电能质量及其分析方法综述

为解决上述问题, Gabor 利用加窗, 提出了短时 Fo urier 变换方法, 即将不平稳过程看成是一系列短 时平稳过程的集合, 将 F ourier 变换用于不平稳信 号的分析。由于实际多尺度过程的分析要求时- 频 窗口具有自适应性, 即高频时频窗大、时窗小, 低频 时频窗小、时窗大, 而 ST F T 的时- 频窗口则固定 不变。因此, 它只适合于分析特征尺度大致相同的过 程, 不适合分析多尺度过程和突变过程。而且, 这种 方法的离散形式没有正交展开, 难以实现高效算法。 3. 3. 3 小波变换方法
V o l. 24 No . 2
其动态特性, 因此近年来又提出一种更精确的方法 ——混合谐波潮流计算法[ 3] 。网络仍采用式( 1) 所示 的模型, 非线性负载则用微分方程描述。求解时, 先 设定电压初值, 利用 EM T P 等时域仿真程序对非线 性负载进行仿真计算, 直至稳态, 可得各非线性负载 新的各次谐波电流分量, 形成各次谐波电流矢量, 代 入网络方程求解, 又可得各次谐波节点电压矢量。反 复如上过程, 直至网络方程收敛, 并且所有非线性负 载都处于稳态。这种方法的优点是可详细考虑非线
关键词: 电能质量; 数字仿真; 谐波潮流; 小波变换
中图分类号: T M 714 文献标识码: A
1 引言
随着基于大功率电 力电子开关设备的普及应 用, 它所带来的各种电能质量问题已引起各国电力 工作者的高度重视, 提高电能质量的新技术已成为 近年来电力系统研究领域中新的研究热点[ 1] 。1992 ～1995年, 美国电力研究院( EP RI) 在全国范围内进 行了大规模的电能质量普查, 获得了大量电能质量 数据。与此同时, 国外又兴起了研究“用户特定电力” ( cust om po wer ) 的高潮, 提出利用电力电子控制器 提高配电网供电的可靠性和电能质量。随着计算机 技术的不断发展, 以此为基础的诸如时域仿真、频域 分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术, 已在分析电压/ 电流扰动波形、元件参数对这些扰动 的影响、系统中的谐波以及开发用以解决电能质量 问题的新型电力电子控制器等方面, 得到了广泛应 用。
( 1) 满足采样定理的要求, 即采样频率必须是最 高信号频率的两倍以上;
( 2) 被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变 化的。
因此, 当采样频率或信号不能满足上列条件时, 利用 F FT 分析会产生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象, 给 分析带来误差。此外, 由于 FF T 变换是对整个时间 段的积分, 时间信息得不到充分利用; 信号的任何突 变, 其频谱将散布于整个频带。 3. 3. 2 短时 F ourier 变换方法( ST F T )
3 电能质量分析方法
近年来, 基于数字技术的各种分析方法已在以 下的电能质量领域中得到广泛应用:
( 1) 分析谐波在网络中的传播; ( 2) 分析各种扰动源引起的波形畸变; ( 3) 开发各种电能质量控制装置, 分析它们在解 决电能质量问题方面的作用。 按所采用的不同分析方法, 这种技术主要可分 为时域、频域和变换域3种。 3. 1 时域仿真方法 在3种方法中, 时域仿真方法在电能质量分析中 的应用最为广泛, 其最主要的用途是利用各种时域 仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研 究。目 前 较通 用 的时 域 仿真 程 序 主要 有 EM T P 、 EM T DC、NET OM AC 等 系 统 暂 态 仿 真 程 序 和 SP ICE、P SPICE、SABER 等电力电子仿真程序两大 类。由于电力系统主要由 R、L 、C 等元件组成, 这些 程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时, 通 常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。 利用隐式可保证求解过程中的数值稳定, 采用变阶、 变步长技术可缩短迭代计算的时间。采用时域仿真 计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大 频率范围, 因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖 范围。此外, 在模仿开关的开合过程时, 还会引起数值振 荡。因此, 要采用相应技术以抑制发生数值振荡。 由表1可知, 影响电能质量的暂态现 象根据电
噪声
稳态/ 暂态
持续时间、幅值
波动幅值、出现频率、 调制频率
波形、峰值、 持续时间
上升时间、峰值、 持续时间
幅值、持续时间、 瞬时值/ 时间
幅值、频谱
产生原因 非线性负载、 固态开关负载
不对称负载
调速驱动器
电弧炉、电机起动
线路、负载和 电容器组的投切 闪电电击线路、
感性电路开合 远端发生故障、
电机起动 不正常接地、 固态开关负载
避雷器 避雷器
不间断电源、 动态电压恢复器 正确接地、滤波器
护设备的影响;
( 2) 分析电容器投切造成的暂态现象;
( 3) 分析可控换流器换流造成的电压波形下陷
( not ching ) ;
( 4) 分析电弧炉造成的电压闪变;
( 5) 分析不正常接地引起的电能质量问题;
( 6) 开发改善电能质量的新型电力电子控制器。
量; U1 , U2 , …, Uh , 为负载节点电压各次谐波分量;
C1, …, Ck 为负载控制变量( 逆变器触发角等变量) 。
利用牛顿法联立求解式( 1) ( 2) 即可得各节点谐
波电压。
3. 2. 3 混合谐波潮流计算
由于用以上方法表示的非线性负载仍不能反映
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Po wer System T echno lo gy
( 东南大学电气工程系, 江苏省 南京市 210096)
SURVEY OF POWER QUALITY AND ITS ANALYSIS METHODS
HU M ing , CHEN Heng ( Sout heast U niversit y , Nanjing 210096, China)
ABSTRACT: A lo ng w it h bo th the incr ease of the no n-linear level and the electr onically sw it ched lo ads in pow er systems, t he pow er quality is becoming increasing ly po or . T he main pow er quality pro blems in pow er sy stems ar e systematically summar ized. T he t hr ee digit al analy sis methods based o n time do main, fr equency do main and w avelet tr ansfor m ar e ex pounded respect ively and t he applicat ion o f t hem in elect ricity qua lity study is presented in detail.
