风电场电能质量综合监测系统设计说明

.PAGEX.分类号：TM711单位代码：10422密级：学号：200712270硕士学位论文ShandongUniversityMaster’sThesis论文题目：基于LabVIEW的风电场电能质量综合监测系统PowerQualityMonitoringSysteminWindFarmBasedonLabVIEW作者姓名曹永镇专业电力系统及其自动化指导教师姓名专业技术职务田立军教授2010年4月10日XX大学硕士学位论文.PAGEii.XX大学硕士学位论文PAGEIII原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用授权的声明本人完全了解XX大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅；本人授权XX大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。<保密论文在解密后应遵守此规定>论文作者签名：导师签名：日期：..目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1研究背景11.2国内外风电发展及研究现状31.3对电能质量进行检测的意义71.4虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用91.4.1虚拟仪器概述91.4.2LabVIEW概述101.4.3虚拟仪器在电力系统中的应用111.5本文主要工作11第二章风电机组的类型、特点及其对电能质量的影响122.1风电机组的结构及分类122.1.1恒速风电机组132.1.2双馈感应风电机组142.1.3多级永磁风电机组142.2风力发电的特点152.3风电场并网对电网电能质量的影响162.3.1风电场引起的电压波动和闪变172.3.2风电场引起的谐波问题182.3.3风电场电能质量检测需要解决的问题182.4小结19第三章系统硬件设计203.1硬件系统的总体设计203.2硬件的选取203.3信号调理223.4小结24第四章风电场电能质量综合监测系统的算法及软件设计254.1系统程序总体结构254.2系统主程序及用户界面设计254.3各个电能质量指标检测算法的选取及子程序设计274.3.1传统电能质量指标检测算法及程序设计274.3.2谐波检测算法及程序设计314.3.3电压暂降检测算法及程序设计364.3.4电压波动与闪变检测算法与程序设计384.4数据存储464.5小结47第五章结束语485.1结论485.2展望49参考文献50致谢55..摘要在能源短缺的当今世界,风能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源,由于它的可再生性和无污染的优点,成为最有诱惑力的一种新能源,引起多个国家的重视。中国也加大了开发和利用风能的力度。随着未来风电场规划装机容量不断增加,风力发电对接入电网的电能质量的影响不容忽视。严重时,甚至会对局部电网或弱电网的安全稳定性造成危害。因而,风力发电监测系统和控制技术的开发研究显得更为迫切。因此,有必要开发风电场电能质量综合监测系统,对现有风电场的电能质量进行检测、分析,为风电场治理、改善电能质量提供依据,这对风电场接入电网现状的研究以及风电与电网的和谐发展具有极其重要的意义。本文首先介绍了国内外风力发电的发展情况,以及对风电场电能质量问题进行监测的必要性。其次,通过分析风电机组的结构及其运行特性,总结风电场存在的电能质量问题及特点。然后,结合风电场电能质量的特点,选取合适的硬件,比较、分析各种电能质量检测算法,选取合适的算法。针对风电场电压波动频率主要集中在低频段,而目前广泛使用的检测算法在低频段精度较差的情况,本文采用的抵消基波的方法对电压波动与闪变进行检测,并通过仿真分析证明该方法确实在低频段具有优势。最后本文结合相关的硬件、算法以LabVIEW为平台研究开发了风电场电能质量综合监测系统,采集电压、电流信号,并对电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压暂降、电压波动闪变六个指标进行检测。文中阐述了系统的硬件构成方案和软件编程方法,对系统的设计方案进行了详细的介绍,描述了系统所要实现的主要功能。并给出了系统主要功能模块的设计流程以及关键技术措施。本系统开发周期短,测量精度高,具有良好的可视化人机交互界面,并可以方便地增减、修改系统的功能和规模,为用户提供了高度的灵活性和易用性。关键词：风电场；LabVIEW；电能质量；电压波动；电压暂降..AbstractNowtheworldissufferedfromtheshortageofenergy.Windenergy,asanewenergy,isinexhaustibleandfree.It’sthemostattractivenewenergyforitsadvantagesofrenewableandwithout-pollution.Itarousestheattentionofmanycountries.Chinaisalsooneofthem,anditenhancesitsresearchandutilityonwindenergy.Amongwiththecontinuousincreasingofpowercapacityinfuturewindenergygenerationprogramming,theharmtotheconnectedpowergrid,whichiscausedbythewindfarm,willbecometobemoreimportantandnotallowedtobeneglected.Itwillevendamagethesafetyandstabilityofweakpowergridwhentheharmisserious.Hence,theresearchanddevelopmentofwindpowergenerationsupervisingsystemanditsrelatedcontroltechnologyappearstobemoreurgent.Thereby,it’snecessarytoexcogitateapowerqualitymonitoringsystemforthewindfarmtoanalyzeandevaluatethepowerqualityofthepresentwinfarm,whichisaveryimportantmeaningfortheresearchofthegrid-connectedwindpowergenerationunitandtheharmoniousdevelopmentbetweenwindpowerandgrid.Firstofall,thisthesisintroducedthetrendofwindenergygenerationinsideandoutsideoftheworld,andthenecessityofmonitoringthepowerqualityofthewinfarm.Secondly,byanalyzingthewindturbinestructureandoperatingcharacteristics,summarizingthepowerqualityproblemsofwindfarmanditscharacteristics.thencombinedthecharacteristicsofthepowerqualityofthewindfarm,thehardwareandmethodsareappropriatelychosen.Accordingtothesituationthatvoltagefluctuationsofwindfarmsaremainlyinthelowfrequencyband,thearithmeticwhichisnowwidelyusedhasaloweraccuracyinthisband,thisthesisusedthearithmeticbycounteractingthefundamentalwavetotestvoltagefluctuationandflicker,thensimulatedthismethodtoproveithashighaccuracyinlowfrequencyband.Atlast,withthesehardwareandmethodsthepowerqualitymonitoringsysteminwindfarmisdevelopedusingLabVIEWinthisthesis,whichcollectsvoltageandcurrentsignalsandtestsvoltagedeviation,frequencydeviation,harmonics,unsymmetrical,voltagesag,voltagefluctuationandflicker.Thehardwarecompositionandsoftwareprogrammingareexpounded,theplansoftheclientcomputerandthehostcomputerareparticularlyintroduced,andthemainfunctionsofthesystemaredescribed.Themainmodulesandthekeytechnicalmeasuresofthesystemareexplained.Thissystemhastheadvantagesofshortdevelopmentcycle,highaccuracy,interactiveinterfacewithgoodvisualizationanditsfunctionandscalecanbechangedandmodifiedeasily,whichprovidesahighmobilityandhastheadvantagesofeasycontrol.Keywords:windfarm;LabVIEW;powerquality；voltagefluctuation；voltagesag..第一章绪论1.1研究背景随着社会经济的发展,人类对能源的需求量越来越大,特别像中国这样的发展中国家,由于经济的快速发展,特别是工业、重工业的快速发展,对能源的消耗量也飞速增长,而煤、石油等矿物燃料的储量是有限的,随着矿物燃料的大量开采、使用,导致了能源危机、环境污染等一系列严重的后果。于是人们逐渐将目光转向了风能、太阳能等无污染、可再生的能源上来。经济界权威人士在综合分析了科学技术的发展、全球环境的制约,以及经济和政治等方面的影响后指出:如果说20世纪是石油世纪,21世纪将进入以太阳能、风能和水能等为主的绿色可再生能源世纪。据专家估计,地球上所受的太阳辐射能大约有2%转换成风能,若用于发电,则装机容量可达10TW,每年可发出电力13PW∙H[1]。图1-1我国有效风功率密度分布图如图1-1所示,我国风能资源丰富,全国陆地可利用风能资源3亿千瓦,加上近岸海域可利用风能资源,共计约10亿千瓦,发展潜力巨大。风能功率密度在以上的地区覆盖了半个中国,资源分布很广,在东南沿海、XX、XX沿海及其岛屿年平均风速达到6～9米/秒,内陆地区如XX北部,XX、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区,在这些地区均有很好的开发利用条件[2]。现如今环境恶化日益加剧,空气污染、温室效应等问题严重影响着人们的生存环境,人们越来越重视所生存、居住环境的改善,环境保护意识不断增强,迫切需要一些清洁、无污染、可再生的新能源。在目前众多可再生能源技术开发中,发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景、最具竞争力、潜力最大的就是风力发电。风能是一种取之不尽、用之不竭的免费且可靠的新能源。与常规能源相比,由于它的可再生性和无污染的优点,在能源短缺的当今世界,它是最具有诱惑力的一种新能源ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>陈雷</Author><Year>2003</Year><RecNum>1</RecNum><record><rec-number>1</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">陈雷</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">刑作霞</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">潘建等</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">大型风力发电机组技术发展趋势[</style><styleface="normal"font="default"size="100%">J</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">]</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">可再生能源</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>可再生能源</full-title></periodical><pages>1</pages><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>联合国开发计划署</Author><Year>1999</Year><RecNum>2</RecNum><record><rec-number>2</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">联合国开发计划署</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">加速中国可再生能源商业化的能力建设项目[</style><styleface="normal"font="default"size="100%">J</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">]</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">中国能源</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>中国能源</full-title></periodical><pages>5:30-33</pages><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>B/OL].