分布式光伏并网发电系统接入配电网电能质量分析.pdf

目录m w.I第一章绪论.1Li课题研究背景及意义.11.2国内外研究历史及发展现状.41.3本文所做的主要工作.6第二章分布式光伏发电系统并入配电网电能质量问题分析.82.1电能质量概述.82.2电能质量的分类.92.3电能质量标准.112.4光伏并网发电系统并入配电网电能质量问题分析.132.5本章小结.16第三章基于FFT的电能质量分析方法.183.1电能质量分析方法综述.183.2快速傅里叶变换分析方法.193.3快速傅里叶变换的特点与应用.273.4本章小结.27第四章单个光伏并网系统电能质量分析.294.1单个光伏并网发电系统结构.294.2单个光伏并网发电系统电能质量问题分析.334.3本章小结.38第五章多个光伏并网发电系统电能质量分析.405.1多个光伏并网发电系统结构.405.2多个光伏并网发电系统电能治理问题分析.415.3本章小结.48第六章结论和展望.50参考文献.52111东大学硕士学位论文山东大学硕士学位论文摘要配电网是整个电力传输的重要组成部分，其从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。配电网是与用户关 系最密切的部分，是向用户提供优质电力的最直接的保证。随着人们对于新能源发 电的关注，大量的分布式发电系统接入配电网。分布式光伏并网发电系统运行中会 向配电网注入谐波和直流分量，对配电网的安全运行和用电设备的正常工作造成的 危害与影响不断增加，造成配电网电能质量问题日益突出。与此同时，电力用户对 于电能质量要求的不断提高，促使电力及相关部门采取积极有效的措施来保证配电 网高质量电能的供应。因此，对于分布式光伏并网发电接入配 电网引起的电能质量 问题分析有待进一步研究。论文首先介绍了电能质量概念，回顾了电能质量研究的不同分类，分析了电能 质量分析的研究现状。论文介绍了 FFT的原理，并讨论了其应用在电能质量问题分 析的优点。论文以Matlab为平台，利用simulink搭建了光伏发电并入配电网的仿 真模型，分析了单个光伏发电系统和多个光伏发电系统并网对配电网电能质量的影 响。论文利用FFT分析方法，重点研究了光伏发电系统并入配电网造成的谐波和直 流分量的影响，为供电部门或电力用户判断和改善电能质量提供依据，为大规模光 伏并网和智能配电网建设提供技术支持。关键词：光伏并网发电；配电网；电能质量；FFTA BSTRA CTDistribution network as an important part of the power systems deliver the electric power to the consumers.With the increasing attention to the new energy power generation,more and more distributed photovoltaic power systems are connected to the distribution network.Power quality issues,induced by harmonics and DC component,have become a crucial factor that may affect the normal operation of both the end users devices and the distribution network.Then,it is necessary and crucial to analyze the power quality of the distribution network with the high PV power penetration.