發(fā)布時(shí)間：2016-05-11 06:36

1  緒論 

1.1  研究背景及意義 
隨著經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，人們對電能的需求量越來越大，電網(wǎng)也在持續(xù)建設(shè)當(dāng)中[1]。然而大規(guī)模使用電力電子技術(shù)的弊端也逐漸顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)、傳輸和分配已經(jīng)很難滿足人們的用電需求[2]。微電網(wǎng)作為一種特殊的分布式發(fā)電系統(tǒng)，由微電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、控制裝置等共同組成，被提出以后受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[3]。微電網(wǎng)推進(jìn)了電力工業(yè)的發(fā)展，使電網(wǎng)由傳統(tǒng)的集中供電方式發(fā)展為集中與分散兩者相結(jié)合的供電方式[4]。在微電網(wǎng)中，非常規(guī)能源一般包括了太陽能、地?zé)崮�、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能以及核聚變能等[5]，在這些新能源中，目前已經(jīng)應(yīng)用并且對電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響較大的主要就是光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[6]。 諧波是電能質(zhì)量中最重要的問題，對電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、有效的運(yùn)行有很大的影響[7]。諧波的來源主要就是電源、輸配電系統(tǒng)、變流裝置以及負(fù)荷等[8]。在微電網(wǎng)中，整流逆變器、變頻器以及其他電力電子裝置等現(xiàn)代電子技術(shù)的大量使用，都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，當(dāng)諧波注入到電網(wǎng)中時(shí)，就會(huì)使電網(wǎng)中電壓、電流波形發(fā)生畸變[9]。并且，微電網(wǎng)中的電子元件也會(huì)因?yàn)橹C波產(chǎn)生附加熱效應(yīng)，使電能質(zhì)量降低，影響電網(wǎng)中的用電設(shè)備安全、有效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行[10]；局部電網(wǎng)也會(huì)因?yàn)橹C波問題出現(xiàn)諧波諧振問題，增加諧波的含有率，嚴(yán)重的情況甚至?xí)�燒毀設(shè)備[11]；諧波也會(huì)引起繼護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作問題，使電能的計(jì)量不準(zhǔn)確，出現(xiàn)混亂[12]。對于微電網(wǎng)系統(tǒng)外部，諧波也會(huì)干擾附近的通信系統(tǒng)使通訊質(zhì)量下降，會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲污染，如果干擾嚴(yán)重，甚至?xí)�使信息丟失，通信系統(tǒng)癱瘓[13]。 對于微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，微電網(wǎng)的諧波分析研究都有著重要的意義[14]。對微電網(wǎng)的諧波快速、準(zhǔn)確的分析，能夠?qū)崟r(shí)、有效的了解微電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因以及危害，也能夠?yàn)楣╇姴块T和相關(guān)單位提供準(zhǔn)確判斷及有效改善電能質(zhì)量的依據(jù)[15]。同時(shí)，諧波分析還能夠使微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中能夠及時(shí)的進(jìn)行自調(diào)節(jié)，保證其安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行，提高局部供電可靠性和微電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用[16]。
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 

1.2.1  微電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀 
近年來，微電網(wǎng)技術(shù)得到廣泛的推廣和應(yīng)用。在國外，美國、歐盟、日本等國家對微電網(wǎng)都進(jìn)行了大量的分析研究工作[17]。 

（1）美國對微電網(wǎng)的研究 
美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）對微電網(wǎng)的研究從理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到了現(xiàn)場示范，并且研究成果在微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺上得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[18]。美國給出的微電網(wǎng)定義是：微電網(wǎng)是由微電源和負(fù)荷組成的既可供電又可供熱的系統(tǒng)[19]。微電網(wǎng)內(nèi)部的電源需要靠電力電子器件進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和控制[20]。微電網(wǎng)相對于大電網(wǎng)來說，是一個(gè)單一的受控元，既可以孤島運(yùn)行也可以并網(wǎng)運(yùn)行，微電網(wǎng)在發(fā)生故障的時(shí)候，比如與主網(wǎng)斷連，仍然可以滿足自身的供電需要[21、22]。 目前，對于微電網(wǎng)，學(xué)者們通過美國第一個(gè)示范工程—MAD REVER，在微電網(wǎng)的仿真建模、控制方法以及經(jīng)濟(jì)效益等多方面進(jìn)行了更深一步的研究[5]。同時(shí)，學(xué)者們希望通過這項(xiàng)工程的深入研究為將來的微電網(wǎng)實(shí)際的工程建立形成相關(guān)的管理政策和法規(guī)[23]。美國通用電氣公司與電力管理部門共同研發(fā)了以具有并網(wǎng)控制、熱能和電氣的性能與成本優(yōu)化控制，以及對可再生能源間歇性發(fā)電管理等功能為目標(biāo)的“通用電氣全球研究（GE Global Research）”項(xiàng)目[24]。 
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2  微電網(wǎng)的諧波分析及仿真模型的建立 

