CN103472333A - 风电并网电能质量综合性能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电并网电能质量综合性能检测方法，包括步骤有：(1)将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值，得到该实际风电电压波形的综合电能质量指标；(2)风电并网统一电能质量指示值检测评估。本发明提出将综合指标引入电能质量检测解决了这一类的问题，给出了电能质量扰动不同方面的总体度量，可以大大减少涵盖量化各种类型的扰动所需的数据存储量，可以告诉用户一个简单直观的电能质量整体性能。

Description

风电并网电能质量综合性能检测方法

技术领域

本发明属于风电并网性能检测评价技术领域，尤其是一种风电并网电能质量综合性能检测方法。

背景技术

随着风电的迅速发展，风电的并网检测与认证愈发重要。特殊用户对个别或部分干扰现象进行约束与被约束，需要有单项指标或目前标准规定的各类单项指标，绝大多数用户只需要简单适用的综合评估来衡量电能的整体性能。而应用传统电能质量指标进行电能质量检测存在着诸多问题，电能质量指标繁多，数据量较大，并且没有统一的评估标准，使得所测的数据不能直观的表现出电能质量水平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电并网电能质量综合性能检测方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种风电并网电能质量综合性能检测方法，包括步骤如下：

(1)将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值，得到该实际风电电压波形的综合电能质量指标；

(2)风电并网统一电能质量指示值检测评估。

而且，所述步骤(1)的具体步骤包括：

将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值；两电压波形的差值计算包括谐波、间谐波、电压暂升、电压暂降，其中实际电压与理想电压波形之差的均方根值定义为均方根误差(RMSE)，而差值计算采用RMSE的标幺值(NRMSE)，

RMSE的计算公式为： $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{T}{\∫}{[u_a\left(t\right)-u_i\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}}$

式中T为工频周期，u_a(t)为存在电能质量扰动的时间电压，u_i(t)为理想供电电压，而考虑到是离散采样得到电压波形，上式可表示为

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left({\mathrm{nT}}_s\right)-u_i\left({\mathrm{nT}}_s\right)]}^2}{N}}$

式中N是工频周期T内的采样数，T_s为采样周期，

标幺值NRMSE的计算公式为： $\mathrm{NRMSE}=\frac{\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left({\mathrm{nT}}_s\right)-u_i\left({\mathrm{nT}}_s\right)]}^2}{N}}}{U_1}$

式中U₁是实际基波电压幅值，

而计算NRMSE关键在于先知道理想电压u_i，若理想电压是工频下的理想正弦波形，在单个电能质量事件下如电压暂升，理想电压假设为事件前的基波电压，如果是两个事件，理想电压的幅值和相位可采用基于最小二乘估计的曲线拟合算法推导出来，

如果NRMSE值较小，无需进一步分析电能质量问题，否则必须鉴别并确认电能质量问题的属性。

而且，所述步骤(2)的具体步骤包括：

①对传统电能质量指标单一扰动进行处理，包括电压偏差、谐波畸变、三相不平衡度、电压暂降与暂升，分别算得电压偏差指示值I_T、谐波畸变指示值I_H、电压不平衡指示值I_UNB、电压暂降与暂升指示值I_C；

计算电压偏差指示值，先定义合同电压的变动比值τ_ΔU，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔU}}=\frac{U_a-U_C}{U_C}\×100$

式中：U_a为实际供电电压，U_C为标称电压值。

$I_T=\max \{\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\max }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimSup}}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\min }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimInf}}}\}$

式中：τ_ΔUmax和τ_ΔUmin分别是在一个监测周期内τ_ΔU的最大值和最小值，τ_ΔUlimSup和τ_ΔUlimInf分别是固定的电压合同限值，

谐波畸变指示值I_H=max{I_THDU，F₂，F₃，F₄，…}

其中 $I_{\mathrm{THDU}}=\frac{{\mathrm{THD}}_{\max }}{{\mathrm{THD}}_{\lim }}$

$F_h=\frac{U_{h,\max }}{U_{h,\lim }}(h=\mathrm{2,3},...,25)$

式中：THD_max是检测周期内总谐波畸变率的最大值，THD_lim是总谐波畸变率的限值，U_h，max是观察周期内h次谐波最大值，U_h，lim是h次谐波的限值，