山东大学硕士学位论文I n this paper,the definition,classiflcation and current research of power quality are reviewed and Fast Fourier Transform(FFT)algorithm is introduced.Simulations are conducted with Matlab/Simulink,based on the single PV system and parallel operated PV systems.This paper analyses the power quality using the FFT,while the harmonics and DC component are produced by PV generation injecting to the distribution network.I t is useftil for the improvement of power quality and the further PV development.Keywords；Photovoltaic power generation;distribution network；power quality；FFT2山东大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题研究背景及意义电能的生产、传输、转换和应用是对人类发展历史产生巨大影响的科学技术 成 就。电力技术经过一个多世纪的不断发展，电力生产和应用的与日俱增，给人类社 会的生产面貌带来巨大改变，也深深影响着人们的日常生活。电能作为目前 清洁又 方便的二次能源，在促进社会进步、推动科学技术发展和改善人民生活水平方面发 挥着重要作用；电能作为一种特殊能源供给，电能质量的好坏将对国民经济发展和 人民生活水平提高产生深远的影响随着工业社会发展和科学技术的提高，社会各行业的用电量不断攀升，各行业 电气化水平不断提高，电气技术新工艺、新设备越来越深入到各工业生产过程和人 们日常生活中去，越来越多的电力用户将使用性能更优越、效率更高效但对 电源变 化敏感的高新电气设备，因此电力用户对电能质量(Power Quality)的要求也越来 越高。特别是最近几十年来，随着信息技术的快速发展，基于计算机控制技术的电 气设备和电子装置不断投入工业和日常生活中，新的设备和装置对 电能质量提出了 更高要求。任何电能质量问题都会导致工业产品质量问题，严重的可能导致生产过 程的停顿，给电力用户造成严重损失。随着电力工业的发展，现代电力系统(Power System)中电力负荷结构也随着工业技术的发展发生变化，诸如整流器、逆变器、调 压及变频调整装置、电弧炉和家用非线性电器等负荷，电网(Power Network)中非 线性(Nonlinear)、波动性(Fluctuant)、冲击性(I mpulsive)、不平衡性(Unbalanced)负荷(Load)的使用越来越多，这些新型负荷和新型的电气设备在其使用中会向公共 电网带来各种电磁干扰(Electromagnetic I nterference,EMI),对电力系统的安全稳定运行和电力山东大学硕十学位论文用户的正常用电造成危害的可能性不断增加。电能质量问题越来越严重，已经引 起电力部门和电力用户的高度重视，促使电力及相关部门采取积极有效的措施来保 证电网高质量电能的供应。在电力市场逐步发展的情况下，电力供应作为一种商业服务行为，电能表现为 一种特殊商品，与其他商品一样具有质量特征。电能质量不同，成本随之不同，只 有供电的价格与供电质量挂钩才能形成一个具有真正意义的电力市场。作为电力供 应部门，其追求的是以最小的成本提供满足电力市场需要的质量的电能。与此同时，电力供应对于社会发展和人民日常生活又是一种公益事业，高品质电能的供应，也 是促进社会稳定发展的重要因素。电能质量的指标若偏离TH常指标超出允许范围，会给发电厂、输变电线路和电 力用户带来不同程度的危害。据资料显示，异步电动机占电网所有用电负荷的比例 最大。电网电压波动和频率波动、电网谐波、三相电压不平衡以及电压闪变等，都 会严重影响电机的转速、力矩和发热程度，导致生产效率和产品质量下降。电网中 谐波含量的增加，将缩短电气设备寿命，致使网络损耗增加，容易引起系统产生谐 振，导致并联电容器无法正常投运，容易导致继电保护和自动装置的误动作和拒动 作，引起电能计量的误差以及对通信进行干扰等一系列问题。尤其是随着计算机技 术、电力电子技术和信息通讯技术等高新技术产业的快速发展和广泛普及，人们对 电能质量提出了更高的要求对于过去不引起供电企业关注的电能质量指标（电 网中电压暂降和短时断电等）也成为一个日益突出的问题。例如一个计算机数据中 心在失去电压2s的时间里，就可能破坏几天存储的计算数据，其损失往往有上百万 元人民币的产值。尤其是当今紧密芯片生产厂、数控精加工中心，对配电系统中电 能质量的要求更严格，在短短几分之一秒的电压暂降过程中，就可能引起生产中断、设备损坏和生产出残次品，给工厂正常运营造成混乱。