</Author><Year>2002,3</Year><RecNum>3</RecNum><record><rec-number>3</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Globalwindenergymarketreport[DB/OL].</author></authors></contributors><titles></titles><dates><year>2002,3</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>王承煦</Author><RecNum>4</RecNum><record><rec-number>4</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">王承煦</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">张源</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">风力发电[M]</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">中国电力出版社,北京,2003</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>中国电力出版社,北京,2003</full-title></periodical><dates></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>刘文强</Author><Year>2003,<5>:1-4</Year><RecNum>5</RecNum><record><rec-number>5</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">刘文强</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">对我国风电发展战略及政策措施的思考[</style><styleface="normal"font="default"size="100%">J</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">]</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">可再生能源</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>可再生能源</full-title></periodical><dates><year>2003,<5>:1-4</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>刘文洲</Author><Year>2001</Year><RecNum>6</RecNum><record><rec-number>6</rec-number><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">刘文洲</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">风力发电现状及展望[</style><styleface="normal"font="default"size="100%">J</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">]</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">XX工业学院学报<自然科学版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>XX工业学院学报<自然科学版</full-title></periodical><pages>15-17</pages><volume>2</volume><number>3</number><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2-6]。风能作为一种无污染、可再生的清洁能源,对二氧化碳的减排、发展低碳经济也有着重要的作用。据有关资料统计,每装一台单机容量为1MW的风力发电机组,每年可以减少排放2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。以德国为例,仅风力发电每年使二氧化碳排放量减少了2260万吨,为德国竭力实现《京都议定书》的减排目标做出了巨大贡献[7]。我国为了大力发展风电等可再生能源,采取了许多相关的措施,如征收可再生能源附加费,可再生能源要优先调度、优先上网等,2005年6月1日实行的《上网电价管理暂行办法》规定电网企业按政府定价或招标价格优先购买风电,20XX8月财政部公布实施了《风力发电设备产业化专项资金管理暂行办法》,采取"以奖代补"方式支持风电设备产业化。该办法规定了对符合支持条件企业的首批50台MW级风电机组,按600元/kW的标准予以补助。这些政策、制度为风力发电的快速发展提供了良好的条件。自20世纪80年代以来,大、中型风电场并网容量发展最为迅猛,对电力系统的运行造成的影响逐步加大,由此提出了一系列值得关注和研究的问题。电能质量问题就是其中一个非常重要的课题。风电场多采用异步发电机,异步发电机有功出力有很强的随机性,随风速变化。同时,异步发电机运行时需要吸收系统的无功功率,为系统的无功负荷,其大小也为不确定量,从而给接入系统电网运行带来诸多常规机组所没有的影响[8-26]。风力发电机组发出有功功率一般会引起配电系统电压升高。采用可调压的风力发电机组可避免配电系统电压控制设备方面的投入。异步风力发电机组需要消耗接入电网的无功功率。为了减少消耗的无功功率,一般异步电机组都配有补偿电容器组,无功功率消耗的减少将导致电压的上升,这种影响在分析电网稳定性时是需要加以考虑的因素。由于阵风等因素的影响,引起输出功率的变化,输出电流发生变化,导致电网电压波动。对于采用最大风能捕获的现代风力发电机组,这种电压波动尤其明显。在大型风电场,由于多机组的平均作用,使用电压较高的专用线上网,风速对电网电压波动的影响会相对小些。而对于风电机组少、单机容量大的小型风电场,风速对电网电压波动的影响会很大。