶分析时，对数据要求较高，必须是数据整周期采样，然后进行傅里叶分析，如果采样过来的数据不是完整周期，这样就会造成频谱泄露等现象，因此在这种情况下，傅里叶变换算法对数据的采样要求很高。同时在非稳态信号的处理上有一定难度，由于经过傅里叶变换后的信号反应的是整体的频域特征，无法单独对某一感兴趣的频段进行高分辨率的频谱分析，所以难以处理非稳态信号。针对傅里叶变换的缺点，现在大多数专家对傅里叶算法的不足进行改进，常用的改进方法，例如加窗插值算法、修正点法、利用锁相环电路以及频谱细化技术等实现信号频率和采样频率同步，防止频谱泄露等情况的发生8。2就目前研究现状而言，人工智能已成为研究的热点，随着理论问题的深入，出现了各种新的算法，例如根据数学理论推论出的数学形态学、模糊逻辑、专家系统、滤波以及统计等9，在人工智能方向最常用的莫过于神经网络和支持向量机等，神经网络，顾名思义主要是模拟动物的神经细胞群，使其具有学习的能力，这样就可以对任意连续函数进行逼近、学习。研究表明，在模式空间的分布出现内齿合状情况，神经网络也可以正确分配模式集10，不受影响。因此神经网络可以应用在谐波检测以及电能扰动等电能质量检测问题中。但同时这种算法也有许多缺点，当神经网络使用前需要有大量的学习样本，并且算法的速度较慢，不能适用于系统结构的改变，而且解释自身行为和输出结果的能力不是很强11。除此之外还有很多电能质量的检测方法，不同的方法具有不同的针对性，要根据实时运行的平台，综合算法的准确性、快速性、可靠性等方面进行选择12。而不是仅仅依靠算法的准确性，有时候为了其他方面，而会选择在精度上进行做一些让步。1.2.2 光伏发电电能质量检测装置的现状相对于国内而言，国外的光伏发电电能质量检测装置发展较早，美国、日本等国家从上世纪90年代初就开始研究对电能质量的检测，并相应地开发快乐许多电能质量分析仪、谐波分析仪等13，著名的有Ffuke型手持式供电质量分析仪，它是由美国福禄克公司生产的；U900F便携式电能质量分析仪，它是由瑞典联合电力公司(UNIPOWER)开发；3193系列电能质量分析仪，它是由日本日置公司(HIOKI)开发的。这些典型的电能质量测量仪器主要是采用DSP技术。此外，随着各国对电能质量检测的关注越来越多，在线检测电能质量技术的发展越来越迅速，利用网络实现远程监测电能质量，例如PQsecure在线式电能质量监测分析系统，它是由瑞典联合电力公司开发的；POFIX电能质量监测装置它是由瑞士莱姆(LEM)公司开发的。基本这些在线远程检测系统都利用现有的通信接口进行在线远程观测的14。国内对于电能质量检测的技术发展远不如国外，相对来说比较落后，大多数都是采用性能单一的便携式测量仪器，例如谐波检测仪、闪边分析仪、电压测试仪等进行测量，然后根据测量数据进行人工总汇，这种方法精度低，实时性差、功能少、可靠性不好、通用性和扩展性差，使得后期的维护工作相对复杂15。但是目前国内光伏发电电能质量的检测系统也在逐渐发展之中，一些科研机构和公司也研制出一些新型产品，例如PQ106系列电能质量监测仪，它是由上海宝钢安大电能质量有限公司生产的，但是相比于国外的测量仪器，还是有一定差距。目前国内外光伏发电电能质量检测装置根据性能可大致分为三类：(1)便携式手持式电能值量分析仪；(2)电能质量的实时检测装置，也就是现场仪器；(3)电能质量的远程监测系统。第一类装置的主要特点就是小巧、结构简单、方便易携带、测量方便；第二类测量仪器的主要特点是布置在现场、可靠性好、功能比较单一，主要适用于单一重点指标进行检测；第三类仪器的主要特点是具有实时性好，数据便于存储和观察可实时性检测电能质量，能有效地检测电能质量，为后期分析提供了科学依据。1.3 项目来源以及本文研究主要内容本文的项目来源主要是国家质检公益性行业科研专项项目，项目名称：光伏电站及光伏发电系统综合测量装置的研究；项目编号为：201210090。通过对光伏发电电能质量检测方法的深入研究，根据目前现有的基本电能质量检测算法为理论依据，并针对谐波检测算法做出了改进。针对目前光伏发电电能质量检测装置的功能单一的问题，结合实际要求，将多个电能质量指标综合一起进行检测，本文研究内容主要如下：1光伏发电系统电能质量的检测方法的研究，主要针对光伏发电系统的特征，以及电能质量不同指标的特点采用的检测方法进行展开研究。2针对现有的光伏电能质量谐波指标的检测算法进行研究，分析现有检测方法在光伏发电中不足，提出一种基于准同步采样的谐波分析方法，经过仿真分析，此算法相对以往的算法具有较高的精度。3将基于准同步采样的算法应用到光伏发电电能质量综合测量装置中，并根据以往的检测装置的不足，采用以FPGA为核心的硬件电路，软件采用MFC架构进行开发，实现数字化与图形化一体的实时测量装置。