对于这些电力用户每次电压 2山东人学硕十学位论文暂降都会导致巨额的损失。从电气技术角度来讲，提供高品质电能是山供电企业和电力用户双方共同来实 现的，而对电能质量关注度程度日益提高的原因是多方面的，总结起来主要体现在 以下四个方面：(1)采用新技术的用电设备相对于传统电气设备对电能质量的要求更加严格，新的电气设备和用电装置都带有微处理器的控制器和电力电子元件，这些器件对电 磁干扰都比较敏感，容易产生控制和运算误差。(2)电力系统对网络运行总效率的要求程度不断提高，尤其在用电设备方面要 求更高。但新的设备的投运又会引入电网谐波污染，由于线路阻抗的存在，导致供 电电压畸变程度加重，对电力系统安全稳定和经济运行带来严重危害。像高效率电 机变速驱动，为了达到降低损耗和校正功率因数的目的，一般采用并联电容补偿器 进行补偿，以及大量电力电子设备应用到电网中等。(3)电力用户对于电能质量的认识不断提高，正在通过各种途径了解如间谐波、电压陷波等引起的暂态现象等电能质量问题引起的用电异常问题。为满足精密新技 术生产过程的需要，保证生产设备的正常运行，电力用户不断向电力部门提出了越 来越高高品质电能的要求.有些高新企业，通过与供电企业签定供电合同和电能质量 合同的方式以获得高品质电能质量保证。(4)电力系统的发电、输电、变电、配电和用电的各个环节是紧密相连的，因 此协调处理各个环节至关重要，任何一个环节的故障或干扰都有可能对整个系统造 成的影响，严重时可能造成重大损失。这就要求供电企业，在保证电气设备不受电 力干扰的情况下，应向用户提供高品质的电能，维护电力系统安全稳定和经济运行。由此可以看出，电能质量是涉及到发电、输电、变电、配电和用电的一项系统工程 问题。3山东大学硕士学位论文改善电能质量具有重要意义，可总结为以下四点：(1)是电力系统安全、稳定、经济运行的必要保证，是提高电网运行水平的重要手段。(2)是提高国民经济总体效率、用电效率和改善社会电气环境以及保证工业生 产健康发展的重要手段。(3)是电力市场良性竞争机制建立的重要技术保证。(4)通过对电能质量进行全面监管，可以保障各电力用户的正常用电，具有重 要的社会效益。随着人们对于电能质量的重视，电能质量标准正在不断的制定和实施，电能质 量监控体系也正在逐步形成。对于设备生产厂要求其不断提高其生产的电气设备必 须与电源系统的具备较高的兼容，严格限制其生产的电气设备对电力系统和其他用 电设备的电磁干扰。对于供电企业，要求其要不断加强对电能质量的技术支持和监 督，大力加大对于提高电能质量的先进技术的推广应用，不断提高供电质量和优质 的电力服务。1.2国内外研究历史及发展现状光伏并网发电系统接入配电网，容易向配电网注入谐波和直流分量等电能质量 问题。对于谐波和直流分量的检测技术经历了从模拟到数字的过程。较早时期的模 拟带通或带阻滤波器的测量方法，其测量精度和实时性已经不能满足人们测量需求，随着数字信号处理技术、小波变换等理论的快速发展和应用，新的谐波和直流分量 测量分析理论和计算方法得到了快速发展。快速傅里叶变换(FFT)是一种分析电力系统谐波和直流分量的经典方法，这种 方法具有较高精度、功能齐全、使用简单的优点，其缺点是需要至少一个周期的电 4山东人学硕十学位论文流采样，该方法需要进行变换，计算量比较大，需要一定的检测时间，实 时性不够 好由于采样频率和电网频率存在非同步时，会出现频谱泄漏和频谱混叠现象，从 而影响了谐波和直流分量的测量精度。随着技术的发展，许多学5山东大学硕士学位论文者已经提出了很多的改善方法：采用不同窗函数如矩形窗、海宁窗、布莱克曼 窗、布莱克曼-哈里斯窗等，利用加窗插值计算方法对FFT的计算结果进行修正。实 际测量分析过程中进行对比，选用矩形窗和海宁窗能够有效地提高测量精度，减少 误差，有效抑制谐波间干扰，较为准确的分析得到谐波电流和电压的幅值和相位信 息谐波分析应用采样法测量来获取数据，是最常用一种方法。采样法分为同 少采样、准同步采样。电网频率和采样频率一致的采样方法为同步采样，其精度较 好，经常用于谐波分析。实际应用中，可采用软件同步或者硬件同步来实现同步采 样。(2)瞬时无功功率理论。该理论由H本学者H.A kagi等提出，瞬时无功功率 理 论为谐波分析提供了一种全新的思路。该理论提出了 p_q法和ip-iq法来实现谐波 电流的测量随后，学者们又提出了广义瞬时无功功率理论和基于傅里叶瞬时功率基 础的平均功率的谐波检测理论“(3)人工神经网络(A NN)o该理论已被许多重要的领域应用。