风电场电能质量分析与实时监测系统的研究

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1、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，成为最具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。而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冲击和电力谐波的影响将不容忽视。不稳定风速所造成的电压、频率波动和电力谐波会对接入电网电能品质造成直接影响，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，因此风力发电监测系统和控制技术的开发研究显得更为迫切。但目前国内关于风电场对电网的影响的研究工作大部分还只限于理论分析，缺乏基于实际

2、数据的支持和论证，因此科学地建立一套风电场实时监测系统，对现有风电场的电能质量进行实时分析和评估，这对风电场接入网现状的研究以及风电与电网的和谐发展具有极其重要意义。针对目前风力发电的发展大趋势，本文深入地研究了风的随机性对风机输出功率的影响，建立风速预测模型，利用小波变换进行电能质量分析，并参考国际电工标准IEC61400-21提供的描述并网风电机组电能质量的特征参数及其相应的计算方法，沿着理论结合实践这一指导思想，率先提出构建基于CAN总线的风电场计算机实时监控系统，对风电场的电压、电流、频率和功率波动、电网谐波、三相电压

3、不平衡等指标进行实时检测，并通过通信线路上传至后台分析系统。后台分析系统基于风电场的运行参数和监控系统提供的指标性数据，给出风电场运行状态和风电场对电网影响的技术评估结果。本论文的内容和研究成果可以归结成以下几点：1)在研究风能特性的基础上分析了风速对风电场输出功率的影响以及输出功率变化对电网的影响，提出了利用风电场输出功率变化率这一因素作为评价风电场对电网影响的重要指标，并以此为依据首次建立了短期风速的预测模型，利用神经网络与ARlIIA模型相结合的算法，有效地提高了风速预测精度和实时性，为电网未来合理调度提供了依据；2)为

4、避免Fgr对非平稳随机信号处理上的缺陷，首次将小波变换用于风电场电能质量分析中，研究了根据小波奇异性检测原理提取风电场信号中的特征向量，提出了利用电压均值法对电压信号扰动进行分类，大大加快了信号处理的速度；利用小波变换实现谐波分析，能更好地分析信号的动态特性，并推导出了谐波畸变率公式，提高了动态谐波分析的精度：对信号的小波系数进行了阂值压缩，有效地减少了电能质量全程监测数据的存储量，为各站点数据存储以及华南理工工大学博士学位论文监测系统的实时性观测提供了更好的保障，并为未来便携式监测系统的设计提供了新的方法；3)在国内率先设计

5、并实现了一套完整的采用CAN总线的风电场动态实时监测系统，它与现有风电场配备的稳态数据采样系统的不同是对动态信息进行高速采样和处理，可获取风电场运行的各种动力学特性，并对系统中的硬件和软件的设计、电量的计算、电能质量分析和评估等进行了分析论证。为了提高分析算法的精度，在固定频率的高速采样情况下，采用了多种适用的算法以适应现场情况的要求。对基波频率计算采用了数字滤波以及带线性插值的过零检测方法；对谐波分析采用了带四阶牛顿插值法同步化的快速傅立叶分析算法；在电压波动和闪变检测方面，参考IEC国际标准提出的模拟闪变仪，设计了离散化的

6、数字闪变仪并且得到了应用。无论是在仿真还是实际运行中都验证了系统的合理性及算法的有效性。该监测系统结合作者在小波变换用于风电场电能质量分析中的研究成果，还可以在分析精度上得到进一步分的提高；4)结合风电场的运行特点对电能质量检测系统获得的数据进行了详细的分析和归纳。从电压波动，谐波严重度及其变化趋势，频率偏差，功率和电流的冲击等各个方面总结了风电场的电能质量情况，弗且分析了各自产生的原因。对进一步改善风电场的电能质量提供了依据。经过实际运行测试和应用表明，利用CAN总线实现风电场的实时监测，具有实时性好、通用性强、可靠性高、系

7、统容易实现等优点，有广泛推广前景；基于现场总线的风电场实时监测与评估系统，可较全面的获得风电场运行状况的信息，对研究风电场的电能质量和对接入电网的影响提供了强有力的运行数据支持，将对我国风力发电事业及研究工作的发展有很好的推动作用。为风电场与电网的和谐发展和风电场的接入标准的制定提供了数据参考：5)首次提出利用满意度原理对风电场电能质量进行综合评估，建立了满意度综合评判模型，参考用户的评价准则，按照国际或国家标准对风电场的电能质量各项指标进行综合评价，得出风电场在不同的风况下单台风力发电机组的电能质量综合评价结果以及整个风电场

8、的电能质量情况，为今后国家相关部门制定风电场电能质量综合评价提供了相关的依据。关键词：风电场：电能质量；风速预测；小波变换；满意度：监测系统；CAN总线ⅡAbstractNowtheworldissufferedfromtheshortageofenergy．Windener