4对测量装置进行测试，采用标准的谐波源以及三相电压、电流标准源进行测试分析，并针对其他电能质量指标进行测试，根据测试结果对测量装置的精度和误差进行分析。第2章 电能质量测量常用方法光伏发电技术的原理主要是太阳光照射在太阳能的基板产生的伏特效应来将太阳能转化为电能的，由于受外界条件的限制所以存在较大的波动性，这就造成了频率波动、电压偏差、谐波等严重的电能质量问题，会给电网的安全带来严重危害，所以实时准确地了解电能质量的指标对光伏发电系统进行实时监测至关重要。2.1 电能质量偏差问题电能质量偏差问题主要包括电压偏差以及频率偏差这两个问题。2.1.1 电压偏差的定义和标准电压偏差的定义是电网中的实际电压与额定电压的差值，当电网中电压偏差的指标超过IEC规定范围，用电设备就不能正常运行，会产生损耗用电设备的寿命的现象。为了保证用电设备的安全，应当实时监测电压偏差，是否符合IEC标准。根据GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差中，将电压偏差定义为电实际电压与标称电压的差值16，采用百分数的表示形式如式(2-1)所示： (2-1)式中：实际电压；系统标称电压；电压偏差。根据我国电压标准GB/T12325-2003和GB/T12325-1990电能质量 供电电压偏差规定：当使用标称电压220V单项供电时，电压偏差不得超过标称电压的7%；当供电的标称电压大于等于35kV时，电压偏差不得超过标称电压的10%；在上述两个标准的基础之上，GB/T12325-2008电能质量 供电电压偏差对标称电压为20KV的做了如下规定：当使用标称电压大小不超过20KV的三相电压供电时，电压偏差不得超过标称电压的7%，但是针对一些特殊情况例如供电距离较长、供电点的容量较小等，可由用户和供电公司共同协商决定。在理解国内外一些电压偏差的测量方法以及深入了解IEC标准以后，本文主要采取的方法如下：首先对信号进行整周期截取，取4个整周期的电压数据先进行存储，然后每隔3秒采集一次，取四次累积求电压有效值的平均值，然后将数据清零并且按照这个时间间隔循环地实时显示在终端界面上。2.1.2 频率偏差的定义和标准在深入了解GB/T15945-2008电能质量 电力系统频率允许偏差的基础上，然后结合一些国外的频率偏差标准，规定实际频率减去标称频率得到的差值即为频率偏差17，如式(2-2)所示。 (2-2)式中：实际频率，单位Hz；标称频率，单位Hz；频率偏差，单位Hz。在光伏发电电能质量监测领域中，可以采用许多方法可以测量频率偏差，目前，通过对国内外一些电力系统中频率偏差的测量方法的深入研究，基本可以分为三类：通过软件测方法测量、硬件的方法测量、以及软硬件结合的方法测量。软件测量频率的算法一般包括卡尔曼滤波算法、递推傅式算法、基于插值的 Cross 算法、全周波傅式算法、最小二乘法等，软件测量频率的方法主要思想是将信号离散化后，采用上述算法进行频率测量。硬件测量频率的方法主要实现方式是搭建硬件电路来测量频率，主要原理是经由锁相环电路实现信号的在线跟踪，最后测量信号过零点的个数来计算得到的频率周期。与软件测量频率的方法相比，在精度上、抗干扰能力上达不到要求。此外，由于数字测频算法的日益成熟，借助旋转不变技术估计信号参数的方法以及基于特征值空间分解的方法相比较前两者具有较高的精度以及较高的分辨率，但是由于其算法相对复杂，耗时久在速度上难以满足测量装置的要求，因此本文采用软件测频方法，信号经过同步采样之后，运用加窗FFT算法求取基波的频率，但是由于FFT算法要求数据必须是整周期的数据，这就需要对采集的数据首先进行预处理，将数据从零点开始整周期截取。基波实际频率求出可以根据式(2-2)求出频率偏差。2.2 谐波2.2.1 谐波的定义和标准在光伏电网的谐波检测中，谐波的主要参数有电流或是电压的畸变程度、谐波总量以及各次谐波的含有率。各次谐波的含量指的是第h次谐波分量的有效值占基波的有效值的百分比18。谐波总量指的是各次谐波有效值的平方和的平方根。电流或是电压的畸变程度指的是谐波总量与基波有效值的百分比。具体表达式如式(2-3)到(2-8)所示。第h次谐波电压含有率为： (2-3)第h次谐波电流含有率为： (2-4)谐波电压总量为： (2-5)谐波电流总量为： (2-6)电压总谐波畸变率为： (2-7)电流总谐波畸变率为： (2-8)在1984年，电力部门为了加强对公用电网的管理，于是颁发了关于电网谐波的相关规定，即电力系统谐波管理暂行规定，近年来，我国对公用电网谐波的管理更加关注，根据GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波标准所述，谐波电压规定限制如表2-1。