基于风电闪变问题的闪变仪研究_刘桂龙

刘桂龙（1982—），男，工程师，主要从事风电并网对系统电压闪变的影响的研究。

孙玉芹（1971—），

女，教授，研究方向为分布式发电及其并网技术。常喜强（1976—），男，高级工程师，

主要从事电力调度运行等方面的研究。基于风电闪变问题的闪变仪研究

刘桂龙1，孙玉芹2，常喜强3，蔡静静

2

(1．中国海诚工程科技股份有限公司，上海200031;2．上海电力学院，

上海201300;3．新疆电力公司，新疆乌鲁木齐830002)

摘

要：根据IEC 推荐闪变评价标准，设计了模拟闪变仪，针对传统模拟闪变仪产

生的问题，利用双线性变换法，提出并构建数字闪变仪，具有比模拟闪变仪仿真精度高、速度快、采样数据少，在闪变测试低频段误差率更低等优点。仿真结果表明，数字闪变仪更能满足低频段风电闪变测试需要，有效改善风电闪变的测试。

关键词：闪变仪；双线性变换法；数字化；Matlab 中图分类号：TM 614

文献标志码：A

文章编号：1001-5531（2014）03-0055-06Flicker Meter Ｒesearch Based on Wind

Power Flicker Problem

LIU Guilong 1，SUN Yuqin 2，CHANG Xiqiang 3，CAI Jingjing 2

（1．China Haisum Engineering Co．，Ltd．，Shanghai 200031，China ；2．Shanghai University of Electric Power ，

Shanghai 201300，China ；3．The company of Xinjiang Electric Power ，Urumqi 830002，China ）

Abstract ：The analog flicker apparatus was designed ，according to IEC recommended flicker evaluation stand-ard and flicker apparatus design program．Using the bilinear transformation method ，the digital flicker meter was put forward．The simulation result shows the digital flicker meter ，compared with analog flicker apparatus ，has advantages of fast speed ，high precision ，less error rate at flicker test low frequency band．It can satisfy the low frequency band wind power flicker test needs ，effectively improve the wind flicker testing．

Key words ：flicker apparatus ；bilinear transformation method ；digitization ；matlab

0引言

由于风电功率具有随机性、

不稳定性和波动性，当大量风电并入电网时，将在并网点（Point of Common Coupling ，PCC ）产生闪变，对系统电能质量造成重大影响。电压闪变是评估电能质量的重要内容之一，在风电汇集点精确测试由风电引起的电压闪变，将有助于正确理解、评估风电并网对系统造成的电压闪变严重度，采取适当措施抑制电压闪变，对于提高电能质量具有重要意义。IEC 61000-4-15—2003《电磁兼容第4部分：试验和测量技术第15节：闪变仪表功能和设计规划》公布了闪变仪的设计说明和测试系统完整的机构框图。闪变仪测试频率范围为0．05

35Hz ，其中最有效的测试频段在8．8Hz 附近，误差较大的测试频段在低频段。对于三叶片风电

场，电压波动频率为3P （P 为叶片旋转频率），一般情况下，

3P 频率范围为1 3Hz ，处于闪变仪测试低频段［1-3］

。因此用推荐的模拟闪变仪测量，将出现较大的误差。针对该问题，本文根据IEC 闪

变仪测试要求，开展了闪变仪的改进研究。

1IEC 闪变仪测试原理分析

根据IEC 公布的电压闪变测量仪的说明，

闪变仪框图如图1所示。

电网电压波动可以视为以工频电压为载波的幅度调制波，检测调制信号推荐用平方解调法，并计算瞬时闪变视感度S （t ）和短时闪变值P st 。调

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55

—

图1IEC推荐的闪变仪框图

幅波可看作由各种频率分量的正弦波合成，为使分析简化又不失一般性，通常可视为单一频率的调幅波对电压波形进行调制。电压波形方程式为u（t）=A［1+u'（t）］cosωt

