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第42卷第4期2014年2月l6日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.42NO.4Feb.16.2014基于小波变换和HHT的分布式并网系统谐波检测方法李正明,徐敏,潘天红,陈武晖(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212Ol3)摘要:在分布式电源并网系统中,大量逆变装置的使用与非线性负载的接入,给电网带来严重的谐波污染,传统的检测方法(如:快速傅里叶变换、小波分析等)对同步信号检测、基函数选取有较大的依赖性,难以适应微电网环境下的谐波检测要求。为此,结合小波变换与HHT,提出一种新的微电源并网模式下的谐波检测与分析方法。该方法利用小波变换多分辨率分析思想对信号进行划分,并对划分后的信号进行经验模态分解,得到一系列的经验模态函数(intrinsiCmodefunction,IMF),并从IMF分量中提取出基波分量和高次谐波;再对IMF分量进行Hiibert变换得到信号的频率、幅值信息。仿真实验表明该算法的谐波分析精度高,实时性好,能满足分布式并网系统的谐波检测要求。关键词:分布式电源;小波变换;希尔伯特一黄变换;经验模态分解;谐波检测AharmonicdetectionmethodfordistributedconnectedgridsystembyusingwavelettransformandHHT———LIZhengruing,XUMin,PANTianhong,CHENWuhui(SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:Indistributedconnectedgridsystem,thereiSseriousharmonicpollutioncausedbywideuseofinveaerunitsandaccessofnonlineartoads.ThetraditionaldetectionmethodssuchasFastFourierTransformandwaveletanalysisheavilydependon’synchronoussignaldetectionorbasisfunctionsselection,anddontsatisfytherequirementsoftheharmonicdetectionofmicrogridenvironment.Therefore,anovelhar—monicdetectionandanalysismethodunderthemodeofmicrosourcesconnectedinparauelisproposedcombiningthewavelettransformwithHHT.Themethodusesmultiresolutionanalysisofwavelettransformtoprocesstheoriginalsigna1.Then,aseriesofintrinsicmodefunction(IMF)componentsareobtainedfromtheprocessedsignalbyusingempiricalmodedecompositionalgorithm,andthefundamentalcomponentandharmonicareextractedfromtheIMFcomponents.Finally,thefrequencyandamplitudeofsignalarecalculatedbyusingtheHilberttransform.Simulationresultsdemonstratethattheproposedalgorithmhashighprecisionandgoodreal-timecharacteristics.Furthermore,thealgorithmcansatisfytherequirementsoftheharmonicdetectionofdistributedconnectedgridsystem.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61273142).Keywords:distributedgenerator;wavelettransfor—m;HilbertHuangtransform;empiricalmodedecomposition;harmonicdetection中陶分类号:TM714文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2014)04.0034060引言世界范围内的能源危机、电力贫缺与大面积停“”电事故已暴露出集中发电的电力系统已经不能完全满足对电力供应的质量与安全可靠的要求。分布式电源(DistributeGenerator,DG)以其投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点日益成基金项目:国家自然科学基金资助项目(61273142);江苏省科技支撑计划项目(BE2011143);江苏省高校优势学科建设工程资助项目PAPD为人们研究的热点_jqJ。但由于微电源的接入给电力系统的电能质量产生影响J,特别是谐波污染问题。实时、准确的谐波检测是治理的前提和保证。目前应用最广泛的谐波检测方法是快速傅里叶算法。但由于在检测过程中,很难实现同步采样,导致其在检测时存在频谱泄露和栅栏效应J;文献[9.11]对传统FFT算法进行了改进,利用加窗插值方法对谐波及问谐波进行了检测,一定程度上减少频谱泄露,但其不足之处在于窗函数较为复杂,分析窗的宽度需要几十个信号周期,从而导致实时性不好;文献[12.14]将小李正明,等基于小波变换和HHT的分布式并网系统谐波检测方法一35.