大功率开关器件的普遍采用使得风电电能中含有大量的谐波,尤其是那些通过电力变换器而接入电网的发电机组。因此,大型的风力发电场对接入电网的影响将是一个普遍的问题。1.2国内外风电发展及研究现状1891年,风力发电创始人丹麦的拉库尔教授用风轮驱动了两台9kW的直流发电机,建成了世界上最早的风电场,但直到20世纪70年代以前,只有小型充电用风电机组达到实用阶段。而近几年风电系统从电力产业中异军突起,20XX开始,兆瓦级以上的交流励磁变速恒频双馈风力发电机组逐步成为国际风电市场的主流产品。近海风电场的发展,又使风电机组单机容量进一步上升到3.6,4.2,4.5和5MW。根据全球风能理事会<GWEC>统计数据,截止到20XX12月底,全球的总装机容量已经达到了1.21亿千瓦；20XX,全球风电增长速度为28.8%,新增装机容量达到2700千瓦,同比增长36%。图1-2为1997-20XX全球各年新增和累计装机容量情况。图1-21997－2008全球各年新增和累计装机容量情况欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场,20XX三大区域新增装机分别是：8877、8881和8589兆瓦,占世界风电装机总容量的90%以上。美国超过德国,跃居全球风电装机首位,同时也成为第二个风电装机容量超过2000万千瓦的风电大国。世界各国20XX累计及当年新增风电装机容量排名如表1-1、表1-2所示[27]。表1-120XX累计装机容量排名国家容量〔MW增长〔%美国2517020.8德国2390319.8西班牙1675413.9中国1221010.1印度96458意大利37363.1法国34042.8英国32412.7丹麦31802.6葡萄牙28622.410国总计10410486.2其他地区总计1668613.8全世界总计120791100表1-220XX新增装机容量排名国家新增装机容量〔MW增长<%>美国835831中国630023印度18007德国16656西班牙16096意大利10104法国9504英国8363葡萄牙7123加拿大523210国总计2376388其他地区总计329312全世界总计27056100我国是世界上风能利用的古国之一,利用风能的历史虽然悠久,但研制现代风力机是始于20世纪50年代末,50年代末至60年代初,出现了风力研制的一个高潮,从70年代末期开始至今,我国风能利用研究进入一个新的发展阶段。1986年4月,我国第一个示范风电场在XX荣成并网发电,从1989年起全国各地陆续引进机组建设风电场,装机容量逐年增长,20XX至20XX我国风电装机容量如图1-3所示,图1-32001－20XX中国年度风电装机容量截至20XX我国已连续四年年度新增装机容量翻番增长。经初步计算,20XX底,中国除XX省外累计安装风电机组1.16万多台,累计装机容量1.2153万兆瓦,已跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列,并超过印度,成为亚洲第一、世界第四的风电大国。中国已成为全球发展最快、最具潜力的风电市场之一。随着国内风电设备制造业产能的扩大,国产风电机组在市场上的占有率逐步提高20XX,我国当年安装的风电机组市场份额中,国产机组装机容量首次超过外资企业,达到55.9％,20XX进一步增加到75％。表1-320XX我国新增和累计装机容量情况省〔市、自治区等2007累计〔kW2008新增〔kW2008累计〔kWXX156319021722503735440XX5153107344501249760XX4914506192501110700XX6122604572001069460XX408250428050836300XX293750354500648250XX338300298650636950新疆299310277500576810XX350200222100572300XX35520038000393200XX28739079500366890XX23775046000283750XX47350147280194630XX5000122500127500XX07875078750北京495001500064500XX87004950058200XX30004725050250XX04200042000上海244001500039400XX017001700XX165001650香港8000800全国〔除XX5906360624643012152790到20XX底,全国已经有25个省区〔含XX在风力发电中占据了一定的份额,其中,内蒙、XX、XX、XX、XX、XX等省区无论从新增装机容量还是从累计装机容量方面都位居前列。除上述省份之外,纳入国家千万千瓦级风电基地规划的另外两个省份XX和新疆,以及XX省的新增装机容量也均超过20万千瓦,使得累计装机容量超过50万千瓦的省份达到9个,超过100万千瓦的省份达到了4个。从市场份额来看,我国的风电市场比较集中,XX和东北三省分别占据国内市场的30％和25％,两家合计占据市场份额的55％。处于风电市场的支配地位。其次是XX、XX、XX、XX和新疆,其市场份额都在5％以上。一些新兴的市场也在形成,XX、XX和XX等地也实现了零的突破。20XX我国除XX外各省新增和累计风电装机容量如表1-3所示。1.3对电能质量进行检测的意义随着现今经济的快速发展,电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求,从最大经济利益出发,在大功率、冲击性、非线性的负荷迅速增长的同时,更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。越来越多的电力用户采用了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制的自动化生产线等。随着微电子技术和电力电子技术的发展,基于电力电子技术的装置和设备在现代工业中得到了广泛的应用,同时直流输电、电气化铁路等冲击性负荷的不断增多,还有各种大型用电设备的起停,都对电网电能质量产生严重的污染；但另一方面,随着高新技术,尤其是信息产业的发展,用户使用的现代新型负荷设备,多是基于微处理器的敏感性控制设备,它们对电能质量问题非常敏感对电能质量的要求越来越高。电能质量若偏离正常水平过大,会给发电、输变电和用电设备带来不同程度的危害,对用电企业造成重大经济损失。使一些过去不受重视的电能质量问题变得不容忽视[28]。电能质量的主要指标有电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动与闪变以及电压暂降等其产生原因及危害如表1-4所示[29]。