三相不平衡度指示值

式中：K_d，max为监测周期内不平衡度的最大测量值，K_d，lim是不平衡度的限值，

对于电压暂升与暂降的评估指标值，在国际上还没有公认的限值要求和衡量指标，因此参考了电压耐受力ITIC曲线，

当没有出现电压暂升或暂降时，I_C=0

当出现电压暂升或暂降，若

若 $N_2\≠0,I_C=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{IPQ}}^2}{N_2}}$

其中 $\mathrm{IPQ}=\left|\frac{U_C-U_{\mathrm{Event}}}{U_C-U_{\mathrm{ITIC}}}\right|$

其中，N₁是调查周期ITIC曲线可接受电力范围内的电压暂升或暂降次数，N₂是ITIC曲线可接受电力范围外的事件次数，U_Event是在电压暂升或暂降过程中的最大值或最小值，U_ITIC是ITIC曲线上对应电压暂升或暂降持续的上或下包络线电压，U_C是标称电压值；

②定义统一电能质量指标值(UPQI)，其指示值的合成是通过处理单一连续型扰动的传统指标实现的，特别是量化单一扰动的评估指标，

电能质量指标值的合成引入超限量的概念，超限量衡量的是一个扰动指标在经过归一和合并步骤之后超过限值的程度，对于第i个合并后的超限量指标，其超限量为

ΔI_i=I_i，n-1

计算完每个扰动的超限量后，当所有指标值都小于1时，电能质量指标值等于其最大值，

当一个或多个指标值大于1时，电能质量指标值等于1加上超限量的总和，假设有N个扰动超过限值，则：

$\mathrm{UPQI}=1+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_i$

电能质量指标值的便利属性在于数值1代表了允许限值，若等于1，表示统计评估的结果等于限值，风机电能质量满足并网要求；若大于1，表示电能质量不满足标准或导则要求，风机电能质量不满足并网要求；若小于1，则满足标准或导则要求，风机电能质量满足并网要求。

本发明的优点和积极效果是：

本发明提出将综合指标引入电能质量检测解决了这一类的问题，给出了电能质量扰动不同方面的总体度量，可以大大减少了涵盖量化各种类型的扰动所需的数据存储量，可以告诉用户一个简单直观的电能质量整体性能。

附图说明

图1理想电压和实际电压对比综合指标流程图；

图2基于对多个传统电能质量指标的处理的UPQI评估流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，需要强调的是，以下实施方式是说明性的，而不是限定性的，不能以此实施方式作为对本发明的限定。

一种风电并网电能质量综合性能检测方法，如图1所示，包括步骤如下：

(1)将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值，也就是得到该实际风电电压波形的综合电能质量指标；其具体步骤包括：

将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值，如图1所示，两电压波形的差值计算包括谐波、间谐波、电压暂升、电压暂降，其中实际电压与理想电压波形之差的均方根值定义为均方根误差(RMSE)，而差值计算采用RMSE的标幺值(NRMSE)，

RMSE的计算公式为： $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{T}{\∫}{[u_a\left(t\right)-u_i\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}}$

式中T为工频周期，u_a(t)为存在电能质量扰动的时间电压，u_i(t)为理想供电电压，而考虑到是离散采样得到电压波形，上式可表示为

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left(n{T}_s\right)-u_i\left(n{T}_s\right)]}^2}{N}}$

式中N是工频周期T内的采样数，T_s为采样周期，

标幺值NRMSE的计算公式为： $\mathrm{NRMSE}=\frac{\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left(n{T}_s\right)-u_i\left(n{T}_s\right)]}^2}{N}}}{U_1}$

式中U₁是实际基波电压幅值，

而计算NRMSE关键在于先知道理想电压u_i，若理想电压是工频下的理想正弦波形，在单个电能质量事件下(如电压暂升)，理想电压假设为事件钱的基波电压，如果是两个事件，理想电压的幅值和相位可采用基于最小二乘估计的曲线拟合算法(CFA)推导出来，

如果NRMSE值较小，无需进一步分析电能质量问题，否则必须鉴别并确认电能质量问题的属性，

【算例】针对含有一个或多个扰动的的三相系统的测试波形，基于理想和实际电压波形间的差异，在一个工频周期计算一次，给出综合性能检测指标。

指标表明电能质量扰动最大的信号5的波形电能质量最差，而对于只含有一种扰动时信号3的波形电能质量最差，因为该信号出现了严重的电压暂降。

(2)风电并网统一电能质量指示值检测评估，如图2所示，具体步骤为：

①对传统电能质量指标单一扰动进行适当处理，包括电压偏差、谐波畸变、三相不平衡度、电压暂降与暂升。分别算得电压偏差指示值I_T、谐波畸变指示值I_H、电压不平衡指示值I_UNB、电压暂降与暂升指示值I_C；

