智能电网中的电能质量检测技术

智能电网中的电能质量检测技术崔红芬1，李鹏1,2，李新平3，胡东4（1．电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003；2．华北电力大学苏州研究院，江苏省苏州市215123；3．河南省电力公司三门峡供电公司，河南省三门峡市崤山西路472000；4．青岛供电公司修验工区，青岛市银川东路11号266061）空一行，格式同上一行摘要：针对电力系统在新世纪面临的分布式电源并网、电网利用系数低以及社会对电力能源和供电可靠性日益增长的需求等诸多挑战，具备着自愈、清洁、经济等优点的智能电网成为了今后电网发展的一个重要趋势。由于智能电网中大量电力电子设备和非线性负荷的存在使得系统中电能质量问题日益突出，因此，对电能质量检测技术的研究愈显重要。对此，本文研究了电压补偿量直接检测方法，构造了形态学滤波器，用于电压补偿量的检测，并以智能电网中的微网为例进行了仿真验证。仿真结果表明，本文所提出的基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法具有检测准确，实时性好，计算简便等特点，适用于电能质量调节装置的实际应用，保证了补偿后负荷处具有良好的电压质量。关键词：分布式电源；智能电网；微网；电能质量；dq0变换0引言电网是关系到国民经济命脉的基础产业和公用事业。现代电网的发展已经迎来机遇与挑战并存的关键期。一方面，全球资源环境压力的不断增大，社会对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求日益提高；另一方面，电力市场化进程的不断推进以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，要求未来的电网必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应。为此，以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而同地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，将智能电网视为未来电网的发展方向[1]。分布式能源的智能管理系统是实现智能电网的关键技术之一[2]。当融入大量的分布式电源后，电网的结构、能量形式、功率流动、信息交换和控制方式的复杂程度大大增加。分布式电源的接入使得电网结构不再是辐射式，而是类似于因特网的信息传递模式，出现了能量双向流动的新布局，并且由于智能电网中大量电力电子设备和非线性负荷的存在使得系统中电能质量问题日益突出[3]。对此，智能电网对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式电源以微网(microgrid)的形式接入电网。微网是一种由负荷和微电源（Microsources，即：微网中的分布式电源）及储能装置共同组成的有机系统。微电源主要通过电力电子技术实现能量的转换及控制。相对于电力系统(主电网)，微网是系统中的一个可控单元，它可以在短时间内做出响应以满足外部主电网的需要；而对于用户，微网可以满足本地负荷的一般和特定电能质量要求，并可提高供电可靠性，降低线损等[4-5]。本文以智能电网中的微网为例，深入研究和分析了电能质量的检测技术。1智能电网中的微网基本结构目前，由于各国根据自身国情对智能电网的需求和考虑不尽相同，智能电网尚未有一个统一、明确的定义。从广义上来说，智能电网包括可以优先使用清洁能源的智能调度系统、可以动态定价的智能计量系统以及通过调整发电、用电设备功率优化负荷平衡的智能技术系统[6-7]。智能电网对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式电源以微网(microgrid)的形式接入电网。微网是一种由负荷和微电源（Microsources，即：微网中的分布式电源）及储能装置共同组成的有机系统。微网的基本结构如图1所示[8]。在此结构图中，DG随机分布于线路L1及L2上。线路L2末端B处接敏感负荷。分布式电源的接入使得线路L2上的电压不能满足其敏感负荷的电压质量要求。为改善微网中线路L2上的电压质量，在线路L2上A、B两点之间串联动态电压恢复器（DVR）。DVR可等效为受控电压源，其基本功能是对非正常电压进行动态补偿以满足敏感负荷对电压质量的高要求。DVR通过检测出电压补偿量并控制逆变器向线路中注入串联电压补偿量使B处敏感负荷的电压保持在正常合格水平，满足电压质量的要求。MDG主电网公共耦合点PCCCI主接口储能单元DG储能单元电力电子接口DG储能单元电动机负荷DVR敏感负荷AB电力电子接口电力电子接口L1L2图1微网基本结构2电压补偿量直接检测方法2.1检测方法框图由于电压补偿量的检测是影响电压补偿效果的关键环节，本文提出了基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法。具体检测过程如图2所示。dq0变换形态学滤波器uAauAbuAcuAduAquA0uAa1+uAb1+uAc1+uBacuBbcuBccdq0反变换电压补偿量直接检测方法uAd'uAq'uA0'图2基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法框图图2中，下标“A”、“B”分别表示图1中线路L2上的A、B点处；“a”、“b”、“c”分别表示三相系统中的a、b、c三相；“1”表示基波分量；“”表示正序分量。上标中的“c”表示补偿量。基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法的步骤为：首先将采样得到的线路L2上A点处的a、b、c三相畸变电压uAa、uAb、uAc经dq0变换得到含直流分量和交变分量的uAd、uAq、uA0，再经过形态学滤波器滤波得到三相直流分量Adu、Aqu、0Au，经过dq0反变换得到基波正序电压分量，由于检测到的基波正序电压分量的幅值可能与标准电压的幅值存在偏差，最后再由电压补偿量直接检测方法计算得到线路L2上B点处所需的瞬时电压补偿量cBau、cBbu、cBcu。2.2形态滤波器原理1）数学形态学基本运算数学形态学是一门建立在严格的数学理论基础上的学科[9]。