【正文】 年已達到 億噸油當(dāng)量。 自 19 世紀 70 年代的產(chǎn)業(yè)革命以來，化石燃料的消費量急劇增長。風(fēng)力發(fā)電因投資小、清潔無污染、資源分布廣而受到人們的廣泛關(guān)注。但由于風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出電量是波動的，當(dāng)風(fēng)電機組并網(wǎng)運行時，會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等 ，嚴重時會對弱電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成危害，因此風(fēng)力發(fā)電場對接入電網(wǎng)的影響不容忽視。初期主要是以煤炭為主，進入 20 世紀以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來，石油和天然氣的生產(chǎn)與消費持續(xù)上升，石油 于 20 世紀 60 年代首次超過煤炭， 第一次 躍居能源的主導(dǎo)地位。在30 多年內(nèi)能源消費總量翻了一番，年均增長率為 %左右。在我國，也已經(jīng)頒布了于2020 年 11 月起實施的《中華人民 共和國 可再生能源法》。上世紀 80 年代 55 千瓦風(fēng)力機的出現(xiàn)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機工業(yè) 和 技術(shù) 上的一個突破。 1997 年兆瓦級機組占到當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機容量的比例是 %， 2020 年站到了 %， 2020 年站到了 %。 近 20 年來，德國、美國、丹麥、中國等國家投入了大量的人力、物力 和財力研究可以商業(yè)運營的風(fēng)力機，取得突破性的進展。 中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 我國 幅員遼闊，海岸線長，擁有豐富的風(fēng)能資源，但地形條件復(fù)雜，因此風(fēng)能資源的分布并不均勻。 而“十一五”上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 期間我國也實施了《可再生能源法》，風(fēng) 力發(fā) 電建設(shè)的步伐也明顯加快， 2020 一年間新增裝機容量中國已是第一名 ， 比第二名的美國多出兩倍多 ，這也意味著中國已經(jīng)成為風(fēng)電大國了。因而對風(fēng)力發(fā)電的檢測研究就顯得更為迫切。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱，負荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。 而電能質(zhì)量的好壞是由電能質(zhì)量的一些具體指標反映的， 電能質(zhì)量指標是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義和規(guī)定。 風(fēng)速的變化對風(fēng)電機組引起的電壓波動和閃變具有直接的影響，風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi) (低于 25Hz)，因此，風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題；電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電 對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負面影響之一。 本論文的主要工作 根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況， 以及風(fēng)電場存在的電能質(zhì)量問題，本論文主要做以下幾個方面的工作： （ 1） 介紹風(fēng)電場并網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因，分析 風(fēng)電 場的特點。而電能質(zhì)量指標是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同的指標有不同的定義和規(guī)定。另外接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負荷也會對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，降低了配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。 基 本參數(shù)的計算 電力系統(tǒng)基本電氣量主要包括 :電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)。 供電電壓偏差過大造成的危害主要有： （ 1） 對用電設(shè)備的危害 。 （ 3） 對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響 輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小和運行的電壓成反比。7%； （ 3） 220V 單相供電電壓允許偏差為額定電壓的 +7%、 10%。 