=A（1+m cosΩt）cosωt（1）式中：A———工频载波电压的幅值；

ω———工频载波电压的角频率；

m———调幅波电压的幅值；

Ω———调幅波电压的角频率。

1．1电压信号输入部分

框1：内含电压适配器和信号发生器。将输入电压u（t）适配成适合于闪变仪的电压数值，并发生标准调幅波电压作仪器的自检信号。

框2 4：闪变仪的中间环节，是对灯-眼-脑的模拟，要解调出调幅波u'（t）。框2是模拟灯的作用，由平方检测滤波器构成。IEC推荐的平方检测法为

u2（t）=A

2（1+m

2

2

）+mA2cosΩt+m

2A2

4

cos2Ωt+

A2 2（1+m

2

2

）cos2ωt+m

2A2

8

cos2（ω－Ω）t+

mA2 2cos2（ω+Ω）t+

mA2

2

cos2（ω－Ω）t

（2）

经过框3中0．05Hz高通滤波器和35Hz低通滤波器，滤掉了式（2）中的直流分量、工频及工频以上分量，又由于m非常小，可以忽略以m2为系数的项，检测出调幅波，即：

u2（t）=mA2cosΩt=A2u'（t）（3）1．2带通滤波器滤波部分

由于人对照度波动的最大觉察范围不会超过0．05 35Hz［4］，因此，带通滤波部分由0．05Hz 的高通滤波器和35Hz的低通滤波器组成。

0．05Hz一阶高通滤波器传递函数为

H

hp （s）=s/ω

1+s/ω

（4）

其中，ω=2π?0．05是滤除直流分量、0．05Hz以

下低频分量。

35Hz六阶Butterworth低通滤波器传递函数

为

H

lp

（s）=a

s6+bs5+cs4+ds3+es2+fs+a

（5）

其中，a=（70π）6，b=3．864?（70π）1，c=

7．465?（70π）2，d=9．142?（70π）3，e=7．465?

（70π）4，f=3．864?（70π）5。滤除35Hz以上高

频分量。

1．3加权滤波器和平滑滤波部分

视感度加权滤波的物理意义是将频率为f的

余弦波电压归算成为闪变等效的8．8Hz余弦波

电压［4］。IEC给出的视感度加权滤波器传递函数

为

K（s）=

kω

1

s

s2+2λs+ω2

1

?

1+s/ω

2

（1+s/ω

3

）（1+s/ω

4

）

（6）

其中，k=1．74802，ω1=2π?4．05981，ω2=2π?