数学形态学以腐蚀和膨胀两种基本运算为基础，并引出开运算、闭运算等其它几个常用的数学形态学运算。下面介绍本文中形态学滤波器所需的数学形态学的基本运算。本文要处理的信号是一维电压波形，设f为被研究的电压波形，f(n)为电压波形经过离散化的函数，定义域为F={0,1,…N-1}；g(n)为结构元素，定义域为G={0,1,…M-1}。则f(n)被g(n)膨胀、腐蚀的定义分别为：mgmnfngffDmax(1)mgmnfngffEmin(2)基于式(1)和式(2)，形态开运算和闭运算相应地定义为：ggfgf(3)ggfgf(4)2）形态学滤波的实现形态开运算可用于过滤信号上方的峰值噪声，除去毛刺及小桥结构；而闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声，填平小沟结构。开运算的收缩性，易导致输出波形幅度偏小；闭运算的扩张性易导致输出波形幅度偏大。因此，综合考虑数学形态学的数学运算特点和滤除微网中谐波的工程背景要求，本文将形态开运算与闭运算相结合构造混合滤波器以提高滤波精度。设滤波器输出信号为foutput，于是可得到所需的数学形态学滤波器的表达式：2gfgffoutput(5)2.3电压补偿量的直接检测考虑到经形态滤波运算和dq0反变换后得到的基波正序电压分量的幅值可能与标准电压存在偏差，本文采用电压补偿量直接检测方法计算所需的电压补偿量[10]。如图1中，10kV微网标准相电压幅值为1032kV。线路L2上A点处a相的电压基波正序分量为：111sin2tUuAAa(6)式中2U为A点的基波正序相电压的实际幅值，为基波频率，为此基波正序分量相电压的初相角。若需负荷处B点电压幅值保持为标准电压幅值，且相位与A点电压的基波正序分量保持一致，则B点a相电压为：1sin3102tuBa(7)由式（6）、（7）可得：11310AaABauUu(8)进而可得微网中动态电压恢复器(DVR)的a相电压补偿量cBau的瞬时值表达式：AaAaAAaBacBauuUuuu11310(9)式中，UA1可通过下式得到。32121211AcAbAaAuuuU(10)因此，基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法所得到的微网中的动态电压恢复器(DVR)所需的三相电压补偿量的矩阵表达式：AcAbAaAcAbAaAcBccBbcBauuuuuuUuuu1111310(11)式中：uAa、uAb、uAc为A点处a、b、c三相电压，可通过采样直接得到；UA1+由式(10)得到；uAa1、uAb1、uAc1为A点处三相电压的基波正序电压分量，可通过dq0变换及形态滤波器得到。3仿真分析以图1所示的微网基本结构为例进行仿真验证。图3为微网基本结构图中线路L2上A点处的三相电压，除含基波正序电压外，还含有基波负序和零序、谐波电压分量。图3线路L2上A点处的三相畸变电压三相畸变电压经dq0变换后得到d、q轴电压，再经形态滤波器滤波后d、q轴电压分量如图4所示，由图可见滤波响应时间为半个工频周期。由于数学形态学运算量小，计算简便，因此形态滤波器比传统的低通滤波器响应速度快，检测精度高，并可通过改变形态滤波器的结构元素宽度和高度来调节其响应速度和检测精度。图4形态学滤波后的d轴、q轴电压分量图5为检测标准电压由稳态到暂态波形的全过程，从t=0时刻开始检测，可见检测的动态响应时间小于半个工频周期，进入稳态后，检测出的电压为具有额定幅值的基波正序正弦电压。图6给出了将图3所示的三相畸变电压补偿为标准电压所需的三相电压补偿量。(a)a相电压(b)b相电压(c)c相电压图5检测出的标准电压(a)a相电压补偿量(b)b相电压补偿量(c)c相电压补偿量图6负荷处B点所需的三相电压补偿量cBau、cBbu、cBcu采用本文所提出的基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法得到微网中负荷处所需的电压补偿量后，再经DVR补偿后负荷B点处的三相电压波形如图7所示。由图可见B点电压经过了很短的时间(10ms)就保持了正常，可见本文提出的基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法具有良好的动态响应特性和检测精度。图7补偿后微网中B点处三相电压波形3结论智能电网对于输电成本高、对电能质量要求高的集中电力用户区，将分布式电源以微网(microgrid)的形式接入电网。为了治理微网中的电压质量问题，本文将动态电压恢复器（DVR）引入到微网中改善电压质量，并重点对电压补偿量的检测方法进行了深入研究，提出了基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法。通过形态学滤波运算，可快速准确地滤除谐波等分量，并结合电压补偿量直接检测方法，快速计算出负荷处电压达到电压质量标准要求所需的补偿量。本文提出的方法不必将各个扰动分量一一检测出来，保证了补偿信号获取的快速性和各个分量的同时性。仿真结果充分表明，基于数学形态学的电压补偿量直接检测方法检测准确，实时性好，计算简便，补偿效果良好，并可有效应用于电能质量调节装置中，以改善智能电网中存在的电能质量问题。致谢作者感谢国家自然科学基金项目（50977029）、华北电力大学新能源专项科研基金项目（200914002）资助，特此致谢！参考文献[1]张文亮，刘壮志，王明俊，杨旭升．智能电网的研究进展及发展趋势[J]．电网技术，2009，33(13)．[2]施婕，艾芊．智能电网实现的若干关键技术问题研究[J]．2009，37(19)．[3]肖湘宁．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2004．[4]R．H．Lasseter，＂Microgrids＂，IEEEPowerEngineeringSocietyWinterMeeting，2001，vol．1：146-149．[5]李鹏，张玲，王伟，等．微网技术应用与分析[J]．电力系统自动化，2009，33(20)．[6]陈树勇，宋书芳，李兰欣，等．智能电网技术综述[J]．电网技术，2009，33(8)：1-7．[7]余贻鑫，栾文鹏．智能电网[J]．电网与清洁能源，2009，25(1)：7-11．[8]MikeBarners，JunjiKondoh，HiroshiAsano，JoseOyarzabal，GiriVentakaramanan，