電力系統(tǒng)頻率是指單位時間內(nèi)電信號周期性運動的次數(shù)，所謂頻率偏差是 指電力系統(tǒng)頻率的實際值和標稱值（工頻）之差，其表達式為： △ f=f (211) 式中 f—— 實際 供電頻率， Hz —— 供電網(wǎng)額定頻率， Hz 《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》（ GB/T 159451995）規(guī)定： (1)電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為 ，當(dāng)系統(tǒng)容量較小是偏差值可以放寬到； (2)用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過 ，根據(jù)負荷的性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限制，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng) 發(fā)電機組和用戶的安全穩(wěn)定運行以及正常供電； (3)用于頻率偏差指標評定的測量須用具有統(tǒng)計功能的數(shù)字是自動記錄儀表其絕對誤差不大于 ； 三相電壓允許不平衡度 在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相 相量大小相等、頻率相同且按互差 2 /3 時，稱三相平衡系統(tǒng)，否則稱三相 不平衡系統(tǒng)。 以三相電壓為例 ，當(dāng)三相電源電壓畸變不對稱時，對于三相四線制電路，電壓中除含有諧波分量外，還含有正序、負序、零序分量。 如果將式中的電壓符號換成電流符號，就可以求出電流的三相不平衡度。電力系統(tǒng)的諧波對各種電器設(shè)備 ，如繼電保護、自動裝 置、計算機、測量和計量儀器以及通信系統(tǒng)均有不利的影響。 在國際電工 標 準中（ IEC 5552， 1982）、國際大電網(wǎng)會議（ CIGRE）的文獻中對諧波也有了明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的 n 次分量； IEEE 標準中的定 義為：諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。 諧波對用戶低壓電器的損害：諧波電流的流入導(dǎo)致整個設(shè)備過熱，升高了設(shè)備的溫度 ，將提了絕緣壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負荷的功率越來越大，是電網(wǎng)電壓很容易產(chǎn)生波動和閃變，嚴重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因為一般的用電設(shè)備對電壓的敏感程度遠低于白熾燈，所以，選擇人們對白熾燈照度的主觀觀感，即“閃變”，最為電壓波動危害程度的評價指標。 (2)對數(shù)列 U(N)進行傅里葉分 解，求出其離散的頻譜數(shù)列 (k)，各頻率幅值的 2 倍對應(yīng)著該頻率正弦電壓均方根值曲線波動的峰峰值，即電壓波動 值，該值除以在該頻率上產(chǎn)生 一個單位瞬時閃變值所需的電壓波動值后平方，獲得該頻率下的瞬時閃變值。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 第三章 虛擬儀器技術(shù) 概述 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器（ Virtual Instrument, VI），是指以通用計算機為系統(tǒng)控制器，由軟件來實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統(tǒng)?！疤摂M”二字主要包含一下兩個方面的含義： （ 1） 虛擬儀器的面板是虛擬的。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計算機和外圍設(shè)備。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 圖 31 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比有如下特點： （ 1）“軟件就是儀器”，用戶可以自定義測量功能。 （ 4）良好的人機界面 。虛擬儀器通常具有標準化的總線或通信接口，具有與其他設(shè)備互聯(lián)的能力。 基于虛擬儀器技術(shù)電能參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由兩大部分組成 :硬件部分和軟件部分。 圖 42 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 傳感器 模擬信號在進入數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)先通過傳感器變換成符合采集卡量程要求的電壓、電流信號。 電流傳感器 的原邊測量范圍是177。 圖 47 為電壓電流信號調(diào)理電路板，其中電壓和電流傳感器為177。每通道專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，可獲得最強的設(shè)備處理能力和更高的多通道精度。圖 48 為 DAQ Assistant配置端口及采樣頻率界面，這里采用了連續(xù)采樣方式，采樣頻率設(shè)為 1KHz，即每周期采樣 20 個點。設(shè)計的原則是友好、簡單、可靠。呈紅色時，表示越限。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 圖 55 數(shù)據(jù)顯示模塊 波形顯示模塊 波形顯示包括了電壓、電流、電壓偏差、頻率偏差與時間的關(guān)系以及諧波柱狀圖。