【正文】 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩大部分組成 :硬件部分和軟件部分。這是一種新型的基于 Web 技術(shù)的虛擬儀器，它使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控和故障診斷等功能，以充分利用有效資源，提高測(cè)試效率。虛擬儀器通常具有標(biāo)準(zhǔn)化的總線或通信接口，具有與其他設(shè)備互聯(lián)的能力。測(cè)量結(jié)果也可以通過計(jì)算機(jī)顯示器以曲線、圖形數(shù)據(jù)或表格等形式方便靈活地顯示出來。 （ 4）良好的人機(jī)界面 。虛擬儀器將信號(hào)分析、顯示、存儲(chǔ)和其它 管理交由計(jì)算機(jī)來集中處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā) 布功能。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(diǎn)： （ 1）“軟件就是儀器”，用戶可以自定義測(cè)量功能。外圍硬件設(shè)備可以分為 GPIB、 VXI、 PXI、 DAQ 四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備。 （ 2） 虛擬儀器的測(cè)量功能是由軟件編寫來實(shí)現(xiàn)的。“虛擬”二字主要包含一下兩個(gè)方面的含義： （ 1） 虛擬儀器的面板是虛擬的。虛擬儀器的出現(xiàn)，使得測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限逐漸模糊。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(jì)算機(jī)為系統(tǒng)控制器，由軟件來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 在獲得瞬時(shí)閃變值 S(t)的基礎(chǔ)山上計(jì)算短時(shí)閃變值 。 (2)對(duì)數(shù)列 U(N)進(jìn)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(duì)應(yīng)著該頻率正弦電壓均方根值曲線波動(dòng)的峰峰值，即電壓波動(dòng) 值，該值除以在該頻率上產(chǎn)生 一個(gè)單位瞬時(shí)閃變值所需的電壓波動(dòng)值后平方，獲得該頻率下的瞬時(shí)閃變值。 而電力系統(tǒng)中的電壓閃變則是指由 于電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起人對(duì)所用照明設(shè)備忽明忽暗的一種感覺 ， 通常是以白熾燈的工況作為判斷依據(jù)，將電壓閃變可 以分為周期性和非周期性兩種，前者主要是由于周期電壓波動(dòng)引起的，后者會(huì)與隨機(jī)性電壓波動(dòng)有關(guān)。因?yàn)橐话愕挠秒娫O(shè)備對(duì)電壓的敏感程度遠(yuǎn)低于白熾燈，所以，選擇人們對(duì)白熾燈照度的主觀觀感，即“閃變”，最為電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 電壓波動(dòng)是指 一系列 電壓 波動(dòng)或工頻電壓 包絡(luò)線的 周期 變化。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負(fù)荷的功率越來越大，是電網(wǎng)電壓很容易產(chǎn)生波動(dòng)和閃變，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（ GB/T 145491993）規(guī)定： （ 1） 諧波測(cè)量點(diǎn)為公共接入點(diǎn)，即用戶接入公共電網(wǎng)的連接處； （ 2） 電網(wǎng)諧波的相關(guān)指標(biāo)，諧波含有量、總諧波畸變率等的計(jì)算方法和測(cè)量方法； （ 3） 不同等級(jí)的電網(wǎng)電壓水平下所允許的各次諧波 含有率、總諧波畸變率等相關(guān)指標(biāo)。 諧波對(duì)用戶低壓電器的損害：諧波電流的流入導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備過熱，升高了設(shè)備的溫度 ，將提了絕緣壽命。同時(shí)，由于上述負(fù)荷的存在 ，使得電力系統(tǒng)中的供電電壓即便是正弦波形，其電流波形也將偏離正弦波形而發(fā)生畸變。 在國際電工 標(biāo) 準(zhǔn)中（ IEC 5552， 1982）、國際大電網(wǎng)會(huì)議（ CIGRE）的文獻(xiàn)中對(duì)諧波也有了明確的定義：諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于 1 的 n 次分量； IEEE 標(biāo)準(zhǔn)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。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 諧波的含義 國際上公認(rèn)的諧波含義為：諧波是一個(gè)周期性電器量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。電力系統(tǒng)的諧波對(duì)各種電器設(shè)備 ，如繼電保護(hù)、自動(dòng)裝 置、計(jì)算機(jī)、測(cè)量和計(jì)量儀器以及通信系統(tǒng)均有不利的影響。 電網(wǎng)諧波分析 近年來，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體器件等其他非線性負(fù)荷在電力電子系統(tǒng)中的使用越來越多，這就不可避免地使相關(guān)的電流和電壓波形產(chǎn)生較大程度的畸變，通常稱為諧波污染。 如果將式中的電壓符號(hào)換成電流符號(hào)，就可以求出電流的三相不平衡度。三相電壓的不平衡度通常以負(fù)序分量的均方根值與正序分量 均方根值的比值來表示： = 100% （ 212） 式中 —— 為三相電壓正序分量的 均方根值，將不平衡的三相 系統(tǒng)的電量按對(duì)稱分量法分解后其正序?qū)ΨQ系統(tǒng)中的分量。 以三相電壓為例 ，當(dāng)三相電源電壓畸變不對(duì)稱時(shí)，對(duì)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(fù)序、零序分量。作為電能質(zhì)量指標(biāo)之一的“三相電壓允許不平衡度 ” 是針對(duì)正常不平衡工況制定的。 電力系統(tǒng)頻率是指單位時(shí)間內(nèi)電信號(hào)周期性運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，所謂頻率偏差是 指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值（工頻）之差，其表達(dá)式為： △ f=f (211) 式中 f—— 實(shí)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(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動(dòng)一般不得超過 ，根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動(dòng)限制，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng) 發(fā)電機(jī)組和用戶的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及正常供電； (3)用于頻率偏差指標(biāo)評(píng)定的測(cè)量須用具有統(tǒng)計(jì)功能的數(shù)字是自動(dòng)記錄儀表其絕對(duì)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(shí)，稱三相平衡系統(tǒng)，否則稱三相 不平衡系統(tǒng)。但是，由 于電力系統(tǒng)負(fù)荷不斷變動(dòng)，電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 荷 變化 又有一定的慣性，只是系統(tǒng)頻率總是一直處于變動(dòng)的動(dòng)態(tài)之中，不可避免地偏離標(biāo)稱值，即產(chǎn)生頻率偏差。7%； （ 3） 220V 單相供電電壓允許偏差為額定電壓的 +7%、 10%。地電壓運(yùn)行會(huì)使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大 了供電的成本。 （ 3） 對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yùn)行的電壓成反比。電壓偏差超過一定的值時(shí)，會(huì)引起設(shè)備的損壞。 供電電壓偏差過大造成的危害主要有： （ 1） 對(duì)用電設(shè)備的危害 。 通常指電壓變化率小于 1%秒時(shí)實(shí)測(cè)電壓與額定電壓之差，用以下公式 求出電壓偏差。 