对于电力系统谐 波领域还处在研究阶段。对于谐波分析，该理论的主要作用是提高谐波和直流分量 测量的精度和实时性侬机(4)小波变换。该理论作为一种新的数学理论，不仅是数学史上的重要成果，也 对工程应用产生了深远的影响。从应用角度讲，传统傅里叶变换方法能够使用的方 面都可以使用小波变换来分析旧皿。小波变换在时域和频域中同时都有很好的局部 性；当按照频带处理频域信息时，信号频率上的小波动不会对处理结果产生较大的 影响，这样就不必对信号采取整周期采样；并且对于高频部分逐步采取细化的时域 步长来分析，可以集中分解分析对象的细节，提高实时性，这些是傅里叶变换所不 能完成的瓯小波变换方法在频率估计、谐波、间谐波测量、闪变检测中的应用也引起了广 6山东人学硕士学位论文泛的关注。小波变换是基于频带的方式研究频域信息同时不需要对信号进行整周期 采样，因此相对于傅里叶变换方法，在特殊的研究情况下，能够获得较为稳定的谐 波检测数据。主要研究领域有利用离散正交小波变换来进行基波分量的获得和谐波 测量，通过连续和离散小波变换对非整数次谐波和时变谐波进行测量。在此基础上，发展了利用多频带小波或者离散小波与连续小波相结合等方法进行谐波检测，在很 大程度上提高了利用小波变换进行谐波检测的效果。同时，另一个研究方向，通过 连续复数小波变换对工频信号进行实时监测并且对谐波和间谐波的测量的研究工作 也有了一些研究成果。另外，通过线性相位复数小波函数对 电压闪变信号，其本质 为调幅信号进行解调制，从而实现了通过小波变换来实时检测电压信号的闪变。小波变换也存在着一定的缺陷，由于集中度不足，分频不够严格，会存在着频 谱混叠，从而造成频域的分析误差。由现有的小波函数，现有还没有研究出一个能 严格分频、能量集中的小波函数，所以无法实现谐波的精确测量。瞬时无功 功率理 论的主要用于谐波检测，人工神经网络是谐波分析的一个新的研究方向，而在研究 和工程实践开发中，对谐波的测量技术仍以傅里叶及其改进算法为主。1.3本文所做的主要工作本文在总结吸收以往电能质量问题分析的基础上，根据分布式光伏发电系统运 行特点，利用Matlab软件搭建了光伏并网发电系统，运用FFT分析工具对分布式光 伏发电系统并入配电网带来的电能质量进行了分析。具体研究工作有以下 几点：(1)介绍了电能质量概念，回顾了电能质量不同的分类，分析了我国光伏并网 发电关于电能质量的标准。(2)论文介绍了 FFT的原理，并讨论的其应用在电能质量问题分析的优点。(3)利用simulink搭建了单个光伏发电并入配电网的仿真模型，利用FFT分析了单个光伏发电系统并入配电网造成的谐波和直流分量的影响。(4)利用simulink搭建了多个光伏发电并入配电网的仿真模型，利用FFT 7山东大学硕士学位论文分析了单个光伏发电系统并入配电网造成的谐波和直流分量的影响8山东人学硕士学位论文第二章分布式光伏发电系统并入配电网电能质置问题分析本章主要介绍了电能质量的概念，国际上通用的电能质量分类和我国关于光伏发 电并网的电能质量的标准，并重点分析了光伏并网发电系统并入配电网后带来的谐波 和直流偏置问题。2.1电能质量概述目前，世界上对于电能质量的要求和定义都不尽相同，各国根据自己的实际出发，对电能质量有着不同的理解和要求。但从供电企业的角度来看，电能质量是指电力企 业提供的电能指标符合标准并满足供电的可靠性；从电气设备生产企业的角度来看，电能质量是指其生产的电气设备所要求的电气特性；从电力用户的角度来看，电能质 量问题是指所有引起用户电力使用不正常的扰动；从工程实际应用的角度看，电能质 量的定义可以进一步具体分解，其内容可以分解成以下 儿个方面进行解释：(1)电压质量。主要是反应实际电压与理想电压之间的偏差，以界定供电企业 向电力用户分配的电能是否合格。电压质量主要包括电压偏差、频率偏差、三相电压 不平衡、电压瞬变、波动与闪变现象、电压暂降、欠电压、过电压、电压谐波和陷波 等。(2)电流质量。电流质量与电压质量直接相关。电流质量主要包括电流谐波、间谐波和陷波等。(3)供电质量。主要包括技术含义的方面和非技术含义的方面。其中，技术含 义方面包括：电压质量和供电可靠性；非技术含义方面包括：供电企业对电力用户对 于供电企业投诉反应速度和电力价格的透明度等。综上所述，对于电能质量的定义概括起来主要有以下几种：定义1:合格的电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适 合于该设备正常工作。