计算电压偏差指示值，先定义合同电压的变动比值τ_ΔU，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔU}}=\frac{U_a-U_C}{U_C}\×100$

式中：U_a为实际供电电压，U_C为标称电压值。

$I_T=\max \{\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\max }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimSup}}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\min }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimInf}}}\}$

式中：τ_ΔUmax和τ_ΔUmin分别是在一个监测周期内τ_ΔU的最大值和最小值，τ_ΔUlimSup和τ_ΔUlimInf分别是固定的电压合同限值。

谐波畸变指示值I_H=max{I_THDU，F₂，F₃，F₄，…}

其中 $I_{\mathrm{THDU}}=\frac{{\mathrm{THD}}_{\max }}{{\mathrm{THD}}_{\lim }}$

$F_h=\frac{U_{h,\max }}{U_{h,\lim }}(h=\mathrm{2,3},...,25)$

式中：THD_max是检测周期内总谐波畸变率的最大值，THD_lim是总谐波畸变率的限值，U_h，max是观察周期内h次谐波最大值，U_h，lim是h次谐波的限值，

三相不平衡度指示值

式中：K_d，max为监测周期内不平衡度的最大测量值，K_d，lim是不平衡度的限值，

对于电压暂升与暂降的评估指标值，在国际上还没有公认的限值要求和衡量指标，因此参考了电压耐受力ITIC曲线，

当没有出现电压暂升或暂降时，I_C=0

当出现电压暂升或暂降，若N₂=0，

若N₂≠0， $I_C=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{IP}{Q}^2}{N_2}}$

其中 $\mathrm{IPQ}=\left|\frac{U_C-U_{\mathrm{Event}}}{U_C-U_{\mathrm{ITIC}}}\right|$

其中，N₁是调查周期ITIC曲线可接受电力范围内的电压暂升或暂降次数，N₂是ITIC曲线可接受电力范围外的事件次数。U_Event是在电压暂升(暂降)过程中的最大值(最小值)，U_ITIc是ITIC曲线上对应电压暂升(暂降)持续的上(下)包络线电压，U_C是标称电压值。

②定义统一电能质量指标值(UPQI)，其指示值的合成是通过处理单一连续型扰动的传统指标实现的，特别是量化单一扰动的评估指标，

UPQI的合成引入超限量的概念，超限量衡量的是一个扰动指标在经过归一和合并步骤之后超过限值的程度，对于第i个合并后的超限量指标，其超限量为

△I_i=I_i,n-1

计算完每个扰动的超限量后，当所有指标值都小于1时，UPQI等于其最大值，

当一个或多个指标值大于1时，UPQI等于1加上超限量的总和，假设有N个扰动超过限值，则

$\mathrm{UPQI}=1+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{I}_i$

UPQI的便利属性在于数值1代表了允许限值，若等于1，表示统计评估的结果等于限值，风机电能质量满足并网要求；若大于1，表示电能质量不满足标准或导则要求，风机电能质量不满足并网要求；若小于1，则满足标准或导则要求，风机电能质量满足并网要求。

[算例]针对含有多个扰动信号的测试波形给出单一扰动指标佰和统一电能质量指标佰。

各扰动限值：

单一扰动指标值和综合指标值：

Claims (3)

1.一种风电并网电能质量综合性能检测方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值，得到该实际风电电压波形的综合电能质量指标；

(2)风电并网统一电能质量指示值检测评估。

2.根据权利要求1所述的风电并网电能质量综合性能检测方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤包括：

将理想电压波形和实际风电电压波形做差值计算求得标幺值；两电压波形的差值计算包括谐波、问谐波、电压暂升、电压暂降，其中实际电压与理想电压波形之差的均方根值定义为均方根误差RMSE，而差值计算采用RMSE的标幺值NRMSE，

RMSE的计算公式为： $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{T}{\∫}{[u_a\left(t\right)-u_i\left(t\right)]}^2\mathrm{dt}}$