表1-4各种电能质量问题产生的原因及危害类型产生原因危害电压偏差过负荷,无功过剩,电源电压偏高设备的运行性能恶化,效率降低；设备损坏,寿命减少；生产效率降低；电压不稳定,严重时导致电压崩溃；影响产品的质量和产量；绝缘受损；有功损耗、无功损耗以及电压损失增加频率偏差发电机转速变化产生电机转速的偏差；通信设备的误码率上升谐波非线性负荷；固态开关负荷设备产生附加损耗；影响电气设备的正常工作；电机产生机械振动和噪声等；电气设备局部严重过热；电网谐振；继电保护和自动装置误动作；电气测量仪表计量不准确；干扰设备附加的通信系统三相不平衡三相不平衡负荷电子设备算坏；继电保护和自动装置误动作；变压器铁损加大,变压器发热、容量减小；用户对功率需求加大,增加用户用电量电压波动与闪变电弧炉、电机启动伺服电机运行不正常；大的波动会使设备产生谐振,给设备造成严重损伤；计算机工作不正常,引起电机反转电压暂降远端发生故障,电动机启动等影响许多特殊行业的生产过程,降低生产工效和产品质量,造成直接的经济损失；计算机工作不正常,引起电机堵转；降低元器件的使用寿命,击穿电子设备；造成设备的损坏对电能质量进监测,及时、全面的掌握系统的运行状况,可以有针对性的采取相应的治理措施,提高电能质量水平,减少损失。..1.4虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用1.4.1虚拟仪器概述虚拟技术、计算机技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分,它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术[30]。美国NI公司于20世纪80年代中期首先提出了"软件就是仪器"这一基于计算机技术的虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。当硬件平台I/O接口设备与计算机确定后,编制某种测量功能的软件后计算机就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器与计算机技术同步发展,与网络及其他周边设备互联,所以用户只需改变软件程序就可以不断的赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说,仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代,这给仪器使用者带来了无尽的收益。虚拟仪器的主要特点有[31-33]〔1尽可能采用通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件。〔2可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能更强的仪器。〔3用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器,研制周期大大缩短。虚拟仪器技术的出现,打破了传统仪器由厂家定义功能,用户无法改变的固定模式,虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲的根据自己的需求,设计自己的仪器系统,满足多种多样的应用需求。〔4比传统仪器更加开放、灵活,可与网络及周边其他设备互联。〔5具有良好的性价比,虚拟仪器的价格相对于同类功能的传统仪器的价格要便宜得多,并且技术更新快。用户有时甚至不用更改任何硬件,只需改动或应用相应的软件模块即可构成新的虚拟仪器系统。〔6虚拟仪器区别于传统仪器最大的特点在于：虚拟仪器的关键是软件。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个系统的关键,任何一个用户都可以通过改写软件的办法,方便的改变和增减仪器系统的功能,即"软件就是仪器"。虚拟仪器作为21世纪的仪器,具有编程灵活、可自定义、数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点,推动着测控技术的革命,在电力系统测量、控制方面有广阔的应用前景。1.4.2LabVIEW概述NI公司的虚拟仪器平台——LabVIEW〔LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench是一种图形化的编程语言——通常称为"G"编程语言,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境[34-35]。LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台,广泛的被工业界、学术界和研究实验室所接受,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能,并内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。使用LabVIEW编制的程序由前面板〔FrontPanel、程序框图〔BlockDiagram和图标/连接器〔Icon/Connector三部分组成。因此,LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件,利用它可以方便地组建自己的虚拟仪器,从而大大提高工作效率。LabVIEW的主要特点有：〔1具有图形化的编程方式,是真正面向科学家和工程师的语言。〔2提供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。〔3采用传统的调试手段和新颖的高亮显示,更有利于编程人员的调试。〔4囊括了各种仪器通信总线标准的所有功能函数,方便了那些不懂总线标准的用户也能够驱动不同的总线标准接口设备与仪器。〔5强大的网络功能,支持常用的网络协议,可以进行网上发布以及远程监控仪器。1.4.3虚拟仪器在电力系统中的应用虚拟仪器在电力系统中的应用越来越广泛,对提高电力系统的自动化水平起到了重要作用。虚拟仪器在电力系统中应用最多的是在测量领域中[36-37],它不仅可以完全代替传统仪器,而且具有许多传统仪器所不具备的功能。特别对于一些非标准的或超常规的测量、测试要求,应用虚拟仪器技术可以起到非常显著的效果。文献[38-41]介绍了LabVIEW在电能质量检测中的应用,文献[42-43]介绍了虚拟仪器在互感器等设备的校验中的应用,文献[44-45]介绍了虚拟仪器在电力系统故障诊断中的应用。另外,虚拟仪器软件在电力系统仿真和电力系统专业教学中也被越来越广泛的采用,许多高校和科研院所都专门成立了虚拟仪器实验室。1.5本文主要工作跟据我国风力发电的发展情况,以及风电场存在的电能质量问题,本文主要作了以下几个方面的工作：〔1介绍了风电机组的结构、运行特性,产生电能质量问题的原因,分析风电场电能质量的特点。〔2结合风电场电能质量问题的特点,以及相关的标准,分析各种检测算法,选取合适的算法。本文针对风电场电压波动频率主要在1～3Hz的低频段,而目前广泛使用的IEC推荐的IEC闪变检测原理在低频段精度较低的情况,采用了抵消基波的方法,并对这两种方法进行仿真比较,证明抵消基波的方法在低频段具有较高的精度,更适用于风电场的电压波动与闪变检测。〔3结合NI公司的信号调理箱、数据采集卡等相关硬件,以LabVIEW为软件开发平台,开发风电场电能质量综合监测系统。..第二章风电机组的类型、特点及其对电能质量的影响2.1风电机组的结构及分类风电机组主要由以下几个部分组成：机舱：机舱包容着风电机的关键设备,包括齿轮箱、发电机。转子叶片：捉获风,并将风力传送到转子轴心。齿轮箱：齿轮箱两边分别为低速轴和高速轴。