定义2:造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为 电压、电流或者频率偏差。定义3:电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的9山东大学硕士学位论文正弦波形电压与连续供电。由以上可以看出，电能质量主要是由电力用户的对于供电质量的需求产生，因 此电力用户的衡量标准占有优先的位置。因此电能质量可以定义为：导致用电设备故 障或不正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压 波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬时过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以 及供电连续性等”L2.2电能质量的分类对于电能质量的分类，国际上根据不同的分类基础有不同的分类。随着对于电 能质量的各种现象和特性研究的不断深入，在国际上公认的是：I EC制定的分类以电 磁现象及相互干扰的途径等造成电磁扰动的基本现象进行分类和I EEE制定的电力系 统电磁现象的特征参数及分类，如表2T所示。表2T I EC对引起电磁扰动的基本现象分类现象分类现象分类传导型低频现象谐波，间谐波辐射型低频现象，频电磁场信号系统（电力线载 波）辐射型高频现象磁场电压波动电场电压暂降和中断电磁场电压不平衡连续波工频变化瞬变感应低频电压静电放电现象（ESD）交流电网中的直流成 分核电磁脉冲（NEMP）传导型高频现象感应连续波电压或电 流单方向瞬变振荡性瞬变表2-2给出了 I EEE制定的电力系统电磁现象的特征参数及分类，为我们提供了 一个清晰描述电能质量工具。10山东大学硕士学位论文表2-2 I EEE制定的电力系统电磁干扰现象的特性参数及分类分类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值电 磁暂 态冲击脉冲纳秒级5ns上升lms振荡低频 5kHz0.3-50ms0-4 pu中频5-500kHz20us0-8 pu高频0.5-5MHz5 us0-4 pu短时间电压变动瞬时暂降0.530周波0.1 0.9 pu暂升0.530周波1.1 l,8pu暂时中断0.5周波3s 0.I pu暂降30周波3s0.1 0.9 pu暂升30周波3s1.1 1.4 pu短时中断3sI minlmin0 pu欠电压lmin0.80.9 pu过电压lmin1.1 1.2 pu电压不 平衡稳态0,5 2%波形 畸变直流偏置稳态0 0.1%谐波稳态0 20%间谐波稳态0-2%陷波稳态11山东大学硕士学位论文噪音宽带稳态0-1%电压波动 25Hz间歇oa 1%7%工频变化i董点为PCC,取实测率值，f用户允许产生的谐波电淹，提供计算方法:f弼置方法和测置仪器ft出规定，电压0电能$置三相电压不平衡1.正常允许ZV短时不超过4V2.每个用户一般不得超过L3V级电压要求一样：j置点为PCC,取实串值 或曰R 计超标不许和过72inim且每30min中超标 不过5 in*r_R/T|沾估200H电能厢置电力系统强率偏差1.正常允许士。.根据余统容置可以放宽到0.（5H7:2.用户冲击引起的频率变动一般不得超过O.2Hz.对测置仪器提出了基本要求GB/T 1R1S12001电能质置暂时过电 压和K态过电m系统工频过电压限值川寸过电压包括工过电压和谐振过电压,态过电压包括操作过电压和雷击过电压：:频过电 E 1 0 p.u.=.谐波过电压和操作过电压 1.Op.u.=:统计过电压（不小于该值的概率为0.02）外.凡未说明的#作过电压限值均为最大操 作过电压（不小于该值的概奉为O.OO 14）1;态过电压还对空载线路分阉过电压、断路 器开断并联补偿装置及变压罂等过电压限 值做出了规定.2.4光伏并网发电系统并入电网电能质置问飓分析2.4.1谐波问题（1）光伏并网发电系统并入配电网引起谐波的原因分布式光伏并网发电系统一般通过逆变器进行并网，逆变器在运行中，为了防止 逆变器桥臂上、下开关管直通，一般都要在控制开关信号中加入死区进行控制，这样 使得同一桥臂上的上、下两管在死区时间内两开关管都处于关断状态，13山东大学硕士学位论文由于电感的存在，在开关管同时关断的死区时间内，逆变器的输出电压由电感电流 决定。由于死区的存在，因此，逆变器输出的实际PWM波形与控制的理想PWM波形有 一定的误差存在，两者之差是一组包络线为正负对称方波。