风电场电能质量综合监测系统设计.doc
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分类号：
TM711单位代码：
10422
密级：
学号：
200712270
硕士学位论文
ShandongUniversityMaster’sThesis
论文题目：
基于LabVIEW的风电场电能质量综合监测系统
PowerQualityMonitoringSysteminWindFarmBasedonLabVIEW
作者姓名
曹永镇
专业
电力系统及其自动化
指导教师姓名
专业技术职务
田立军教授
2010年4月10日
山东大学硕士学位论文
原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
日期：
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（保密论文在解密后应遵守此规定）
论文作者签名：
导师签名：
日期：
55
目录
摘要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外风电发展及研究现状 3
1.3对电能质量进行检测的意义 7
1.4虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用 9
1.4.1虚拟仪器概述 9
1.4.2LabVIEW概述 10
1.4.3虚拟仪器在电力系统中的应用 11
1.5本文主要工作 11
第二章风电机组的类型、特点及其对电能质量的影响 12
2.1风电机组的结构及分类 12
2.1.1恒速风电机组 13
2.1.2双馈感应风电机组 14
2.1.3多级永磁风电机组 14
2.2风力发电的特点 15
2.3风电场并网对电网电能质量的影响 16
2.3.1风电场引起的电压波动和闪变 17
2.3.2风电场引起的谐波问题 18
2.3.3风电场电能质量检测需要解决的问题 18
2.4小结 19
第三章系统硬件设计 20
3.1硬件系统的总体设计 20
3.2硬件的选取 20
3.3信号调理 22
3.4小结 24
第四章风电场电能质量综合监测系统的算法及软件设计 25
4.1系统程序总体结构 25
4.2系统主程序及用户界面设计 25
4.3各个电能质量指标检测算法的选取及子程序设计 27
4.3.1传统电能质量指标检测算法及程序设计 27
4.3.2谐波检测算法及程序设计 31
4.3.3电压暂降检测算法及程序设计 36
4.3.4电压波动与闪变检测算法与程序设计 38
4.4数据存储 46
4.5小结 47
第五章结束语 48
5.1结论 48
5.2展望 49
参考文献 50
致谢 55
摘要
在能源短缺的当今世界，风能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源，由于它的可再生性和无污染的优点，成为最有诱惑力的一种新能源，引起多个国家的重视。
中国也加大了开发和利用风能的力度。
随着未来风电场规划装机容量不断增加，风力发电对接入电网的电能质量的影响不容忽视。
严重时，甚至会对局部电网或弱电网的安全稳定性造成危害。
因而，风力发电监测系统和控制技术的开发研究显得更为迫切。
因此，有必要开发风电场电能质量综合监测系统，对现有风电场的电能质量进行检测、分析，为风电场治理、改善电能质量提供依据，这对风电场接入电网现状的研究以及风电与电网的和谐发展具有极其重要的意义。
本文首先介绍了国内外风力发电的发展情况，以及对风电场电能质量问题进行监测的必要性。
其次，通过分析风电机组的结构及其运行特性，总结风电场存在的电能质量问题及特点。
然后，结合风电场电能质量的特点，选取合适的硬件，比较、分析各种电能质量检测算法，选取合适的算法。
针对风电场电压波动频率主要集中在低频段，而目前广泛使用的检测算法在低频段精度较差的情况，本文采用的抵消基波的方法对电压波动与闪变进行检测，并通过仿真分析证明该方法确实在低频段具有优势。
最后本文结合相关的硬件、算法以LabVIEW为平台研究开发了风电场电能质量综合监测系统，采集电压、电流信号，并对电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压暂降、电压波动闪变六个指标进行检测。
文中阐述了系统的硬件构成方案和软件编程方法，对系统的设计方案进行了详细的介绍，描述了系统所要实现的主要功能。
并给出了系统主要功能模块的设计流程以及关键技术措施。
本系统开发周期短，测量精度高，具有良好的可视化人机交互界面，并可以方便地增减、修改系统的功能和规模，为用户提供了高度的灵活性和易用性。
关键词：
风电场；LabVIEW；电能质量；电压波动；电压暂降
Abstract
Nowtheworldissufferedfromtheshortageofenergy.Windenergy,asanewenergy,isinexhaustibleandfree.It’sthemostattractivenewenergyforitsadvantagesofrenewableandwithout-pollution.Itarousestheattentionofmanycountries.Chinaisalsooneofthem,anditenhancesitsresearchandutilityonwindenergy.