基 本參數(shù)的計(jì)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)。因此，對(duì)于電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)必須有一系列的指標(biāo)予以衡量，而且針對(duì)這些衡量所產(chǎn)生的指標(biāo)，必須制定相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)加以約束。另外接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也會(huì)對(duì)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。在電能輸送的過程中，電力系統(tǒng)受到各種因素的影響，到達(dá) 用戶的電能波形往往發(fā)生畸變。而電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個(gè)方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。 （ 3） 結(jié)合 NI 公司的信號(hào)調(diào)理箱、數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)硬件，以及 LabVIEW 為 軟件開發(fā)平臺(tái) ，開發(fā)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。 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(gè)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(diǎn)。最嚴(yán)重的情況是整個(gè)風(fēng)電場突然切出，引起系統(tǒng)的頻率瞬時(shí)降低。 風(fēng)速的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變具有直接的影響，風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng)，而其波動(dòng)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(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來閃變問題；電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)力發(fā)電 對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一。 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響 風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動(dòng)的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波等。 而電能質(zhì)量的好壞是由電能質(zhì)量的一些具體指標(biāo)反映的， 電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個(gè)方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。 IEEE 技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)采用“ Power Quality”這一術(shù)語，并且給出了相應(yīng)的技 術(shù)定義：“合格電能質(zhì)量的概念，是指敏感 設(shè)備提供的電力和設(shè)施的接地 系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備正常工作的”。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱，負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)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(yùn)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。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)用戶供電。因而對(duì)風(fēng)力發(fā)電的檢測(cè)研究就顯得更為迫切。預(yù)計(jì)到 2020 年我國風(fēng)力發(fā)電將達(dá) 3000 萬千瓦。 而“十一五”上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 期間我國也實(shí)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(jī)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。風(fēng)能資源豐富的沿海及其島嶼，其可開發(fā)量約為 10 億 KW，主要分布在遼寧、河北、山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省、市、區(qū)。 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。由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)白診斷功能，安全保護(hù)措施更加完善，并且實(shí)現(xiàn)了單機(jī)獨(dú)立控制、多機(jī)群控和遙控，完全可以無人值守。 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(cái)力研究可以商業(yè)運(yùn)營的風(fēng)力機(jī)，取得突破性的進(jìn)展。 在過去的 幾 年里，風(fēng)力發(fā)電的年增長率幾乎高達(dá) 30%。 1997 年兆瓦級(jí)機(jī)組占到當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量的比例是 %， 2020 年站到了 %， 2020 年站到了 %。為了降低風(fēng)力發(fā)電的成本，提高風(fēng)力發(fā)電市場的競爭力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)一直在沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。上世紀(jì) 80 年代 55 千瓦風(fēng)力機(jī)的出現(xiàn)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)工業(yè) 和 技術(shù) 上的一個(gè)突破。 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 國外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 19 世紀(jì)末，美國人首次安裝了被現(xiàn)代人認(rèn) 為是第一臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行且用于發(fā)電的風(fēng)電機(jī) ，之后丹麥人首次建立用于發(fā)電的風(fēng)電場。在我國，也已經(jīng)頒布了于2020 年 11 月起實(shí)施的《中華人民 共和國 可再生能源法》。太陽能和風(fēng)能被看作是最 具有代 表性 的新能源和可再生能源 ，作為這兩種能源的高級(jí) 利用，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國的高度重視。在30 多年內(nèi)能源消費(fèi)總量翻了一番，年均增長率為 %左右。隨著世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增大，世界能源消費(fèi)量持續(xù)增長。初期主要是以煤炭為主，進(jìn)入 20 世紀(jì)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(fèi)持續(xù)上升，石油 于 20 世紀(jì) 60 年代首次超過煤炭， 第一次 躍居能源的主導(dǎo)地位。 關(guān)鍵詞 : 電能質(zhì)量 ， 風(fēng)力發(fā)電 ， LabVIEW Abstract Facing with increasingly serious energy situation, chemical fuels are depleted, the global energy predicament, forcing countries around the world have to discuss the follow up the issue of energy. Wind power generation due to less investment, Clean pollutionfree, wide distribution of resources a