9．15494，ω

3

=2π?1．22535，ω

4

=2π?21．9。用

来模拟人眼对不同频率电压波动分量的选择特性

和进一步衰减2倍工频前后的电压分量。

框4模拟人脑神经对视觉的反应和记忆效

应，由平方器和时间常数为300ms的一阶低通滤

波器构成。作用是输出瞬时闪变视感度S（t）。

一阶低通滤波器传递函数为

H

LP

（s）=1

1+sτ

（7）

其中，τ=300ms。

1．4闪变评估部分

闪变严重程度评估有瞬时闪变视感度、短时

闪变严重度和长时闪变严重度等。

瞬时闪变视感度是电压波动引起照度波动对

人的主观视觉的反应程度。通常当闪变觉察率为

50%时，作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即为瞬

时闪变视感度S=1觉察单位。框4输出的即为

瞬时闪变视感度。

短时闪变严重度是为了衡量短时间内（一般

10min）电压闪变强弱的一个统计量。在图1中，

框5对框4输出的闪变视感度S（t）进行恒速采样，

得出累计概率函数，对上述信号进行观察统计，然

—

65

—

后利用5个规定值对短时闪变值P st进行计算：

P

st =（0．0314P

0．1

+0．0525P

1

+0．0657P

3

+0．28P

10

+0．08P

50

）12（8）

式中：P0．1、P1、P3、

P 10、P

50

———10min内瞬时闪变视感度S（t）

超过0．1%、1%、3%、10%、

50%时的觉察单位值。

如果输入信号是周期性稳态电压波动信号，则

P 0．1=P

1

=P

3

=P

10

=P

50

=S（t）

即

P

st =0．714S（t

槡）（9）

S（t）为瞬时闪变视感度的稳定平均值。当低压不足1kV时，P st=1为闪变引起视感刺激性的通常限值［5］。

2基于IEC模拟闪变仪设计及仿真根据IEC推荐民用标称230/400V，中国国内普遍采用电压频率50Hz，因此取A槡

=2302V，ω=2π?50rad/s；根据抽样调查闪变觉察率可知，照度频率8．8Hz的正弦调幅波影响最为显著［6］，作用于230V、60W的白炽灯，当视感度S=1时觉察单位电压波动为0．25%，因此取Ω= 2π?8．8rad/s，m=0．25%；即框1的电压输出波形公式为

u（t）=槡

2302［1+0．0025cos（2π?8．8t）］·

cos（2π?50t）（10）根据IEC推荐闪变检测仪设计方框图图1，在Matlab/Simulink仿真系统下建立闪变检测系统模拟化结构图如图2所示。

调幅波、工频载波仿真波形如图3所示。

IEC闪变仪框3仿真图像如图4所示。

IEC闪变仪框4输出瞬时闪变视感度仿真图如图5所示。

通过仿真测试，对图4进行分析，可知模拟闪变仪测试所用时间长、处理数据量大、采样数据多、初始时间短时视感度数值偏大等现象。改进思路为模拟测试系统转化为数字闪变测试系统。3基于IEC

数字闪变仪设计及仿真对于IEC闪变检测方法，

模拟系统测量法对

图2IEC

闪变仪模拟测试结构设计图

图3调幅波、工频载波调制波形图

图4经带通滤波器、加权滤波器后输出波形

硬件电路的要求较高，设计和二次开发比较难；数

—

75

—

图5瞬时闪变视感度S（t）及其微观图

字化测量具有足够的精度和稳定性，不存在阻抗匹配问题，滤波器的临界频率值不受限制，系统函数容易发生改变，灵活性较好，便于硬件大规模集成，可实现多维滤波。因此，从模拟检测转向数字化检测不失为一个较好的方法［7-10］。

3．1模拟闪变仪改进

由于IEC闪变仪模型主要由4个滤波器组成，因此数字化测量的实现主要就是滤波器的数字化实现。从模拟测量转变到数字化测量通常有：脉冲响应不变法、阶跃不变法、微分映射法和双线性变换法，常用的有脉冲响应不变法和双线性变换法［7］。冲击响应不变法设计滤波器较为简单，能够保持频率线性化映射，但容易引起频域的混叠；而双线性变换法正好克服该缺点，不会产生频谱的周期性延拓，不存在频谱混叠现象［11］。因此本文利用双线性变换法从模拟检测转化为数字化检测。

由模拟系统转换为数字系统所用双线性Z 变换法：

s=

2

T

s

·

1－z－1

1+z－1

（11）式中：T s———采样周期，T s=

1

F

s

；

F

s

———采样频率。

把式（11）分别代入各滤波器传递函数中可得到式（12） 式（17）传递函数；亦可用Matlab命令窗口Bilinear函数，取采样频率为400Hz，本例利用该命令法，从S域变换求取各滤波器Z域传递函数。