表2-1注入公共连接点的谐波电压允许值Table 2-1 Common connection point injection harmonic voltage value电网标称电压(KV)THD (%)各次谐波电压含有率(%)奇次偶次0.3854.02.06/1043.21.635/6632.41.211021.60.8光伏发电系统运行时不应造成电压、电流波形的过度畸变，以确保对电网上的其他设备不造成不利影响，电流总谐波畸变率应小于5%，各次谐波应限制如表2-2、表2-3所示。表2-2 奇次谐波电流畸变限值Table 2-2 Odd harmonic current distortion value奇次谐波畸变限制(%)(1，11)4.011，17)2.017，23)1.523，35)0.635，+)表2-3 偶次谐波电流畸变限值Table 2-3 The even harmonic current distortion value偶次谐波畸变限制(%)2，10)1.010，34)110KVPIt10.82.3.2 三相电压不平衡度定义和标准三相平衡的定义是指，具有相同幅值的三相电压之间的夹角为120度，但是由于光伏发电系统的自身的不对称或是两相断线以及单相接地等原因都会引起三相不平衡。所以三相不平衡度作为一项衡量电能质量的指标被引入，指的就是电力系统本身的不平衡。在光伏发电系统中，通过测量三相电压的相位以及幅值之后，采用过对称分量法计算正、负、零序分量，然后利用负、零序分量与正序分量的百分比表示三相不平衡度26。 (2-12) (2-13)式(2-12)、(2-13)中、分别表示电压的零序、正序、负序分量的有效值，单位V，表示三相电压的负序不平衡度，表示三相电压的零序不平衡度。根据对IEC对三相不平衡度的测量方法的探究，本文通过对比不同方法的优缺点之后，采取的测量方法如下：首先当测量装置接入测试点时，由于光伏系统受外界因素影响较为强烈，所以测试时间至少持续一周以上，每次测量的间隔为1min，具体根据当地情况可做调整。在整个测量周期中，具体方法是首先计算三相电压的幅值以及相位的大小，采用对称分量的方法计算出各序分量，然后根据式子(2-12)、(2-13)计算得到三相电压的不平衡度的数值，数据每三秒进行一次记录，将3s内的测量值6次数据取平均值进行计算，得到这个周期的不平衡度的数值的一次记录值。 (2-14)式(2-14)中第k次测量后得到的不平衡度；在等间隔内取值的次数。经过在后期的试验验证了本测量装置测得的三相不平衡度和实际电网的不平衡度的误差在0.2%以内，满足了计划任务书上的标准，同时也满足了IEC测量标准规定的误差范围之内。2.4 本章小结本章通过一系列电能质量问题进行了简单的概述，并对测量的方法进行介绍以及深入研究之后，论述了本文光伏发电测量装置所采用的方法，此外，由于光伏发电系统中，会采用逆变器将直流转化成交流电供用电设备使用，也正是因为逆变器的引入，更大程度上加重了谐波的危害程度，所以本文将在下一章节继续讨论光伏发电谐波的分析算法。第3章 光伏发电系统中谐波分析算法的研究3.1 傅里叶谐波分析算法由于光伏系统的本身性质，受外界环境因素影响较大，容易造成电压闪变以及频率波动等问题27，从而导致在进行采样时，采样序列为非同步采样序列，因此以往的算法对非同步采样序列进行谐波分析时会有产生频谱泄露等问题，从而降低了分析算法的精度28。3.1.1 离散傅里叶变换和快速傅里叶变换3.1.1.1 离散傅里叶变换离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)在表示有限长序列具有重要的指导作用，利用离散傅里叶变换可以清晰地反映出信号的“有限长”的特点，在数字信号的处理过程中，有限长序列是应用广泛29，因此离散傅里叶变换在数字信号处理的过程中也起到核心作用，在光伏电网的谐波分析中通常采用快速傅里叶算法。其定义为对于给定离散序列，当满足时， (3-1)称作x(n)的离散傅里叶变换(DFT)。 (3-2)称作X(k)的离散傅里叶反变换 (Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)。在式(3-1)中，时域的n和频域的k都是离散的，且它们的周期均为N。常引入复数量，则式(3-1) 和式(3-2)又可以表示为 (3-3)式中，序列是以为周期的离散序列，从式中可以看出此序列且具有