隨著一次能源的枯竭和新能源發(fā)電技術(shù)的迅速興起，微電網(wǎng)的建設(shè)開始進(jìn)入高速發(fā)展期，然而微電網(wǎng)大量采用現(xiàn)代電子技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波影響電能質(zhì)量，甚至威脅配電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此本章深入分析了微電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因，并建立了光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的仿真模型，為獲取微電網(wǎng)諧波分析中所需要的信號奠定基礎(chǔ)。 

2.1  微電網(wǎng)的基本概念

近年來，微電網(wǎng)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和推廣，微電網(wǎng)是一種獨(dú)立性很強(qiáng)的分散性電源網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治型系統(tǒng)[46]。目前，各個(gè)國家對微電網(wǎng)給出了不同的定義，但是對微電網(wǎng)給出的定義應(yīng)用最廣泛也是最被認(rèn)可的就是美國電氣可靠性技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)（Onsortium  for  Electric  Reliability  Technology  Solutions，CERTS），定義是：微電網(wǎng)是由微電源和負(fù)荷共同組成的既可以提供電能又可以提供熱能的系統(tǒng)；微電網(wǎng)中的微電源由電力電子器件進(jìn)行控制和能量的轉(zhuǎn)換；微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)來說是一個(gè)單一的受控源，它能夠同時(shí)的滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等多個(gè)要求[47]。 歐盟對于微電網(wǎng)給出的定義為：“對一次性能源要充分利用，將小的、塊化的分布式電源互聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)冷、熱、電聯(lián)供，配有儲(chǔ)能裝置，連接到低壓配電網(wǎng)的系統(tǒng)�！盵48] 日本相關(guān)組織給出的定義是：“微電網(wǎng)是指在一定區(qū)域內(nèi)，利用分布式電源，根據(jù)用戶需求提供電能的小型系統(tǒng)�！�

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2.2  微電網(wǎng)諧波源及諧波產(chǎn)生原因分析
光伏發(fā)電系統(tǒng)是微電網(wǎng)的重要組成部分，光伏發(fā)電系統(tǒng)因無污染，無噪聲，裝置靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為不可或缺的能源之一。光伏發(fā)電的核心組件是光伏電池，但是光伏電池的輸出不穩(wěn)定會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題，這些諧波會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響。 光伏電池的輸出與光照強(qiáng)度有很大的關(guān)系，當(dāng)有陰云等遮擋物時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)光照強(qiáng)度和光照變化速率不均勻。在光伏發(fā)電系統(tǒng)建模的時(shí)候選擇將 CY-TD180-24 電池進(jìn)行串并聯(lián)，那么當(dāng)光伏組件被部分遮住時(shí)，光照強(qiáng)度會(huì)有大幅度的反復(fù)變化，會(huì)使光伏組件的輸出不對稱，引起諧波。光伏組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。當(dāng)光伏組件的光照被部分遮擋時(shí)會(huì)比被整體遮擋引起更高的諧波畸變。
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3  諧波分析的理論研究........ 25 
3.1  傅立葉變換...... 25 
3.1.1  連續(xù)傅立葉變換（FT） ......... 25 
3.1.2  離散傅立葉變換（DFT）....... 25 
3.1.3  快速傅立葉變換（FFT） ....... 26 
3.2  小波變換.......... 27 
3.3  小波去噪原理......... 30
3.4  本章小結(jié).......... 34 
4  小波變換和 FFT 相結(jié)合的微電網(wǎng)諧波分析 ...... 35 
4.1  小波變換和 FFT 結(jié)合的諧波分析方案 .......... 35
4.1.1  小波閾值去噪 ..... 35 
4.1.2  小波變換在微電網(wǎng)諧波分析中的應(yīng)用 ....... 37 
4.1.3 FFT 在微電網(wǎng)諧波分析中的應(yīng)用 ......... 38 
4.2  改進(jìn)的小波閾值去噪法 ....... 40 
4.2.1  小波閾值去噪法的改進(jìn) .......... 40 
4.2.2  改進(jìn)的小波閾值去噪效果對比 ..... 40 
4.3  本章小結(jié).......... 41 
5  仿真與分析.......... 43 
5.1  小波變換和 FFT 相結(jié)合的仿真分析 ....... 43 
5.2  本章小結(jié).......... 47 