Um 为节点电压矢量; m 为谐波次数, 其中, 对应每个
谐波频率的 Ym 都要单独生成。
通过向所需研究的节点注入幅值为1的电流, 其
余节点的注入电流置为零, 求解式( 1) 所得的电压即
为该节点的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻
抗。当注入电流的频率在一定范围内变动时, 可得相
应谐波阻抗- 频率的分布图, 从图中曲线的谷值和 峰值可确定该节点发生串、并联谐振的频率。
小波变换由于具有时- 频局部化的特点, 克服 了以上 FF T 和 ST FT 的缺点, 特别适合于突变信号 和不平稳信号的分析[ 4] 。小波变换作为一种新的数
性负载控制系统的作用, 因此可精确描述其动态特 性。缺点是计算量大, 求解过程复杂。 3. 3 基于变换的方法
基于变换的方法主要指 F ourier 变换方法、短时 Fo urier 变换方法以及近年来出现的小波变换方法。 3. 3. 1 Fourier 变换方法
作为经典的信号分析方法 F ourier 变换具有正 交、完备等许多优点, 而且有象 F FT 这样的快速算 法, 因此, 已在电能质量分析领域中得到广泛应用。 但在运用 F FT 时, 必须满足以下条件:
但在某些情况下, 上述非线性负载模型的误差 较大。因此, 又提出了一种改进方法, 即将非线性负
载电流表示为如式( 2) 所示的负载节点电压和负载 控制变量的函数[ 2] 。
I m= F( U 1, U 2 , …, Uh , C1, …, Ck)
m = 1, 2, …, h
( 2)
式中 I 1 , I 2 , …, I h 为非线性负载电流各次谐波分
2 电能质量
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要
可分稳态和暂态两大类[ 1] 。稳态电能质量问题以波 形畸变为特征, 主要包括谐波、间谐波、波形下陷以 及噪声等; 暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态 持续时间为特征, 可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。
电力系统中各种电能质量扰动的性质、特征指 标、产生原因、后果以及解决方法归纳于表1。
后果
设备过热、继电保护误动、 设备绝缘破坏
设备过热、继电保护误动、 通信干扰
计时器计时 错误、通信干扰
伺服电机运行不正常
设备绝缘破坏、 损坏电力电子设备
设备绝缘破坏
设备停运、敏感负载 不能正常运行
微处理器控制设备 不正常运行
解决方法
有源、无源滤波
静止无功补偿 电容器、
隔离电感器
静止无功补偿 滤波器、隔离变压器、
第22040卷0年第2 月2 期
Po
w
电 网 技 术 er System T echno
lo
gy
VFoelb..2 4 N20o0.02
文章编号: 1000-3673 ( 2000) 02-0036-03
电能质量及其分析方法综述
胡 铭, 陈 珩
备、元件的建模和电力系统的谐波分析。
3. 2 频域分析方法
频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的
分析, 包括频率扫描 、谐波潮流计算等。
3. 2. 1 频率扫描
在谐波分析中, 线性网络可用式( 1) 表示。
Im= YmUm m= 1, 2, …, h
( 1)
式中 Ym 为节点导纳矩阵; Im 为注入电流源矢量;
(1) 计算系统中出现的过电压, 分析其对各种保
表1 电能质量问题一览 Tab. 1 List of power quality problems
类型 谐波
扰动性质 稳态
三相不对称
稳态
特征指标 谐波频谱电压、
电流波形
不平衡因子
陷波
稳态
电压闪变
稳态
谐振暂态
暂态
脉冲暂态
暂态
瞬时电压上升、 瞬时电压下降
暂态
第24卷 第2期
电 百度文库 技 术
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流、电压的波形可分脉冲暂态和振荡暂态两种, 它们 ( sag ) 、和闪变( f lick) 等现象。因此, 利用上列暂态仿
主要是由雷击线路和投切电力设备引起的。此外, 伴 真程序可在如下电能质量领域开展研究:
随 着 暂态 过 程 还 会 出 现 电 压 上 升 ( sw ell ) 、下 降
3. 2. 2 常规谐波潮流计算 利用频域分析法还可进行谐波潮流计算, 从而
分析谐波在系统中的分布情况。
对应每个谐波频率, 从各非线性负载电流中取 出相应的分量组成注入电流矢量, 代入式( 1) 即可求 出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成, 又 可得各节点电压的时域波形。这种方法简单, 适用于 大多数情况, 因此在实际谐波潮流计算中应用较多。
KEY WORDS: pow er quality; dig ital simula tio n; har mo nic load-flow ; w av elet t ransfor m 摘要: 当前电 能质量问 题日益严重, 本文 就电力系 统中存 在 的主要电能质量问题作了系统的归纳, 并对基于时域、频域、 变换 域的三种数 字分析方 法原理及其 各自在电能 质量领 域 中的应用作了详细的阐述。
由于配电系统中电能质量问题的日益严重, 而
广大电力用户对电能质量的要求不断提高, 研究和 应用各种改善电能质量的电力电子控制器已成为当
务之急。利用暂态仿真程序对这些控制器及其控制
策略进行仿真分析, 将成为这些时域仿真程序在电
能质量应用领域中最有发展前途的方法。
此外, 由于 EMT P 等系统暂态仿真程序的不断 发展, 其功能日益强大, 还可利用它们进行电力设