鑒于此種情況，在設(shè)計主界面時我使用了 LabVIEW 自帶的選項卡控件，將不同種類的數(shù)據(jù)指標放置在不同的選項卡 中，這樣不僅 使界面顯得美觀，而且也方便用戶對數(shù)據(jù)的檢測，讓用忽悠一目了然的感覺。 為了方便后面各模塊計算的需要，我們需要先將經(jīng) DAQ 采集的數(shù)據(jù)進行存儲，這里使 用了 LabVIEW 提供的“ Write To Spreadsheet ”函數(shù)，如圖 58 所示，將采集上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 來的數(shù)組轉(zhuǎn)換為文本字符串形式保存。 圖 58 Write To Spreadsheet 圖標及端口 圖 59 Read From Spreadsheet 圖標及端口 如圖 510 所示，數(shù)據(jù)存儲采用了 平鋪式順序結(jié)構(gòu)和定時循環(huán)結(jié)構(gòu)。 平 鋪式順序結(jié)構(gòu)和定時循環(huán)結(jié)構(gòu) 其后面板框圖如圖 510 所示 圖 510 平鋪式順序結(jié)構(gòu)和定時循環(huán)結(jié)構(gòu)后面板 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 圖 511 為創(chuàng)建電壓電流數(shù)據(jù)庫的程序框圖，信號由 DAQ Assistant 采集到后，由一個拆分信號將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)存入定時循環(huán)結(jié)構(gòu)的電子表格內(nèi)，在定時循環(huán)結(jié)構(gòu)輸入節(jié)點設(shè)置周期為 100ms，即每隔 秒 存儲一組數(shù)據(jù)，由于采樣頻率為 1KHz，因此每周期采樣 20 個點，而 秒采樣了五個周期，即一組數(shù)據(jù)總共采集了 100 個點。 利用公式（ 24）、（ 25）通過一系列的運算完成有效值計算的程序設(shè)計，圖 51513 即為有電壓和電流 有 效值計算的程序。 圖 516 Extract Single Tone 圖標及端口 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 28 圖 517 頻率偏差程序框圖 諧波測量模塊 諧波測量模塊中，本文主要檢測 的是電流信號的 各次諧波的含有量、諧波的失真度（ THD） 、基波電流的頻率、基波電流分量、電流直流分量，檢測可以使用諧波分析的功能函數(shù) “ Harmonica Distortion ” 來實現(xiàn)，功能函數(shù)具體說明如圖 518 所示 。 圖 519 諧波分析程序框圖 功率測量模塊 為了方便功率測量模塊的設(shè)計，前面 先分別采集電流電壓數(shù)據(jù)存儲在“電流數(shù)據(jù)”和“電壓數(shù)據(jù)”的 excel 表格中，然后利用 LabVIEW 的“ Build ”函數(shù)將“電壓數(shù)據(jù)”和“電流數(shù)據(jù)”合成一個新的表格為“電壓電流數(shù)據(jù)庫 .xls” 。功率因數(shù)則直接可以用有功功率除以視在功率就可算出，無功功率也可以根據(jù)公式（ 29）進行計算，視在功率、無功功率功率因數(shù)程序設(shè)計如圖 521 所示。然后利用公式（ 511）上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 計算瞬時閃變值。 523 短時閃變計算框 圖上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 第六章 系統(tǒng)測試 一個軟件 平臺系統(tǒng)開發(fā)過程的最后一個重要環(huán)節(jié)就是對軟件的測試。 （ 2）窮舉測試 :即程序運行的各個要求都應(yīng)該測試。聯(lián)調(diào)即對各個子系統(tǒng)，各個模塊聯(lián)合起來測試。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 34 圖 61 伏安測量模塊 測試結(jié)果 電壓偏差測量模塊 圖 62是電壓偏差測量模塊的測量結(jié)果，圖中的數(shù)值顯示控件反映了系統(tǒng)的電壓、實測電壓以及點偏差度。 圖 64 諧波分析模塊測試結(jié)果 功率測量模塊的測試 圖 65是功率測量模塊的測試結(jié)果。論文完成的主要工作有以下幾點 : (l)分析了 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對 電能質(zhì)量參數(shù) 的影響 ， 提出對電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測的必要性； (2)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的指標及測量方法進行了仔細研究，找出了相應(yīng)的測量方法。 參考文獻 [1] 楊俊華，吳 捷。 展 望 由于條件和時間的限制，開發(fā)的電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)還必須在以下幾個方面進行完善 ： 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 38 (1)本系統(tǒng)實現(xiàn)了雖然完成了對電壓、電流、諧波、頻率 和功率的測量，但僅 僅是單相的，以后可以把這部分整合