对于方波，其即有基波分 量，又含有大量的谐波分量。同时，由于开关元件的特性，在开关频率整数倍次附近 含有较严重的高频谐波。这些谐波的存在会使电流存在畸变。在 配电网中，由于线路 阻抗较大，谐波阻抗更不能忽略，因此会造成较大的电压畸变。光伏并网发电主要考虑光伏发电系统向电网注入有功功率，在基于旋转坐标系(d_q)的控制策略中，若只考虑交流基波分量，则在稳态时J-q坐标系中，有功电流 和无功电流均为直流分量。毫无疑问，在这种情况下PI控制策略能实现无静差的控制。然而，如果并网点电压存在波形畸变或不平衡等情况，则在d-q坐标系中，有功电流和 无功电流分量存在一定的交流量。而PI控制策略将无法对这些非直流信号实现有效的 无静差控制困(2)光伏并网发电系统并入配电网引起谐波的危害由于线路阻抗的存在，谐波电流在线路中的流动，会在线路阻抗上产生功率损耗，这些有功损耗是线路损耗的一部分。一般情况下，电网中的电流畸变不会很大，但是 对于分布式光伏并网发电系统，由于逆变器运行中会产生高频谐波。这些高频谐波，由于集肤效应的存在会使得谐波阻抗比基波阻抗增加。山此，因高频谐波电流引起的 线路上的有功功率损耗增加，从而造成整个电网的线损增力口，导致输电效率降低。分 布式光伏并网发电系统发出的谐波除造成线路损耗外，通过配电网线路的传播，同时 会增加电力用户的功率损耗，并给电力用户的电气设备运行带来危害信，在配电网中，很多电力供应是通过架空线路来实现的。架空线路会产生电晕，而 架空线路电晕的大小和电网电压峰值密切相关。正常情况下，电压基波都能达山东人学硕士学位论文到电I 1指标的要求，不会超过规范额定值。但是因为谐波的原因，会造成电压 峰值超过额定值而产生电晕现象，从而造成电晕损耗增加。在配电网中，有些配电线路是用电缆来实现的，谐波如架空线路一样会造成电缆 额外的线路损耗外，还会使输出电压出现尖峰。这些尖峰会造成电缆绝缘层 的老化加 速，并导致局部放电，同时使其温升增高，大大影响电缆的使用，并导致电缆寿命缩 短。正常情况下，对于额定电m越高的电缆，谐波造成的危害越大。由于电缆存在分 布电容，这些电容和电感会引起谐振，引起谐波电流放大，从而加重上述危害，从而 严重影响电缆使用寿命_7八在配电网中，如果流过断路器的电流里存在较大畸变，含有严重的谐波时，当交 流电流在过零点时，电流的di/dt超出正常值很多，造成断路器的遮断能力降低。当在 谐波电流造成的畸变较大时，断路器将不能J F.常工作，从而造成保护的无法实现，从 而降低了配电网的可靠性，导致事故，对电气设备造成严重损坏，严重时影响配电网 的安全运行。在配电网中，居民用电中存在荧光灯、计算机等产生大量谐波的家用电器。这些 谐波都从都会从构成配电回路的零线流过。在设计的过程中，由于考虑到零线中的电 流比各相火线中电流小的多，因此零线导线的导电面积较小。当有较大谐波电流流过 零线时，会造成零线线路损耗增加，导线会过载而发热严重，从而造成线路绝缘老化，严重时绝缘失效，造成短路故障引发严重火灾事故，严重威胁电力用户的生命和财产 安全5#谐波除了对配电电网造成线路损耗外，更严重的是因为谐波电流和线路阻抗的存 在，会使配电网电压产生畸变，造成配电网电爪不达标，造成配电网供电质量下降丸 而配电网是直接向电力用户提供电能，因此，其电能质量的下降将直接危及配电网各 种用电设备的正常运行。尤其是高新精密设备和电力电子设备，它们对于电能质量的 要求非常严格，超出一定范围的谐波都会造成这些设备控制出现较大偏差，从而造成 电力用户的巨大损失。15山东大学硕士学位论文谐波较大时，将严重影响电能计量的准确性，一旦出现较大误差，供电企业不能 正确地获得各电力用户的实际用电情况，从而给供电企业造成电能计量混乱，扰乱电 力市场的正常运行。谐波还会干扰配电系统外部的通信系统和电子装置，在谐波较为 严重的情况下，很有可能威胁通信设备安全，给运行维护人员造成人身安全威胁。2.4.2直流偏置问题(1)分布式光伏并网发电系统并入配电网引起直流偏置的原因在分布式光伏并网发电系统中，逆变器基准正弦波的直流分量、控制电路中运算 放大器的零点漂移、开关管本身及其驱动电路不一致等诸多原因，都会导致逆变器输 出电压产生直流分量(2)分布式光伏并网发电系统并入配电网引起直流偏置的危害分布式光伏发电系统通过逆变器连接到配电网上，会产生直流分量注入配电网。配电网中接有大量的变压器，分布式光伏发电系统产生的直流分量会使变压器正常工 作点发生偏移，从而导致变压器严重饱和：对于普通的无输出隔离的变压器连接逆变 器，输出的直流分量通常达到300mV,这么大的直流分量对电源系统本身和其带的负载 都会有不利影响。