偏航装置：借助电动机转动机舱,以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来感觉风向。电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机,并控制偏航装置。为防止任何故障〔即齿轮箱或发电机的过热,该控制器可以自动停止风电机的转动,并通过调制解调器来呼叫风电机操作员。液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇,用于冷却发电机。此外,它包含一个油冷却元件,用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势,因为离地面越高,风速越大。风速计及风向标：用于测量风速及风向。以上是风电机组的主要组成部分,不同类型的风电机组其结构有所不同。风电机组可以按照其运行方式、控制原则或拓扑结构的不同进行不同方法的分类,根据发电机转速性质可以分为定速风电机组和变速风电机组;根据风力机叶片的桨距控制原理,可分为失速型定桨距风电机组和变桨距风电机组;根据发电机类型可分为以鼠笼式异步电机作发电机、以双馈式异步电机作发电机和以多极永磁同步电机作发电机的风电机组;根据与电网的连接方式可分为直接连接和通过变流器连接两种形式;根据传动机构分类可分为升速型和直驱型。综合上述的分类方法,目前的风电机组可以基本划分为下面几种主要机型[46]：〔1基于普通异步发电机的恒速风电机组〔2基于双馈异步发电机的变速、变桨距控制风电机组〔3基于永磁同步发电机的变速、变桨距控制风电机组分析风力发电的电能质量问题,首先要考虑风力发电机类型的不同,每种机型都有其特点,不同风电机组工作原理、数学模型都不相同,因此,分析方法也有所差异。2.1.1恒速风电机组基于鼠笼式异步发电机的风电机组技术成熟、结构简单、易于维护、操作方便、没有复杂的控制,一直以来都是全球风电市场上的主力机型,尤其是早期运营的风电场基本都采用这一机型,其结构如图2-1所示。图2-1恒速风电机组结构基于鼠笼式异步发电机的风电机组由三叶片风力机、齿轮箱、普通的异步发电机、机端并联补偿电容器和控制系统构成。这类风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行,因此通常被称作定速风电机组。风力机恒速运行时不能保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出。恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点一是风力机转速不能随风速而变,风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小,从而降低了对风能的利用率。二是当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力。三是并网时可能产生较大的电流冲击而目前的恒速机组,大部分使用异步发电机,在发出有功功率的同时,还需要消耗无功功率,通常是安装电容器,以补偿大部分消耗的无功功率。2.1.2双馈感应风电机组为了在变动的风速情况下获取最大的能量,促使人们将变速恒频技术应用于风力发电机组。目前应用最为广泛的变速机组为采用双馈异步发电机的变速风电机组,这种机组也是本文的主要讨论对象。这种机组通常都是采用浆距控制技术的,由于风力机变速运行,其运行速度能在一个较宽的范围内调节,使风机风能利用系数得到优化,获得高的系统效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备,可实现功率因数一定范围内的调节,例如功率因数从0.95领先到0.95滞后范围内,因而具有调节无功功率出力的能力。基于双馈异步发电机的变速风电机组的结构如图2-2所示,图2-2双馈异步发电机组结构该机型主要包括以下几大部分：双馈感应发电机、桨距控制风力机、低速轴<LS>、齿轮箱、高速轴<HS>、转子侧变流器、直流环节和电网侧变流器。除了定子直接接入电网以外,其转子也通过变频器与电网相连,通过变流器实现发电机有功、无功功率解耦控制,使风电机组具有变速运行的特性图[47-48],其运行状态可以分为：次同步运行、同步运行和超同步运行,由于很容易实现次同步转速发电,因此具有无功调节能力。2.1.3多级永磁风电机组近几年来,直接驱动技术在风电领域得到重视,由于其具有很多技术方而的优点,特别是采用永磁发电机技术,其可靠性和效率更高,处于当今国际上领先地位,在今后风电机组发展中将有很大的发展空间。多极永磁风电机组结构如图2-3所示,这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,从而免去了齿轮箱这一传统部件,这样可大大减少系统运行噪声。大型风电机组实际运行经验中,齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现,可以大大提高风电机组的可靠性,降低风电机组载荷,提高风电机组寿命。图2-3多极永磁风电机组结构直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机,其转子为永磁式结构,无需外部提供励磁电源,提高了效率其变速恒频控制也是在定子电路实现的,把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电,因此,变频器的容量与系统的额定容量相同。尽管由于直接耦合,永磁发电机的转速很低,使发电机体积很大,成本较高,但由于省去价格更高的齿轮箱,所以,整个系统的成本还是降低。2.2风力发电的特点风力发电场与其他电厂不同,具有以下特点：<1>单机容量一般比较小,机组台数较多。目前国内一个风力发电场通常由数十台或数百台容量为几十至几百kW级的风力发电机。<2>各机组的分布十分分散,距主控室比较远。为了合理利用风力资源,各台风力发电机之间必须保持一定的距离,以减小尾流效应的影响和干扰。<3>各机组工作环境恶劣,工况变化十分频繁。由于风力资源本身的特性,各风力发电机的运行工况随风速、风向的变化而时刻变化。风力发电机运行的外部自然环境随风电场位置的不同而有所不同,但大都较为恶劣。<4>风电场所在地区往往人口稀少,处于供电网络的末端,承受冲击的能力很弱,因此很有可能给风电场接入点及周围的配电网带来诸多的电能质量问题[49]。不同于常规发电厂,风电场在运行中具有两个显著特点,其一是风力发电机一般采用异步发电机,在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场,从而使大型风电场并网运行后对局部电网的电压水平有影响;其二是由于风速为随机变化的量,使得风电场的输出功率具有波动性,从而将影响局部电网的电能质量。2.3风电场并网对电网电能质量的影响风力发电的特殊性使得其电能质量比火力发电等传统发电方法要差一些,从风轮叶片结构到传动机构,到发电机及其控制方式,电力电子装置,甚至电网方面的一些特征参数都会影响到风电的质量。风能的随机性给脱网运行的风机带来了冲击性的风机输出功率和电流,还有电压突变；在风机群并网运行的时候,同时启动或者同时停机,电网会因此受到较为严重的功率和电流的冲击,甚至是电网频率的改变。