Amongwiththecontinuousincreasingofpowercapacityinfuturewindenergygenerationprogramming,theharmtotheconnectedpowergrid,whichiscausedbythewindfarm,willbecometobemoreimportantandnotallowedtobeneglected.Itwillevendamagethesafetyandstabilityofweakpowergridwhentheharmisserious.Hence,theresearchanddevelopmentofwindpowergenerationsupervisingsystemanditsrelatedcontroltechnologyappearstobemoreurgent.Thereby,it’snecessarytoexcogitateapowerqualitymonitoringsystemforthewindfarmtoanalyzeandevaluatethepowerqualityofthepresentwinfarm,whichisaveryimportantmeaningfortheresearchofthegrid-connectedwindpowergenerationunitandtheharmoniousdevelopmentbetweenwindpowerandgrid.
Firstofall,thisthesisintroducedthetrendofwindenergygenerationinsideandoutsideoftheworld,andthenecessityofmonitoringthepowerqualityofthewinfarm.Secondly,byanalyzingthewindturbinestructureandoperatingcharacteristics,summarizingthepowerqualityproblemsofwindfarmanditscharacteristics.thencombinedthecharacteristicsofthepowerqualityofthewindfarm,thehardwareandmethodsareappropriatelychosen.Accordingtothesituationthatvoltagefluctuationsofwindfarmsaremainlyinthelowfrequencyband,thearithmeticwhichisnowwidelyusedhasaloweraccuracyinthisband,thisthesisusedthearithmeticbycounteractingthefundamentalwavetotestvoltagefluctuationandflicker,thensimulatedthismethodtoproveithashighaccuracyinlowfrequencyband.Atlast,withthesehardwareandmethodsthepowerqualitymonitoringsysteminwindfarmisdevelopedusingLabVIEWinthisthesis,whichcollectsvoltageandcurrentsignalsandtestsvoltagedeviation,frequencydeviation,harmonics,unsymmetrical,voltagesag,voltagefluctuationandflicker.Thehardwarecompositionandsoftwareprogrammingareexpounded,theplansoftheclientcomputerandthehostcomputerareparticularlyintroduced,andthemainfunctionsofthesystemaredescribed.Themainmodulesandthekeytechnicalmeasuresofthesystemareexplained.
Thissystemhastheadvantagesofshortdevelopmentcycle,highaccuracy,interactiveinterfacewithgoodvisualizationanditsfunctionandscalecanbechangedandmodifiedeasily,whichprovidesahighmobilityandhastheadvantagesofeasycontrol.
Keywords:
windfarm;LabVIEW;powerquality；voltagefluctuation；voltagesag
第一章绪论
1.1研究背景
随着社会经济的发展，人类对能源的需求量越来越大，特别像中国这样的发展中国家，由于经济的快速发展，特别是工业、重工业的快速发展，对能源的消耗量也飞速增长，而煤、石油等矿物燃料的储量是有限的，随着矿物燃料的大量开采、使用，导致了能源危机、环境污染等一系列严重的后果。
于是人们逐渐将目光转向了风能、太阳能等无污染、可再生的能源上来。
经济界权威人士在综合分析了科学技术的发展、全球环境的制约，以及经济和政治等方面的影响后指出:
