微电网的谐波分析研究

发布时间：2016-05-11 06:36

1  绪论 

1.1  研究背景及意义 
随着经济快速的发展，人们对电能的需求量越来越大，电网也在持续建设当中[1]。然而大规模使用电力电子技术的弊端也逐渐显现，传统的电力生产、传输和分配已经很难满足人们的用电需求[2]。微电网作为一种特殊的分布式发电系统，由微电源、储能系统、负荷、控制装置等共同组成，被提出以后受到了社会各界的广泛关注[3]。微电网推进了电力工业的发展，使电网由传统的集中供电方式发展为集中与分散两者相结合的供电方式[4]。在微电网中，非常规能源一般包括了太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能以及核聚变能等[5]，在这些新能源中，目前已经应用并且对电网的电能质量影响较大的主要就是光伏发电系统和风力发电系统[6]。 谐波是电能质量中最重要的问题，对电力系统安全、经济、有效的运行有很大的影响[7]。谐波的来源主要就是电源、输配电系统、变流装置以及负荷等[8]。在微电网中，整流逆变器、变频器以及其他电力电子装置等现代电子技术的大量使用，都会产生大量的谐波，当谐波注入到电网中时，就会使电网中电压、电流波形发生畸变[9]。并且，微电网中的电子元件也会因为谐波产生附加热效应，使电能质量降低，影响电网中的用电设备安全、有效、经济的运行[10]；局部电网也会因为谐波问题出现谐波谐振问题，增加谐波的含有率，严重的情况甚至会烧毁设备[11]；谐波也会引起继护装置和自动装置的误动作问题，使电能的计量不准确，出现混乱[12]。对于微电网系统外部，谐波也会干扰附近的通信系统使通讯质量下降，会产生一定的噪声污染，如果干扰严重，甚至会使信息丢失，通信系统瘫痪[13]。 对于微电网的孤岛运行和并网运行，微电网的谐波分析研究都有着重要的意义[14]。对微电网的谐波快速、准确的分析，能够实时、有效的了解微电网谐波产生的原因以及危害，也能够为供电部门和相关单位提供准确判断及有效改善电能质量的依据[15]。同时，谐波分析还能够使微电网在运行过程中能够及时的进行自调节，保证其安全、经济、高效的运行，提高局部供电可靠性和微电网的广泛应用[16]。
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1.2  国内外研究现状 

1.2.1  微电网应用现状 
近年来，微电网技术得到广泛的推广和应用。在国外，美国、欧盟、日本等国家对微电网都进行了大量的分析研究工作[17]。 

（1）美国对微电网的研究 
美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）对微电网的研究从理论研究、仿真实验进入到了现场示范，并且研究成果在微电网实验平台上得到了实验验证[18]。美国给出的微电网定义是：微电网是由微电源和负荷组成的既可供电又可供热的系统[19]。微电网内部的电源需要靠电力电子器件进行能量的转换和控制[20]。微电网相对于大电网来说，是一个单一的受控元，既可以孤岛运行也可以并网运行，微电网在发生故障的时候，比如与主网断连，仍然可以满足自身的供电需要[21、22]。 目前，对于微电网，学者们通过美国第一个示范工程—MAD REVER，在微电网的仿真建模、控制方法以及经济效益等多方面进行了更深一步的研究[5]。同时，学者们希望通过这项工程的深入研究为将来的微电网实际的工程建立形成相关的管理政策和法规[23]。美国通用电气公司与电力管理部门共同研发了以具有并网控制、热能和电气的性能与成本优化控制，以及对可再生能源间歇性发电管理等功能为目标的“通用电气全球研究（GE Global Research）”项目[24]。 
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2  微电网的谐波分析及仿真模型的建立 

随着一次能源的枯竭和新能源发电技术的迅速兴起，微电网的建设开始进入高速发展期，然而微电网大量采用现代电子技术，会产生大量的谐波影响电能质量，甚至威胁配电网的安全运行，因此本章深入分析了微电网谐波产生的原因，并建立了光储联合微电网的仿真模型，为获取微电网谐波分析中所需要的信号奠定基础。 

2.1  微电网的基本概念

近年来，微电网技术得到了广泛的关注和推广，微电网是一种独立性很强的分散性电源网络，可以实现自我控制、保护和管理的自治型系统[46]。目前，各个国家对微电网给出了不同的定义，但是对微电网给出的定义应用最广泛也是最被认可的就是美国电气可靠性技术解决方案联合会（Onsortium  for  Electric  Reliability  Technology  Solutions，CERTS），定义是：微电网是由微电源和负荷共同组成的既可以提供电能又可以提供热能的系统；微电网中的微电源由电力电子器件进行控制和能量的转换；微电网相对于外部大电网来说是一个单一的受控源，它能够同时的满足用户对电能质量和供电安全等多个要求[47]。 欧盟对于微电网给出的定义为：“对一次性能源要充分利用，将小的、块化的分布式电源互联，能实现冷、热、电联供，配有储能装置，连接到低压配电网的系统。”[48] 日本相关组织给出的定义是：“微电网是指在一定区域内，利用分布式电源，根据用户需求提供电能的小型系统。”