波变换应用于谐波检测,其是一种时频分析方法,具有良好的局部化性质,但小波变换对信号局部没有自适应性,其结果依赖于小波基函数的选取,若小波基选取不当,会大大降低检测精度。希尔伯特一黄变换(HHT)是一种自适应时频分析方法【JJ,它不但克服了FFT无法将时域和频域相结合的缺点,同时还具有小波变换无法实现的自适应分解和无基函数选择等优势,但由于在分布式并网系统中,基波能量远远大于高次谐波,并且高次谐波之间能量相差不大,导致直接使用HHT在检测谐波容易出现模态混叠。为此,本文提出一种基于小波变换和HHT的谐波检测新方法,对分布式电源并网节点处电流进行谐波检测,经仿真验证,本文方法在一定程度上改善了模态混叠现象,具有较高的精度与良好的实时性,能够满足分布式并网系统谐波检测的要求。1问题描述分布式电源的特殊性导致微电网的输出功率具有间歇性和波动性,若使它们输出平稳的功率,则就需要在逆变器的直流侧配备大容量的储能装置,这样大大降低了系统的经济性。因此,本文采用恒功率控制方式控制微电源发出恒定功率。微网中的分布式电源都是通过逆变器接入系统和大电网,因此对微电源的控制即为对逆变器的控制。图1是由PQ控制的DG并网系统结构图。——…L…——————……————————……——……一图1DG并网结构图从图1中看出,微网中的分布式电源(包括光伏电池,风力发电机等)通过逆变器,经LC滤波后接负载,并入电网,由DG并网结构图可得=一(t)/dt+(1)其中:R、是三相电路的电阻和电感;V、ob。是三相瞬时电网电压和电流;ab。是逆变器输出电压。从式(1)看出,由于为恒定电网电压,微电源对PCC点输出功率由,。决定,而,可以由线路两端的压降及线路阻抗决定,因此PQ控制可由控制逆变器输出电压决定。图1中虚线框内即为PQ控制原理。其主要由三个部分:1)锁相环和Park变换。即电网电压经过锁相之后,得到角频率CO,为系统提供频率支撑:同时为了实现电流解耦控制,将ab。和,ah。经过Park变换,同时选取d轴与电压矢量同方向,得到:0,,和i分量;2)功率控制。根据参考。功率Pre和以及d轴分量,可得参考电流fd和;3)电流控制。将2)中得到的参考电流和1)中和f分量进行PI调节,经过计算得到和,再经过Park反变换得到PWM的参考电压,从而实现恒功率控制。分布式并网系统中,大量逆变装置的使用与非线性负载的接入给电网带来严重的谐波污染,为了实时准确地检测谐波,本文提出一种基于小波变换和HHT的谐波检测新方法。该方法不仅一定程度上减小了小波变换由于基函数选取不当造成的检测误差,同时改善了HHT直接检测谐波信号时产生的模态混叠现象。2基于小波变换和HHT谐波分析方法本文提出基于小波变换和HHT的谐波分析方法具体过程如图2所示。以下给出本文算法的具体步骤:11首先依据分布式并网系统模型,对公共连接点处的电流信号进行采样。2)其次,利用小波变换多分辨率思想对信号进行分解和重构,将信号划分成不同的子频带信号。31然后利用经验模态分解对子频带信号进行分解,得到一系列的IMF分量,进而从IMF分量中提取出基波分量和高次谐波。41最后利用Hilbert变换得到信号的频率、幅值信息。其中小波多分辨率分析具体方法可参考文献—[1718],经过EMD分解的固有模态函数(IMF)应满足以下两个条件:.36一电力系统保护与控制【分布式系统并网电流信号l利用小波多分辨半分析对信5-进行分解和重构l得到低频到高频的子频带信号对子频带信号进行经验模态分解(EMD1得到经验模态函数(IMF)并从中提取基波及高次谐波对IMF采用Hilbert变换得到频率、幅值信息图2本文算法对DG并网电流谐波分析过程框图Fig.2CurrentharmonicanalysisdiagraminDGconnectedgrid’usingthepaperSalgorithm1)整个数据中,零点数与极点数相等或至多相差1。2)信号上任意一点,由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线的均值为0,即信号关于时间轴局部对称。HHT过程中的EMD分解过程:1)对任一信号x(t1,首先确定所有的极值点,然后用三次样条曲线拟合所有极大值点和极小值点形成上、下包络线(和(。2)求出上、下包络线的平均值m,并令()=x(t)一m,则h(t)为一个近似的IMF。3)将(f)作为新的(),重复1)、2)步骤,直到h(t1满足IMF条件为止,此时得到第一阶的IMF记作C()。4)将r(t)=X(t)一C()作为新的X(t),重复以上1)、2)、3)步骤,依次得到第二阶IMF分量,第三阶IMF分量等,直到Re基本呈单调趋势或I()艮小而不能从中提取IMF分量时,分解结束,原信号X(t)即为所有IMF分量以及残差函数的和,即∑()=(f)+,_()(2)i=1其中,()称为残差函数,表示信号的趋势。对每个IMF分别做希尔伯特变换后得∑∑)=Req)ej=Req(,(3)i=1i=1这里省略了残差函数(),Re表示取实部。称式(3)展开式为希尔伯特幅值谱,简称希尔伯特谱,记为∑H()=Reai(f)e出(4)i=1经过希尔伯特变换后的希尔伯特谱能够准确地反应信号随时间变化的幅值、频率信息。3实验结果仿真及分析根据原理图1,在Matlab仿真环境中构建分布式并网系统仿真模型,如图3所示。:图3分布式并网系统仿真模型Fig.3Simulationmodelofdistributedconnectedgridsystem为了更好地验证本文算法的有效性,本文对模型做了一定的简化,将分布式电源等效为经过升压之后的直流源,设置仿真模型算例参数如表1所示。在Matlab中对分布式并网系统模型进行仿真,并对公共连接点(Pointofcommoncoupling,PCC)点处的电流信号进行采样,采样频率=10kHz,采样信号周期个数为32个,得到并网电流原始信号记为s(t),单独采用小波变换多分辨率分析算法对其谐波进行检测。选取具有紧支性的正交小波db24对PCC点电流信号进行6层分解,得到近似信号a6和细节信号dl~d6,近似信号a6看作是信号中的基波分量,dl~d6是信号的高次谐波分量,仿真结果如图4所示。