上述无输出隔离变压器的多个逆变器，如果直接并联配电网中，由 于线路阻抗比较小，尽管各光伏并网系统输出电压中含有不大的直流分量，但也会在 各并网逆变器间形成数量可观的直流环流。由于环流的存在，各光伏并网逆变器不能 均分功率，从而大大影响了光伏发电并联系统的可靠性。同时，直流分量会增加配 电电网电缆线路绝缘的老化；导致较高的高的电流峰值，可能导致保护出现误动，引 起电力供应中断，影响配电网的安全稳定。2.5本章小结本章主要工作包括以下几个方面：(1)介绍了电能质量的定义。山东大学硕士学位论文(2)介绍电能质量的分类。(3)介绍了我国对于分布式光伏并网发电系统电能质量的要求。(4)分析了光伏并网发电系统并入配电网引起的电能质量问题。山东大学硕士学位论文第三章基于FFT的电能质置分析方法本章对电能质量分析方法进行了介绍，着重分析了利用FFT进行电能质量分析 的原理。3.1 电能质量分析方法综述经过多年的研究，现在已经有分析上一章电能质量问题的理论和方法。许多方 法己经广泛应用与电能质量分析领域，并取在电能质量检测和治理方面得较好效果。经综合对比，可将它们上述分析理论和方法分为：时域分析方法、频域分析方法、时频分析方法等。第一大类电能质量分析方法是应用较为广泛的时域仿真方法，其最主要的用途 是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研究。通用的仿真程序 主要有EMTP、EMTD等系统暂态仿真程序和MA TLA B、PSPI CE等电力 仿真程序。通过 上列暂态仿真程序可对电能质量很多问题进行分析：(1)分析系统过电压问题，掌握过电压对各种保护装置的影响；(2)分析可控变流器引起的电压陷波问题；(3)分析电容器投用和切除形成的暂态现象；(4)分析非正常接地导致的电压质量问题等。第二大类电能质量分析方法是频域分析方法。该方法主要用来分析谐波等电能 质量中问题，包括频谱分析、谐波潮流计算等。第三大类电能质量分析方法是基于数学变换的分析方法，包括：傅里叶变换方 法、矢量变换方法、小波变换方法等。作为信号处理的经典分析方法傅里叶变换方 法具有正交、完备等优点，但其存在计算量大等缺点。而随着快速傅里叶变换这样 的快速算法的提出，因此傅里叶变换的应用进入了一个新的发展历程，从而在电能 18山东人学硕士学位论文质量分析方向上得到广泛应用。为了克服傅里叶变换的不能分析局部变的情况，发 展了短时傅里叶变换方法，该分析方法将信号进行分拆，将信号的变换过程分拆成 是一系列短时过程，从而用傅里叶变换分析各短时的平稳过程，从而得到整个不平 稳信号的过渡过程，实现了不平稳信号的分析。最新发展的一种 适合于分析突变信 号和不平稳信号的分析方法是小波变换，该变换方法将时域和频域联系起来，从而 很好的解决了傅里叶变换等无法分析局部性的缺点。但因为其能量不够集中，构造 合理的小波函授较为困难，容易造成分析误差。3.2快速傅里叶变换分析方法1965年，著名学者J.W.Cooley和J.W.Tukey在离散傅里叶变换的基础上，结 合W因子的周期性和对称性的特点，提出了相对于离散傅里叶变换更加高效，更加快 捷的算法，也就是称之为快速傅立叶变换算法（FFT）。FFT使DFT的运算量大大降 低，从而大大提高了运算速度。因此，FFT的发现被认为是数字信号处理发展史上的 一个重要突破，也可以称之为计算机处理上的一个里程碑。随着人们研究的不断深入,围绕J.W.Cooley和J.W.Tukey提出的快速傅立叶变 换算法的新算法不断涌现。概括起来，快速傅立叶变换的研究方向主要包括以下两 个方面：（1）基于N等于2的整数次幕的算法，如基2算法、基4算法和分裂基算 法等。（2）基于N不等于2的整数次幕的算法，典型的是Winograd一类算法，如 素因子算法和Winograd算法等。本章主要介绍经典的Cooley-Tukey时间抽取基2 FFT算法。-算法原理（基2FFT）（-）N/2 点 DFT1.将按 n的奇偶分为两组作DFT,设N=2L,不足时，可补些零。这样有：n为偶数时攻2/*）=:）r=0,1,L,号-119山东大学硕士学位论文n 为奇数时：x(2r+1)=X2(r),r=0,1,L,|1因此,XOt)=Z)FrL;c(w)=gjc()W/n-0f为偶数时)+$()(为奇数时)w=0/j=O立-1-i=-x(2r)W-+匕 x(2r+)Wkr=Q r=0=f破)的y*的y*r=0 r0由于：-=6力.2=e2嗔f)=心所以，上式可表示为：f-f lm)=Zxi(fMf 人Xxh)+/NX2k)其中：不(幻=x(2r).r-O r=0-fcj 产A“二2)町二工6,，/r=0 r=0 12.