在风电机组并网启动瞬间,异步发电机剩磁电势较小,从异步发电机等值电路上看,相当于变压器副边短路,启动过程将产生大的启动电流。同时将导致电网电压大的跌落。异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率,从而影响到电网侧的电压,风机群并接到弱电网的时候这种效果就会被放大,导致电网侧电压的突降。<1>风电场注入系统功率较大时,风电场母线及附近地区的电网电压升高。尤其当风电场与系统间等值阻抗数值较大时,电压升高极为严重。<2>多台风力发电机组的并网需分组进行,而且间隔时间不应小于30s,否则可能引起10%以上的电压骤降。适当的冲击电容补偿可以减小多台风力发电机并网时的电压降低。<3>风电场风速增大等情况引起的脱网可能会造成风电场附近地区的电压突降。2.3.1风电场引起的电压波动和闪变风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动,而风速的变化引起有功、无功的变化,因而风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响最大,尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大,风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时,恒速恒频风电机组产生的电压波动和闪变继续增大；而变速恒频风电机组因为能够平滑输出功率,产生的电压波动和闪变却开始减小。湍流强度对电压波动和闪变的影响也是很大的,两者几乎成正比例增长关系。在风电机组启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动和停止。这些切换操作引起功率波动,并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。文献[20]分别计算了恒速恒频定桨距和恒速恒频变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变,并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。由于启动时无法控制叶轮转矩,而持续运行过程中的功率波动较小,所以恒速恒频定桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大。对于恒速恒频变桨距风电机组,结论是相反的,切换操作过程中产生的电压波动和闪变比持续运行过程产生的电压波动和闪变小。除了风电机组运行过程中的一些特性外,风电机组自身的结构也是产生功率波动造成电压波动和闪变的一个重要原因。在并网风电机组持续运行过程中,由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响,风电机组在叶轮旋转一周的过程中会产生转矩不稳定现象。而转矩波动将会造成风电机组输出功率的波动。这些波动会随着湍流强度的增大而增大。常见的转矩波动和输出功率波动的频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风机来说,当波动频率为3p<p为叶轮旋转频率>时,最大波动幅度可达转矩平均值的20％[50-55]。塔影效应是指风电机组的塔筒对空气流动的阻碍作用使叶片经过塔筒时,产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的,接近塔筒时风速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响非常严重。塔影效应可以用频率为3p倍数的傅立叶级数表示。由于叶片扫掠面积内垂直风速梯度的存在,扫风面积的最高处与最低处风速差别可能比较大,这种风剪切同样会引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毅为极点的极坐标下的二项式级数表示。从风轮的角度看,风廓线是一个周期性变化的方程,变化频率为3p的倍数。除了塔影效应和风剪切引起输出功率的波动,在风电机组输出功率中还可以检测到频率为p的波动分量,其主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外,频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显,它可能是由于轮毂的横向摆动引起的。2.3.2风电场引起的谐波问题风电场产生谐波问题的主要原因是风机本身配备的电力电子装置。特别是对于变速风电机组,对于定速风电机组来说,在连续运行过程中没有电力电子器件参与,因而也基本没有谐波产生；当机组进行投入操作时,软并网装置处于工作状态,将产生谐波电流,但由于投入的过程较短,这时的谐波注入可以忽略。变速风电机组则采用大容量的电力电子元件,直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用可控PWM整流或不可控整流后接DC/DC变换,在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器,电网侧同样采用PWM逆变器,定子绕组端口并网后始终发出电功率;转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。不论是哪种变速风电机组,并网后变流器将始终处于工作状态。因此,变速风电机组的谐波注入问题需要考虑。风电系统中的另一个谐波源是无功补偿装置和变压器等,相比前者产生的影响要小得多,在风电系统中由于异步机、变压器、电容器等设备均为三相,且采用三角形或Y型连接方式,故不存在3的倍数次谐波,即风电中存在的谐波次数为5、7、11、13、17等[56-59]。另外,风电场多使用异步发电机,运行时需要吸收系统的无功功率,为满足电网对风电场功率因数的要求,多采用在机端并联补偿电容器的方法。风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。2.3.3风电场电能质量检测需要解决的问题由于风电机组的运行特性、机械结构等与常规电厂的发电机组有着很多不同之处,其产生的电能质量问题也有着自身的特点。对于这些电能质量指标的检测,对常规发电形式电能质量检测的算法可能不再适用。因而对风电场电能质量进行监测,需要根据这些特点,有针对性的选择合适的算法、设计用户界面。电压波动与闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一,人对照度波动的最大察觉频率范围为0.05～35Hz,风电场电压波动的频率主要范围在1～3Hz,位于这一频率范围内。目前,对电压波动闪变进行检测广泛使用的方法是IEC推荐的IEC闪变检测原理,是采用平方后滤波的方法,这种方法的最有效测试频段在8.8Hz附近,而对于低频调幅波,这种方法的高通滤波器截止频率很低,难以实现,往往误差较大。而风电场电压波动频率正处于其低频段,所以,对风电场电压波动与闪变进行监测,需要找到一种在低频段具有较高精度的检测算法,这也是本文的主要工作之一。