李正明,等基于小波变换和HHT的分布式并网系统谐波检测方法一37表1仿真模型参数设置Table1Settingtheparameterofsimulationmodel参数微电源|P、O线路阻抗及负载大电网矾=1200v,L=10H,C1.6rtF0-0.2s,Pf=10kW,Qef-2000kvarR=0.01Q,L=0.04H,3kW负载400V,4OkVA垂500—50原始信号0.00113号0—105q0—50.20.30.40.50.6近似信号O.OO.10.2030.40.50.6细节信号000.102030.40506000.10.2030.405060001020.3O.4050.60.001020.30.405O.6000.10.2030.40.50.6000.10.2030.40.506图4db24小波对并网电流谐波检测结果Fig.4Harmonicdetectionresultforthecurrentsignalofconnectedgridbyusingdb24wavelet从频率混高次谐表示,4仿真结果看出,高频部分出现了明显的,很难从原始信号中准确地检测出基波及。其基波检测精度由均方差值的均方误差即一}其中:为原始信号基波分量的第个采样点数据;Ⅳ为近似信号a6的第个采样点数据;表示采样点数。计算得到近似信号a6和基波之间的相对误差为4.52%。由此可见,由于小波基的选取不当,导致检测精度下降,误差较大。为了减小小波变换中由于小波基选取不当造成的误差,可采用具有白适应分解方法HHT对并网电流谐波进行检测,仿真结果如图5所示。5OO500.001020.3040.5062N曼0一_20.304050650三o502塞0一20001020.3040.50.6000.102030.40.506t/s图5HHT对并网电流谐波检测结果Fig.5HarmonicdetectionresultforthecurrentsignalofconnectedgridbyusingHHT从图5仿真结果看出,直接用HHT检测谐波时,经过EMD分解时产生的各IMF分量之问产生了模态混叠,不能很好地从IMF分量中检测出基波及高次谐波,这是由分布式系统并网电流信号的基波能量远远大于高次谐波,并且高次谐波之问能量相差不大造成的。鉴于以上两种方法检测谐波时各自存在的缺陷,本文提出基于小波变换和HHT的新方法对PCC点处的并网电流进行谐波检测。仿真结果如图6所≤50翟。50—50塞o5003040.506ds图6本文算法对并网电流信号分析结果Fig.6Harmonicdetectionresultforthecurrentsignalof’connectedgridbyusingthepapersalgorithmv,罂一曹_【H2021012021O1寸n一图叠波亦苫一一38一电力系统保护与控制示,其具体分析过程是将上述经过小波变换多分辨率分析后产生的各个子频带信号当作是对原始信号的预处理,然后对子频带近似信号a6进行EMD分解得到一系列的IMF分量,IMF1近似为基波分量,IMF5为残差函数。从而从子频带信号a6中检测出基波分量。与图5仿真结果对比得出,本文算法在一定程度上改善了直接使用HHT时出现的模态混叠现象。同时将信号s(0的实际基波分量与IMF1分量进行波形误差比较,仿真结果如图7所示。根据公式(5),得到基波相对误差仅为0.24%。实验结果表明,与小波变换结果相比,本文算法在检测谐波时误差较小,检测精度高。利用本文算法得到各次谐波幅值与小波变换和HHT算法分析对比的结果如表2所示,从表2结果看出,与小波算法和HHT算法相比,本文算法在检测分布式并网系统谐波幅值时误差较小,检测精度高,达到实时准确地检测分布式并网系统谐波电流的要求。图7IMF1和基波分量误差对比结果Fig.7ResultofcomparisonbetweenIMF1andfundamentalcomponent表2原始信号参数及各算法分析比较结果Table2Originalsignalparametersandcomparisonresultsofeachalgorithm4结语由于分布式并网系统自身的特殊性,如:输出功率间歇性、基波频率变动等,导致传统的谐波检测算法(如:快速傅里叶变换、小波分析等)在检测分布式并网系统谐波时存在各自的缺陷,难以适应微电源并网模式下的谐波检测。因此,本文基于小波变换和HHT提出~种新的谐波分析新算法来检测并网电流谐波。仿真结果表明,该算法不仅减小了小波变换中基函数选择不当而引起的误差,同时也在一定程度上改善了经验模式分解过程中产生的模态混叠:验证了该算法在分布式并网系统模式下对并网电流谐波检测的有效性和可行性,能满足实时准确检测谐波的要求。参考文献[1]占月吟,韦钢,言大伟,等.分布式电源在配电网中的优化配置[J】.电力系统保护与控制,2012,40(11):—100105.—HUYin,WElGang,YANDawei,eta1.Optimizationallocationofdistributedgenerationsembeddedindistributionnetwork[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(11):100-105.[2]吴卫民,何远彬,耿攀,等.直流微网研究中的关键技—术[J]_电工技术学报,2012,27(1):98106.——WUWeimin,HEYuanbin,GENGPan,eta1.Key—technologiesforDCmicrogrids[J].Transactionsof—ChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(1):98106.[3]王成LU王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J]_电力系统自动化,2008,32(20):1-4.