两点结论：(1)X(k),X(k)均为 N/2 点的 DFTo(2)X(k)=X(k)+W X(k)只能确定出 X(k)的 k=0,1,L,f-L 个;结果。3.X(k)的后一半的确定由于(周期性)，所以:义i(了+幻=客J)严=卖咕”=义州同理Mf+-这就是说，XI(k),X2(k)的后一半，分别等于其前一半的值。又由于=,(3.1)(3.2)3)即前一半的(3.4)20山东大学硕士学位论文所以：耶+令)=耶+I O+嗯(女+I)(3.5)二不(4)-聆iZzOt),4=Q 1,L,号-1可见，X(k)的后一半，也完全由XI(k),X2(k)的前一半所确定。*N点的DFT可由两个N/2点的DFT来计算。4.蝶形运算由Xl(k)、X 2(k)表示X(k)的运算是一种特殊的运算-碟形运算(N/2个蝶形如图3T所示：X+B6X2前一半(bO,1,L,f-1)义(灸)=不(*)-lt Ax(2r+W；k=0,1,2,3(3.9)r=0 r=0X(K)=Xi(h)+心 X2(k)X(k+4)=XL(k)-UAX2(k)Jk=0,L,2,3(3.11)(3)对X(k)和X00进行蝶形运算，前半部为X(0)X(3),后半部分为X(4)X(7)整个过程如3-2图所示：22(二)N/4 点 DFT由于N=2 L,所以N/2仍为偶数，可以进一步把每个N/2点的序列再按其奇偶 部分分解为两个N/4的子序列。例如，n为偶数时的N/2点分解为：进行N/4点的DFT,得到七(加二=乞明一：(3.12)A.-l/=O A.-l/=0A W=i 4(O M=ZM2,+1)Cv*(3-13)/=0/=0从而可得到前N/4的XI(10it=0,17)X6(0)=:A1)=X(3)A(l)=-3)=x(7)构成N/4点DFT,从而得到X6(0),X6(l)。(5)由 X3(0),X3(l),X4(0),X4进行碟形运算，得到 X1(O),XI(1),XI(2),XI。(6)由 X5(0),X5(l),X6(0),X6进行碟形运算，得到 X2(0),X2(l),X2(2),X2(3)24X2(l),X2(2),X2进行碟形运算，得到X(0),X(l),X(2),X(3)X(4),X(7)。X(5),X(6),这样，又一次分解，得到四个N/4点DFT,两级蝶形运算，其运算量有大约减 少一半，即为N点DFT的1/4。对于N=8时DFT,N/4点即为两点DFT,因此X3(k)=Xx3(I)Kf,k=0,1/=01Xd k)=k=0,1/=0I W)*)(4)X3(1)=x3(0)+Wlx/(1)=x(0)-Wx(4)X4(0)=x4(0)+2X4=x(2)+F(6).XJ 1)=x4(0)+=x(2)-口心；c(6)Xs(0)=x5(0)+fv2 x5(1)=x(l)+Wx(5)(3.17)义 5(l)=x5(0)+时=川)-%(5)A(O)=A(O)+%二攻 3)+r(7)A6O)=a6(O)+a，a(i)=xy-wNxO)图3-4运算流程图这种FFT算法，是在时间上对输入序列的次序是属于偶数还是属于奇数来进行分解的，所 以称作按时间抽取的算法。26山东人学硕士学位论文3.3快速傅里叶变换的特点与应用FFT是将信号在时域和频域间进行变换。从物理意义上讲，傅里叶变换的实质 是把一个复杂的信号转成不同频率的标准的正弦波的组合。通过这样的变换，对于 原来复杂信号的研究就变成了对其各分量权系数的研究，也就是研究傅里叶变换。FFT相对DFT具有同址运算、到位序规律，并利用蝶形运算两节点距离算数因 子确定的特点。因此可以大大减少运算时间，为电能质量分析提供了重要分析工具。基于FFT理论的电能质量检测算法是通过对电网周期性的非正弦(畸变)信号进行 傅立叶级数分解后获得基波和各次谐波的幅值和相位，进而获得电压电流有效值、功率、频率、谐波含量等全部电能质量参数。但在运用FFT时，必须满足以下条件：(1)采样时必须满足采样定理，也就是采样频率必须大于等于最高信号频率的两 倍；(2)信号是稳态的并且随时间周期变化的。如果不能满足以上两个条件，利用FFT分析信号时，会产生“旁瓣”和“频谱 泄漏”现象，将导致分析结果存在一定误差。并且，FFT变换是对整个时间段的积分，分析