高通滤波器Z域传递函数：

H（z）=

0．9996－0．9996z－1

1．0000－0．9992z－1

（12）低通滤波器Z域传递函数：

H（z）=

（2+9z－1+23z－2+3z－3+23z－4+9z－5+2z－6）?10－4

1－3．9315z－1+6．6909z－2－6．2491z－3+3．3603z－4－0．9828z－5+0．1218z－6

（13）

加权滤波器Z域传递函数：系数k=1．74082

K

1=

0．0673－10－15z－1+0．0673z－2

1－1．8613z－1+0．8807z－2

（14）

K 2=

0．0796+0．0028z－1－0．0768z－2

1－1．69z－1－0．6928z－2

（15）

K=kK

1

K

2

（16）一阶低通平滑滤波器Z域传递函数：

H（z）=

0．0041+0．0041z－1

1－0．9917z－1

（17）

3．2IEC数字闪变仪仿真模型

根据带通滤波器传递函数和加权滤波器传递函数式（12） 式（17），按IEC闪变仪测试标准设计数字化闪变仪如图6所示。

调幅波、工频载波调制波仿真波形如图7所示。

IEC数字闪变仪框3仿真图如图8所示。

IEC数字闪变仪框4输出瞬时闪变视感度仿真波形如图9所示

。

图6IEC闪变数字化测试设计结构图

—

85

—

图7数字化闪变仪输入调幅波、

工频载波调制波

图8

经过带通滤波器、

加权滤波器后的电压波形

图9

IEC 数字闪变仪输出瞬时视感度

波形图及其微观图

4

模拟/数字测试短时视感度P st 比较

模拟/数字化闪变仪测试短时视感度P st 的比

较如表1所示，其误差曲线分布如图10所示。

由表1可以看出模拟闪变仪测试存在误差较大情况，而风力发电电压闪变正处于低频段，这对于测量风电低频段闪变状况产生一定的困难。而

数字化闪变仪测试在低频段与模拟闪变仪测试

相比较，有很大改进。根据表中数据可以得知，数

表1

模拟/数字化电压闪变测试P st 比较

频率/Hz 标准P st 模拟P st

模拟误差/%

数字P st 数字误差/%修正加权滤波器

系数后P st

修正后误差/%0．50．7140．6701606．14005600．748914．88935570．74518414．3675181．00．7140．7425604．00000000．745974．4775910．74225873．9578022．00．7140．7489864．90000000．740523．71428570．73683583．1982943．00．7140．7417003．87955180．731132．39915970．72749251．8897114．00．7140．7484804．82913170．732902．64705880．72925372．1363775．00．7140．6956602．56862750．730012．24229690．72637811．7336296．00．7140．7342802．84033610．723411．31792720．71981090．8138587．00．7140．6948902．67647060．707620．89355740．70409951．3866248．00．7140．6997202．00000000．699771．99299720．69628862．4805949．00．7140．7154300．20028010．711000．42016810．70746270．91559010．00．7140．7079100．85294120．719790．81092440．71620900．30937714．0

0．714

0．7239201．3893557

0．72100

0．9803922

0．7174129

0．478002

—

95—

图10误差曲线分布图

字化闪变仪测试误差在IEC标准5%之内，再对数字闪变仪加权滤波器系数进行修改，经计算可知，能够保证短时闪变视感度在低频段精确度更高。因此，数字化闪变仪能够较好地使用于测试风电低频段闪变状况。

5结语

根据IEC提供的电压闪变测试标准和风电电压闪变的实际情况，为有效、精确地测量闪变，本文建立并设计了模拟闪变仪和数字闪变仪，进行了仿真，证实了数字化闪变仪在测试过程中，仿真简单、速度快捷，与模拟测试相比不用处理大量数据。在改进模拟闪变仪时，本文利用了双线性函数变换法从模拟化S域转换为数字化Z域传递函数。另外，本文还通过对比分析模拟/数字化测试仿真图像及短时闪变严重度，数字化闪变仪经过加权系数修正能够有效地控制误差为5%以内，精确度高，能更好地降低低频段短时闪变误差严重度并且不影响高频度误差程度。

但数字化闪变仪测试的短时闪变严重度在低频段与高频段相比还是较大，在下一步的研究中，还需要准确地选择加权滤波器视感度系数和采样频率。

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收稿日期:

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿

2013-03-01

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《低压电器》编辑部—

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