如果说20世纪是石油世纪，21世纪将进入以太阳能、风能和水能等为主的绿色可再生能源世纪。
据专家估计，地球上所受的太阳辐射能大约有2%转换成风能，若用于发电，则装机容量可达10TW，每年可发出电力13PW∙H[1]。
图1-1我国有效风功率密度分布图
如图1-1所示，我国风能资源丰富，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦，发展潜力巨大。
风能功率密度在以上的地区覆盖了半个中国，资源分布很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6～9米/秒，内陆地区如内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，在这些地区均有很好的开发利用条件[2]。
现如今环境恶化日益加剧，空气污染、温室效应等问题严重影响着人们的生存环境，人们越来越重视所生存、居住环境的改善，环境保护意识不断增强，迫切需要一些清洁、无污染、可再生的新能源。
在目前众多可再生能源技术开发中，发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景、最具竞争力、潜力最大的就是风力发电。
风能是一种取之不尽、用之不竭的免费且可靠的新能源。
与常规能源相比，由于它的可再生性和无污染的优点，在能源短缺的当今世界，它是最具有诱惑力的一种新能源[2-6]。
风能作为一种无污染、可再生的清洁能源，对二氧化碳的减排、发展低碳经济也有着重要的作用。
据有关资料统计，每装一台单机容量为1MW的风力发电机组，每年可以减少排放2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。
以德国为例，仅风力发电每年使二氧化碳排放量减少了2260万吨，为德国竭力实现《京都议定书》的减排目标做出了巨大贡献[7]。
我国为了大力发展风电等可再生能源，采取了许多相关的措施，如征收可再生能源附加费，可再生能源要优先调度、优先上网等，2005年6月1日实行的《上网电价管理暂行办法》规定电网企业按政府定价或招标价格优先购买风电，2008年8月财政部公布实施了《风力发电设备产业化专项资金管理暂行办法》，采取“以奖代补”方式支持风电设备产业化。
该办法规定了对符合支持条件企业的首批50台MW级风电机组，按600元/kW的标准予以补助。
这些政策、制度为风力发电的快速发展提供了良好的条件。
自20世纪80年代以来，大、中型风电场并网容量发展最为迅猛，对电力系统的运行造成的影响逐步加大，由此提出了一系列值得关注和研究的问题。
电能质量问题就是其中一个非常重要的课题。
风电场多采用异步发电机，异步发电机有功出力有很强的随机性，随风速变化。
同时，异步发电机运行时需要吸收系统的无功功率，为系统的无功负荷，其大小也为不确定量，从而给接入系统电网运行带来诸多常规机组所没有的影响[8-26]。
风力发电机组发出有功功率一般会引起配电系统电压升高。
采用可调压的风力发电机组可避免配电系统电压控制设备方面的投入。
异步风力发电机组需要消耗接入电网的无功功率。
为了减少消耗的无功功率，一般异步电机组都配有补偿电容器组，无功功率消耗的减少将导致电压的上升，这种影响在分析电网稳定性时是需要加以考虑的因素。
由于阵风等因素的影响，引起输出功率的变化，输出电流发生变化，导致电网电压波动。
对于采用最大风能捕获的现代风力发电机组，这种电压波动尤其明显。
在大型风电场，由于多机组的平均作用，使用电压较高的专用线上网，风速对电网电压波动的影响会相对小些。
而对于风电机组少、单机容量大的小型风电场，风速对电网电压波动的影响会很大。
大功率开关器件的普遍采用使得风电电能中含有大量的谐波，尤其是那些通过电力变换器而接入电网的发电机组。
因此，大型的风力发电场对接入电网的影响将是一个普遍的问题。
1.2国内外风电发展及研究现状
1891年，风力发电创始人丹麦的拉库尔教授用风轮驱动了两台9kW的直流发电机，建成了世界上最早的风电场，但直到20世纪70年代以前，只有小型充电用风电机组达到实用阶段。
而近几年风电系统从电力产业中异军突起，2000年开始，兆瓦级以上的交流励磁变速恒频双馈风力发电机组逐步成为国际风电市场的主流产品。
近海风电场的发展，又使风电机组单机容量进一步上升到3.6，4.2，4.5和5MW。
根据全球风能理事会（GWEC）统计数据，截止到2008年12月底，全球的总装机容量已经达到了1.21亿千瓦；2008年，全球风电增长速度为28.8%，新增装机容量达到2700千瓦，同比增长36%。
图1-2为1997-2008年全球各年新增和累计装机容量情况。
图1-21997－2008全球各年新增和累计装机容量情况
欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场，2008年三大区域新增装机分别是：
8877、8881和8589兆瓦，占世界风电装机总容量的90%以上。
美国超过德国，跃居全球风电装机首位，同时也成为第二个风电装机容量超过2000万千瓦的风电大国。
世界各国2008年累计及当年新增风电装机容量排名如表1-1、表1-2所示[27]。
表1-12008年累计装机容量排名
国家
容量（MW）
增长（%）
美国
25170
20.8
德国
23903
19.8
西班牙
16754
13.9
中国
12210
10.1
印度
9645
8
意大利
3736
3.1
法国
3404
2.8
英国
3241
2.7
丹麦
3180
2.6
葡萄牙
2862