5  仿真與分析 

通過對微電網(wǎng)模型及諧波問題的深入分析，以及諧波分析方法的研究，本章對光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)輸出的并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析，使用小波閾值去噪法對并網(wǎng)電流進(jìn)行濾波，并對并網(wǎng)電流使用小波變換和 FFT 結(jié)合的方法進(jìn)行分析研究，計(jì)算諧波含有率和總諧波畸變率。 


5.1  小波變換和 FFT 相結(jié)合的仿真分析 
在標(biāo)況下，第三章建立的光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的仿真模型，得到輸出的并網(wǎng)電流波形如圖 5.1 所示。從圖中可以看出，波形平滑度不好，含有諧波。對并網(wǎng)電流進(jìn)行 FFT 分析，如圖 5.2 所示，，可以得到信號的總諧波含有率為 4.31%，各次諧波含有率如表 5.1 所示。 綜上所述，利用小波變換對信號進(jìn)行分析，可以有效地提取信號的基頻分量，和各次的諧波分量，達(dá)到檢測諧波的目的。同時(shí)，利用FFT變換，還可以測得各次諧波的幅值，準(zhǔn)確的計(jì)算出諧波含有率和總諧波畸變率。由此可見，本文采用的小波變換和FFT相結(jié)合的方法，對微電網(wǎng)諧波分析非常有效，而且本文改進(jìn)的小波閾值去噪法對信號濾波，去除信號中的噪聲等干擾信息，效果非常顯著。 本章在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真。以微電網(wǎng)的并網(wǎng)電流作為諧波分析信號源，使用改進(jìn)的小波閾值去噪法對信號去噪。并使用小波變換和FFT相結(jié)合的方法對去噪后的并網(wǎng)電流進(jìn)行分析，準(zhǔn)確計(jì)算出了HRIn和THD。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小波變換和FFT相結(jié)合的方法可以有效的分析微電網(wǎng)中各次的諧波成分，得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。同時(shí)，仿真結(jié)果也表明了改進(jìn)的小波閾值去噪方法的有效性和優(yōu)越性以及兩種方法結(jié)合分析方法的可行性。
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結(jié)論 

社會(huì)對電能需求的增加，用戶對電能質(zhì)量要求越來越高，非可再生能源的稀缺，微電網(wǎng)的建設(shè)和使用也成為了必然的發(fā)展趨勢。然而，微電源的不穩(wěn)定，微電網(wǎng)中大量電力電子器件的使用，使微電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，影響用電設(shè)備的正常工作。因此，深入的研究分析微電網(wǎng)并網(wǎng)的諧波問題有非常重要的意義。為了高效的分析諧波，準(zhǔn)確檢測諧波，本文使用了小波變換和 FFT 相結(jié)合的諧波分析方法，具體工作及結(jié)論如下： 
（1）從微電網(wǎng)諧波的基本概念入手，確定了微電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)，深入的分析了微電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因。并且對主要的分布式電源光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本特性進(jìn)行了分析，構(gòu)建了光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的仿真模型，得到了微電網(wǎng)的并網(wǎng)電流，并以此作為諧波分析的信號源。 
（2）論述了小波變換和傅立葉變換的理論及其特性，并且深入分析了兩種方法在諧波檢測中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上使用小波變換和 FFT 相結(jié)合的方法對光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)輸出的并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析：使用 db20 對電流信號進(jìn)行 10 層分解，然后使用 FFT 對各層信號進(jìn)行分析，求出各次諧波含有率和總諧波畸變率。 
（3）對小波變換的去噪原理進(jìn)行了分析，明確了小波閾值去噪的過程，給出了去噪效果的判定方法。并在此基礎(chǔ)上對小波閾值去噪的方法進(jìn)行了改進(jìn)：使用“3? 規(guī)則”選取閾值，將軟、硬閾值函數(shù)折衷去噪法與“? 律閾值”法相結(jié)合對信號進(jìn)行去噪。同時(shí)，以實(shí)際測得的電流數(shù)據(jù)作為原信號，在 Matlab 環(huán)境下對不同去噪方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，論證了本文改進(jìn)的創(chuàng)新方法的有效性和優(yōu)越性。 
（4）在 MATLAB 環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。使用改進(jìn)的小波閾值去噪法對微電網(wǎng)的并網(wǎng)電流進(jìn)行去噪，使用小波變換和 FFT 相結(jié)合的方法對去噪后的電流的各次諧波進(jìn)行了分析，提取出了相關(guān)的信息，總諧波畸變率 THD 與各次諧波含有率 HRIn 可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來。同時(shí)，驗(yàn)證了去噪效果的顯著以及兩種方法結(jié)合以后的分析方法可行性。
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參考文獻(xiàn)(略)    

本文編號：43769