【正文】 年已達到 億噸油當量。 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注。但由于風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出電量是波動的，當風電機組并網(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 千瓦風力機的出現(xiàn)是現(xiàn)代風力發(fā)電機工業(yè) 和 技術 上的一個突破。 1997 年兆瓦級機組占到當年世界新增風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)運營的風力機，取得突破性的進展。 中國風力發(fā)電的發(fā)展 我國 幅員遼闊，海岸線長，擁有豐富的風能資源，但地形條件復雜，因此風能資源的分布并不均勻。 而“十一五”上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 3 期間我國也實施了《可再生能源法》，風 力發(fā) 電建設的步伐也明顯加快， 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)成為風電大國了。因而對風力發(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。 風速的變化對風電機組引起的電壓波動和閃變具有直接的影響，風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動，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)我國風力發(fā)電的發(fā)展情況， 以及風電場存在的電能質(zhì)量問題，本論文主要做以下幾個方面的工作： （ 1） 介紹風電場并網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因，分析 風電 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)的條件也可適當變動限制，但應保證近區(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：諧波電流的流入導致整個設備過熱，升高了設備的溫度 ，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。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 13 第三章 虛擬儀器技術 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備。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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，具有與其他設備互聯(lián)的能力。 基于虛擬儀器技術電能參數(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，采樣頻率設為 1KHz，即每周期采樣 20 個點。設計的原則是友好、簡單、可靠。呈紅色時，表示越限。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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系以及諧波柱狀圖。鑒于此種情況，在設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本科生畢業(yè)設計 (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 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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)程序設計如圖 521 所示。然后利用公式（ 511）上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 31 計算瞬時閃變值。 523 短時閃變計算框 圖上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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。 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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 ： 上海海事大學本科生畢業(yè)設計 (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