2.4
10国总计
104104
86.2
其他地区总计
16686
13.8
全世界总计
120791
100
表1-22008年新增装机容量排名
国家
新增装机容量（MW）
增长（%）
美国
8358
31
中国
6300
23
印度
1800
7
德国
1665
6
西班牙
1609
6
意大利
1010
4
法国
950
4
英国
836
3
葡萄牙
712
3
加拿大
523
2
10国总计
23763
88
其他地区总计
3293
12
全世界总计
27056
100
我国是世界上风能利用的古国之一，利用风能的历史虽然悠久，但研制现代风力机是始于20世纪50年代末，50年代末至60年代初，出现了风力研制的一个高潮，从70年代末期开始至今，我国风能利用研究进入一个新的发展阶段。
1986年4月，我国第一个示范风电场在山东荣成并网发电，从1989年起全国各地陆续引进机组建设风电场，装机容量逐年增长，2001年至2008年我国风电装机容量如图1-3所示，
图1-32001－2008年中国年度风电装机容量
截至2008年我国已连续四年年度新增装机容量翻番增长。
经初步计算，2008年底，中国除台湾省外累计安装风电机组1.16万多台，累计装机容量1.2153万兆瓦，已跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列，并超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。
中国已成为全球发展最快、最具潜力的风电市场之一。
随着国内风电设备制造业产能的扩大，国产风电机组在市场上的占有率逐步提高2007年，我国当年安装的风电机组市场份额中，国产机组装机容量首次超过外资企业，达到55.9％，2008年进一步增加到75％。
表1-32008年我国新增和累计装机容量情况
省（市、自治区等）
2007累计（kW）
2008新增（kW）
2008累计（kW）
内蒙古
1563190
2172250
3735440
辽宁
515310
734450
1249760
河北
491450
619250
1110700
吉林
612260
457200
1069460
黑龙江
408250
428050
836300
江苏
293750
354500
648250
甘肃
338300
298650
636950
新疆
299310
277500
576810
山东
350200
222100
572300
宁夏
355200
38000
393200
广东
287390
79500
366890
福建
237750
46000
283750
浙江
47350
147280
194630
山西
5000
122500
127500
云南
0
78750
78750
北京
49500
15000
64500
海南
8700
49500
58200
河南
3000
47250
50250
江西
0
42000
42000
上海
24400
15000
39400
湖北
13600
0
13600
重庆
0
1700
1700
湖南
1650
0
1650
香港
800
0
800
全国（除台湾）
5906360
6246430
12152790
到2008年底，全国已经有25个省区（含台湾）在风力发电中占据了一定的份额，其中，内蒙、辽宁、河北、吉林、黑龙江、江苏等省区无论从新增装机容量还是从累计装机容量方面都位居前列。
除上述省份之外，纳入国家千万千瓦级风电基地规划的另外两个省份甘肃和新疆，以及山东省的新增装机容量也均超过20万千瓦，使得累计装机容量超过50万千瓦的省份达到9个，超过100万千瓦的省份达到了4个。
从市场份额来看，我国的风电市场比较集中，内蒙古和东北三省分别占据国内市场的30％和25％，两家合计占据市场份额的55％。
处于风电市场的支配地位。
其次是河北、江苏、甘肃、山东和新疆，其市场份额都在5％以上。
一些新兴的市场也在形成，山西、河南和江西等地也实现了零的突破。
2008年我国除台湾外各省新增和累计风电装机容量如表1-3所示。
1.3对电能质量进行检测的意义
随着现今经济的快速发展，电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求，从最大经济利益出发，在大功率、冲击性、非线性的负荷迅速增长的同时，更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。
越来越多的电力用户采用了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制的自动化生产线等。
随着微电子技术和电力电子技术的发展，基于电力电子技术的装置和设备在现代工业中得到了广泛的应用，同时直流输电、电气化铁路等冲击性负荷的不断增多，还有各种大型用电设备的起停，都对电网电能质量产生严重的污染；但另一方面，随着高新技术，尤其是信息产业的发展，用户使用的现代新型负荷设备，多是基于微处理器的敏感性控制设备，它们对电能质量问题非常敏感对电能质量的要求越来越高。
电能质量若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电设备带来不同程度的危害，对用电企业造成重大经济损失。
使一些过去不受重视的电能质量问题变得不容忽视[28]。
电能质量的主要指标有电压偏差、频率偏差、谐
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