2.4小结本章首先介绍了各种风电机组的机械结构、电气结构以及运行特性,以及风电场的特点。然后,分析了风电机组运行过程中,各种物理特性、电气部件以及功率输出特点,对风电场电能质量的影响。最后,总结了风电场电能质量问题与常规电厂的电能质量问题相比有何特点。..第三章系统硬件设计3.1硬件系统的总体设计风电场电能质量综合监测系统的硬件部分由互感器〔传感器、信号调理模块、数据采集卡、计算机构成,如图3-1所示图3-1虚拟仪器的硬件组成电压、电流互感器将现场一次侧电压、电流信号转换为100V电压和5A范围内电流送入信号调理模块,信号调理模块将电压和电流信号转换为适合采集卡采样的-5V～+5V的电压信号,并对信号进行低通滤波,以消除频谱分析时高频信号可能引起的频率混叠现象。数据采集卡直接插入PC计算机机扩展槽,在微机控制下对调理模块上多路信号进行采样。3.2硬件的选取在电力系统中,对电压、电流信号的采集,通常是先通过电压、电流互感器将原始信号进行处理后,再连接到测控设备。本文所述风电场电能质量综合监测系统也需要根据监测电网的电压等级选择合适的互感器对信号进行相应处理。电压互感器的选择需要考虑电压互感器的一次侧电压与实际的电网电压等级相匹配,若选择电压等级过高的互感器则得到的二次侧电压误差会很大；若选择电压等级过低的互感器则不能连接到系统中,否则互感器将会被烧毁。从用途来说,电压互感器可分为测量用互感器和继电保护用互感器。二者相比,前者的静态性能较好,精度较高,适合于对电网的静态测量；后者的动态性能较好,在电网发生事故时仍能保持较好的输出性能,适用于电网的故障状态测量,但它的测量精度稍低[60]。从对电压暂降的监测来说,由于发生电压暂降时电网通常处于故障状态中,此时电网的参数变化较为剧烈,对互感器的动态性能要求较高,因此需要选择继电保护用电压互感器。而其他几个指标对应的是电网的正常运行状态,因而采用测量用互感器,以保证较高的测量精度。电流互感器的选取也是如此。由于电压互感器的二次侧额定电压通常是100V,所以需要做进一步的降压处理后方可接入到数据采集电路中。本系统中选用美国NI公司的SCXI信号调理器进行调理。SCXI信号调理器将所有的信号调理模块集中装入SCXI机箱中,用于将原始信号进行放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送调理,使数据采集系统的可靠性及性能得到极大改善。本系统选用SCXI-1000信号调理箱,配合SCXI-1125、SCXI-1313及SCXI-1346等模块,对互感器二次侧电压进行处理。采用上述设备后,系统可以很方便地同NI公司的数据采集设备进行接口,并能够通过软件对设备增益进行调整,无需再进行电路的开发。数据采集卡采用NI公司的NI6024E,其工作原理如图3-2所示图3-2数据采集卡工作原理图它具有模拟量输入输出、数字量输入输出以及定时器等功能,能够完成信号采集〔A/D、单端16,双端8个模拟输入通道,由于测量的信号可能是不共地的三相线电压,所以按照8路差分输入的方式连接,最大输入范围±10V,最小输入范围±50mV,单通道最大采样率200KS/s,12位精度,三种信号输入方式,通过卡内置的12位精度的逐次逼近型AD转换器,将转换的结果送往卡上的FIFO存储器,它可以保存2048次A/D转换的结果。这种结构可以大大降低计算机对硬件的访问次数,可以在多次采样结束后再将所有转换后的数据一次性读走,提高软件执行的速度,也极大地方便了程序的编写。3.3信号调理信号调理〔SignalConditions负责信号的放大、隔离、信号滤波、传感器激励和线性化处理,是连接传感器与数据采集卡之间的桥梁,对于数据采集和控制系统来说是非常重要的。信号调理除了放大、滤波和隔离等一般作用之外,通过多路复用技术〔Multiplexing可以以较低的成本有效扩展系统的I/O能力。<1>隔离当被检测的信号含有高电压峰值时,它可能损坏计算机或伤害操作者。在这种情况下出于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离。进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备的测量不受地势差的影响。引起测量问题、甚至损坏DAQ板最常见的原因就是接地不当。把传感器和测量设备进行电气或物理隔离是防止这类问题的最有效方法。当数据采集设备与信号不是参考同一地势点的话,就可能发生对地环流,影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地的势差很大的话,甚至可能损坏测试系统。使用信号调理器的隔离模块可以减小对地环流,确保信号测试精确。当传感器的地接到测量系统时,两个地之间就会出现所谓的共模电压〔common-modevoltage。图3-3为一个单端接地的DAQ测量系统,其测量电压包括信号和地线环流引起的共模电压。隔离正是通过破坏地线环流来消除共模电压,实现对DAQ板的保护。仪器放大器输入端相对于仪器放大器接地端之间的电压叫共模电压。理想的差分测试系统只读取信号两极之间的势差,而完全不会测量共模电压。采用差分输入,可以消除信号中的共模噪声。对于大多数模拟输入设备,可以有三种不同的信号连接方式：差分DIFF〔differential、参考单端RSE〔referencedsingle-ended和非参考单端NRSE〔nonreferencedsingle-ended。在差分测试系统中信号的正负极分别接入两个通道,所有输入信号各自有自己的参考点,通常差分测试系统是一种比较理想的测试系统,因为它不仅抑制接地回路感应误差,而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。图3-3测量参考地信号的差分输入连接对更大的共模电压或地电流,则采用隔离的方法来破坏地线环流。隔离的作用除了抑制共模电压之外,对保护测试设备免受电源线、闪电和高压设备上的浪涌损坏也是非常重要的。<2>放大放大是一种最常用的信号调理。对电信号进行放大的两个好处是它可以改进信号数模转换的精度并可以减少噪声。为了得到尽可能高的精度,应该将信号放大到它的幅值等于模数转换器的最大输入范围。虽然对低电平信号进行放大可以在数据采集设备中进行,也可以在信号源附近的信号调理模块中进行；但是在数据采集设备中对信号进行放大,信号就带着进入导线的噪声一起被放大,然后进行模数转换和测量；而在信号源附近用信号调理模块放大信号,噪声的破坏作用将降低,数字化后能更好地反应低电平的原始信号。<3>滤波与平滑滤波是消除噪声的一种有效方法,信号调理系统可以从被测试信号中滤除掉不需要的成分或噪声。对类似于温度这样缓慢变化的信号常常需要使用低通滤波器,减少信号的高频成分,提高数模转换的精度。使用低通滤波器可以滤除截至频率以上的所有信号频率成分。有些信号调理装置可以在软件中选择截止频率。对动态信号可同时采用模拟滤波器和数字滤波器,既滤除噪声,又可实现自适应抗混叠滤波。模拟滤波器的截止频率设计在DAQ板最高采样的1/2处,而数字滤波器的截止频率自动调整在用户通过软件设定采样率的1/2处,从而保证了抗混叠滤波作用的实现。3.4小结本章首先介绍