式中T为工频周期，u_a(t)为存在电能质量扰动的时间电压，u_i(t)为理想供电电压，而考虑到是离散采样得到电压波形，上式可表示为

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left({\mathrm{nT}}_s\right)-u_i\left({\mathrm{nT}}_s\right)]}^2}{N}}$

式中N是工频周期T内的采样数，T_s为采样周期，

标幺值NRMSE的计算公式为： $\mathrm{NRMSE}=\frac{\sqrt{\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[u_a\left({\mathrm{nT}}_s\right)-u_i\left({\mathrm{nT}}_s\right)]}^2}{N}}}{U_1}$

式中U₁是实际基波电压幅值，

而计算NRMSE关键在于先知道理想电压u_i，若理想电压是工频下的理想正弦波形，在单个电能质量事件下如电压暂升，理想电压假设为事件前的基波电压，如果是两个事件，理想电压的幅值和相位可采用基于最小二乘估计的曲线拟合算法推导出来，

如果NRMSE值较小，无需进一步分析电能质量问题，否则必须鉴别并确认电能质量问题的属性。

3.根据权利要求1所述的风电并网电能质量综合性能检测方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤包括：

①对传统电能质量指标单一扰动进行处理，包括电压偏差、谐波畸变、三相不平衡度、电压暂降与暂升，分别算得电压偏差指示值I_T、谐波畸变指示值I_H、电压不平衡指示值I_UNB、电压暂降与暂升指示值I_C；

计算电压偏差指示值，先定义合同电压的变动比值τ_△U，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔU}}=\frac{U_a-U_C}{U_C}\×100$

式中：U_a为实际供电电压，U_C为标称电压值。

$I_T=\max \{\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\max }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimSup}}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\Δ}U\min }}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\ΔUlimInf}}}\}$

式中：τ_△Umax和τ_△Umin分别是在一个监测周期内τ_△U的最大值和最小值，τ_△UlimSup和τ_△UlimInf分别是固定的电压合同限值，

谐波畸变指示值I_H=max{I_THDU，F₂，F₃，F₄，…)

其中 $I_{\mathrm{THDU}}=\frac{{\mathrm{THD}}_{\max }}{{\mathrm{THD}}_{\lim }}$

$F_h=\frac{U_{h,\max }}{U_{h,\lim }}(h=\mathrm{2,3},...,25)$

式中：THD_max是检测周期内总谐波畸变率的最大值，THD_lim是总谐波畸变率的限值，U_h，max是观察周期内h次谐波最大值，U_h，lim是h次谐波的限值，

三相不平衡度指示值

式中：K_d，max为监测周期内不平衡度的最大测量值，K_d，lim是不平衡度的限值，

对于电压暂升与暂降的评估指标值，在国际上还没有公认的限值要求和衡量指标，因此参考了电压耐受力ITIC曲线，

当没有出现电压暂升或暂降时，I_C=0

当出现电压暂升或暂降，若N₂=0，

若N₂≠0， $I_C=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{IP}{Q}^2}{N_2}}$

其中 $\mathrm{IPQ}=\left|\frac{U_C-U_{\mathrm{Event}}}{U_C-U_{\mathrm{ITIC}}}\right|$

其中，N₁是调查周期ITIC曲线可接受电力范围内的电压暂升或暂降次数，N₂是ITIC曲线可接受电力范围外的事件次数，U_Event是在电压暂升或暂降过程中的最大值或最小值，U_ITIC是ITIC曲线上对应电压暂升或暂降持续的上或下包络线电压，U_C是标称电压值；

②定义统一电能质量指标值UPQI，其指示值的合成是通过处理单一连续型扰动的传统指标实现的，特别是量化单一扰动的评估指标，

电能质量指标值的合成引入超限量的概念，超限量衡量的是一个扰动指标在经过归一和合并步骤之后超过限值的程度，对于第i个合并后的超限量指标，其超限量为

△I_i=I_i，n-1

计算完每个扰动的超限量后，当所有指标值都小于1时，电能质量指标值等于其最大值，

当一个或多个指标值大于1时，电能质量指标值等于1加上超限量的总和，假设有N个扰动超过限值，则：

$\mathrm{UPQI}=1+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔI}}_i$

电能质量指标值的便利属性在于数值1代表了允许限值，若等于1，表示统计评估的结果等于限值，风机电能质量满足并网要求；若大于1，表示电能质量不满足标准或导则要求，风机电能质量不满足并网要求；若小于1，则满足标准或导则要求，风机电能质量满足并网要求。

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