—WANGChengshan,WANGShou-xiang.Studyonsomekeyproblemsmimedtodistributedgenerationsystems[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(20):14.’14jChiradejsPRamakumarR.Anapproachtoquantifythetechnicalbenefitsofdistributedgeneration[J].IEEE—TransonEnergyConversion,2004,19(4):764773.[5]张立梅,唐巍,赵云军,等.分布式发电对配电网影响的综合评估[J1.电力系统保护与控制,2010,38(21):132一】35.李正明,等基于小波变换和HHT的分布式并网系统谐波检测方法.39一’ZHANGLimei,TANGWei,ZHAOYun-jun,eta1.Theintegratedevaluationofimpactofdistributedgenerationondistributionnetwork[J].PowerSystemProtectionand—Control,2010,38f21):132135.[6]TranK,VaziriM.Effectsofdispersedgeneration(DG)ondistributionsystems[C】//IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,SanFrancisco,USA,2005.[7]惠锦,杨洪耕.基于问谐波泄露估算的谐波间谐波分离检测法[JJ.电工技术学报,2011,26(1):183.190.HUIJin,YANGHonggeng.Harmonicsand—interharmonicsseparatedetectionmethodbasedonestimationofleakagevaluescausedbyinterharmonics[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2011,26(1):183・190.[8]王刘旺,黄建才,孙建新,等.基于加汉宁窗的FFT高精度谐波检测改进算法fJ1.电力系统保护与控制,—2012,40(24):2833.——WANGLiuwang,HUANGJian-cai,SUNJianxin,eta1.Animprovedprecisealgorithmforharmonicanalysis—basedonHanningwindowedFFT[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(24):28-33.[9]钱吴,赵荣祥.基于插值FFT算法的问谐波分析【J1.—中国电机工程学报,2005,25(21):8791.—QIANHao,ZHAORongxiang.InterhamonicsanalysisbasedoninterpolationFFTalgorithm[J].Proceedingsof—theCSEE,2005,25(21):8791.[10]温和,滕召胜,王永,等.改进加窗插值FFT动态谐波分析算法及应用[JJ.电工技术学报,2012,27(12):—270277.—WENHe,TENGZhaosheng,WANGYong,eta1.ImprovedwindowedinterpolationFFTalgorithmandapplicationforpowerharmonicanalysis[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,27(12):270-277.111JBelegaD,DalletD,PetriD.Statisticaldescriptionofthesine-wavefrequencyestimatorprovidedbytheinterpolatedDFTmethod[J].Measurement,2012,45(1):109.117,[12]张鹏,李红斌.一种基于离散小波变换的谐波分析方—法[J].电工技术学报,2012,27(3):252259.—ZHANGPeng,LIHongbin.Anovelalgorithmforharmonicanalysisbasedondiscretewavelettransforms[J].TransactionsofChinaE1ectrotechnical—Society,2012,27(31:252259.[13]陈长升,黄险峰.基于小波变换抗混叠谐波检测的一种新方法【JJ.电力系统保护与控制,2008,36(23):—2326.——CHENChangsheng,HUANGXianfeng.Anovel—methodforantialiasingharmonicdetectionbasedonwavelettransform[J].PowerSystemProtectionand—Control,2008,36(23):2326.———[14]ZHENGEnrang,LIUZhengyan,MALingkun.StudyonharmonicdetectionmethodbasedonFFTandwavelettransform[C】//SignalProcessingSystems(icsps),20102ndInternationalConferenceon.201O:413-416.[15]刘德利,曲延滨.改进的希尔伯特一黄变换在电力谐波中的应用研究[J】.电力系统保护与控制,2012,40(6):—6073.——LIUDeli,QVYanbin.ApplicationofimprovedHHTappro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