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2.2  微电网谐波源及谐波产生原因分析
光伏发电系统是微电网的重要组成部分，光伏发电系统因无污染，无噪声，装置灵活等优点，成为不可或缺的能源之一。光伏发电的核心组件是光伏电池，但是光伏电池的输出不稳定会使电网中产生严重的谐波问题，这些谐波会对电网产生很大的影响。 光伏电池的输出与光照强度有很大的关系，当有阴云等遮挡物时，就会出现光照强度和光照变化速率不均匀。在光伏发电系统建模的时候选择将 CY-TD180-24 电池进行串并联，那么当光伏组件被部分遮住时，光照强度会有大幅度的反复变化，会使光伏组件的输出不对称，引起谐波。光伏组件的内部结构如图 2.2 所示。当光伏组件的光照被部分遮挡时会比被整体遮挡引起更高的谐波畸变。
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3  谐波分析的理论研究........ 25 
3.1  傅立叶变换...... 25 
3.1.1  连续傅立叶变换（FT） ......... 25 
3.1.2  离散傅立叶变换（DFT）....... 25 
3.1.3  快速傅立叶变换（FFT） ....... 26 
3.2  小波变换.......... 27 
3.3  小波去噪原理......... 30
3.4  本章小结.......... 34 
4  小波变换和 FFT 相结合的微电网谐波分析 ...... 35 
4.1  小波变换和 FFT 结合的谐波分析方案 .......... 35
4.1.1  小波阈值去噪 ..... 35 
4.1.2  小波变换在微电网谐波分析中的应用 ....... 37 
4.1.3 FFT 在微电网谐波分析中的应用 ......... 38 
4.2  改进的小波阈值去噪法 ....... 40 
4.2.1  小波阈值去噪法的改进 .......... 40 
4.2.2  改进的小波阈值去噪效果对比 ..... 40 
4.3  本章小结.......... 41 
5  仿真与分析.......... 43 
5.1  小波变换和 FFT 相结合的仿真分析 ....... 43 
5.2  本章小结.......... 47 

5  仿真与分析 

通过对微电网模型及谐波问题的深入分析，以及谐波分析方法的研究，本章对光储联合微电网输出的并网电流进行谐波分析，使用小波阈值去噪法对并网电流进行滤波，并对并网电流使用小波变换和 FFT 结合的方法进行分析研究，计算谐波含有率和总谐波畸变率。 


5.1  小波变换和 FFT 相结合的仿真分析 
在标况下，第三章建立的光储联合微电网的仿真模型，得到输出的并网电流波形如图 5.1 所示。从图中可以看出，波形平滑度不好，含有谐波。对并网电流进行 FFT 分析，如图 5.2 所示，，可以得到信号的总谐波含有率为 4.31%，各次谐波含有率如表 5.1 所示。 综上所述，利用小波变换对信号进行分析，可以有效地提取信号的基频分量，和各次的谐波分量，达到检测谐波的目的。同时，利用FFT变换，还可以测得各次谐波的幅值，准确的计算出谐波含有率和总谐波畸变率。由此可见，本文采用的小波变换和FFT相结合的方法，对微电网谐波分析非常有效，而且本文改进的小波阈值去噪法对信号滤波，去除信号中的噪声等干扰信息，效果非常显著。 本章在MATLAB环境下进行仿真。以微电网的并网电流作为谐波分析信号源，使用改进的小波阈值去噪法对信号去噪。并使用小波变换和FFT相结合的方法对去噪后的并网电流进行分析，准确计算出了HRIn和THD。实验结果表明小波变换和FFT相结合的方法可以有效的分析微电网中各次的谐波成分，得出准确的数据。同时，仿真结果也表明了改进的小波阈值去噪方法的有效性和优越性以及两种方法结合分析方法的可行性。
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结论 

社会对电能需求的增加，用户对电能质量要求越来越高，非可再生能源的稀缺，微电网的建设和使用也成为了必然的发展趋势。然而，微电源的不稳定，微电网中大量电力电子器件的使用，使微电网产生大量的谐波，降低电网的电能质量，影响用电设备的正常工作。因此，深入的研究分析微电网并网的谐波问题有非常重要的意义。为了高效的分析谐波，准确检测谐波，本文使用了小波变换和 FFT 相结合的谐波分析方法，具体工作及结论如下： 
（1）从微电网谐波的基本概念入手，确定了微电网的整体结构，以此为基础，深入的分析了微电网谐波产生的原因。并且对主要的分布式电源光伏发电系统和储能系统的基本特性进行了分析，构建了光储联合微电网的仿真模型，得到了微电网的并网电流，并以此作为谐波分析的信号源。 
（2）论述了小波变换和傅立叶变换的理论及其特性，并且深入分析了两种方法在谐波检测中的应用。在此基础上使用小波变换和 FFT 相结合的方法对光储联合微电网输出的并网电流进行谐波分析：使用 db20 对电流信号进行 10 层分解，然后使用 FFT 对各层信号进行分析，求出各次谐波含有率和总谐波畸变率。 
（3）对小波变换的去噪原理进行了分析，明确了小波阈值去噪的过程，给出了去噪效果的判定方法。并在此基础上对小波阈值去噪的方法进行了改进：使用“3? 规则”选取阈值，将软、硬阈值函数折衷去噪法与“? 律阈值”法相结合对信号进行去噪。同时，以实际测得的电流数据作为原信号，在 Matlab 环境下对不同去噪方法进行了仿真实验，论证了本文改进的创新方法的有效性和优越性。 
（4）在 MATLAB 环境下进行仿真实验。使用改进的小波阈值去噪法对微电网的并网电流进行去噪，使用小波变换和 FFT 相结合的方法对去噪后的电流的各次谐波进行了分析，提取出了相关的信息，总谐波畸变率 THD 与各次谐波含有率 HRIn 可以准确的计算出来。同时，验证了去噪效果的显著以及两种方法结合以后的分析方法可行性。
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参考文献(略)    

本文编号：43769