浅谈电能质量分析与控制技术

浅谈电能质量分析与控制技术

发表时间：2015-12-01T10:21:03.807Z 来源：《基层建设》2015年17期供稿作者：黄志威

[导读] 广东电网有限责任公司东莞供电局电网中各种非线性负荷及用户不断增长，各种精密的、复杂的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。

黄志威

广东电网有限责任公司东莞供电局 523000

摘要：笔者现从事的电测试验工作包括电能质量测试分析，本文阐述了电能质量的基本理论、分析研究方法以及相关的控制技术等内容，旨在与同行探究共同学习进步。

关键词：电能质量；分析方法；控制技术

随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化。电网中各种非线性负荷及用户不断增长，各种精密的、复杂的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。上述两方面矛盾越来越突出，用户对电能质量的要求也更高。

（一）电能质量的定义

因为人们看问题的角度不同，所以目前为止对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识。还未有一个准确统一的定义。通常认为，电能质量是指电网线路中电能的好坏程度，其内容包括电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、暂时或瞬态过压、谐波、波形畸变、三相不平衡、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。[1]

（二）电能质量问题的产生

1.电能质量问题的定义和分类

电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称。电能质量问题按产生和持续时间可分为动态电能质量问题和稳态电能质量问题。

2.电能质量问题产生原因分析

1.电力系统故障

电力系统运行的内外故障也会造成电能质量问题。如各种短路故障、人为误操作、自然现象灾害、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变，故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。

2 .电力系统元件存在的非线性问题

电力系统元件的非线性问题主要包括：发电机产生的谐波，直流输电产生的谐波，变压器产生的谐波，输电线路（特别是超高压输电线路）对谐波的放大作用。另外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中直流输电是当前电力系统最大的谐波源。

3.非线性负荷

在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉（包括直流电弧炉和交流电弧炉）是主要的非线性负载。它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。[2]

（三）电能质量分析方法

1.频域分析法

频域分析方法主要包括谐波潮流计算、频率扫描以及混合谐波潮流计算等，该方法多用于电能质量中谐波问题的分析。频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，所以混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。其优点是可详细考虑非线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。

2.时域仿真法

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。当前较通用的时域仿真程序有EMTP、NETOMAC、EMTDC、等系统暂态仿真程序和PSPICE、SPICE、SABER等电力电子仿真程序。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。另外在模仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。

3.神经网络法

神经网络理论是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础。它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。

神经网络法的优点是：（1）不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。（2）可处理多输入-多输出系统，具有自学习、自适应等特点。缺点是：（1）网络结构不易优化。（2）存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度。（3）理想的训练样本提取困难，影响网络的训练速度和训练质量。

4.二次变换法

二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。该方法的基本原理是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。二次变换的优点是：可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻，精确测量基波和谐波分量的幅值。缺点是：无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，不具有时域分析功能。[3]

（四）电能质量的控制与技术

1.用户电力技术

用户电力技术就是将微处理机技术、电力电子技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统和用电系统中，其目的是加强配电系统的供电可靠性，并减小谐波畸变，改善电能质量。该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级。因此DFACTS装置具有更快的响应特性。用户电力技术概念的提出，有助于供电部门提供高可靠性和高质量的电力，也有助于满足各种新工艺

用户对电力供应的更高要求。当前主要的DFACTS装置有：动态电压恢复器（DVR）、有源滤波器（APF）、配电系统用静止无功补偿器（D－STATCOM）、固态切换开关（SSTS），500kV东莞变电站的STATCOM工程也属于此类控制技术。

2.几种电能质量控制策略

PID控制：这是应用最为广泛的调节器控制规律，其结构简单、工作可靠、稳定性好、调整方便，易于在工程中实现。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。其缺点是：响应有超调，对系统参数摄动和抗负载扰动能力较差。空间矢量控制：空间矢量控制也是一种较为常规的控制方法。其原理是：将基于三相静止坐标系的交流量经过派克变换得到基于旋转坐标系的直流量从而实现解耦控制。常规的矢量控制方法一般采用DSP进行处理，具有良好的稳态性能与暂态性能。也可采用简化算法以缩短实时运算时间。

3.FACTS技术

FACTS，即基于电力电子控制技术的灵活交流输电，是上世纪80年代末期由美国电力研究院（EPRI）提出的。它通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使输送容量更接近线路的热稳极限。采用FACTS技术的核心目的是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力。当前有代表性的FACTS装置主要有：静止无功补偿器、可控串联补偿电容器、晶闸管控制的串联投切电容器、统一潮流控制器等。笔者曾参与对专供钢铁厂用户的10kV馈线进行电能质量测试，发现其机组启动瞬间谐波含量非常大，严重影响我市电网稳定运行，后敦促钢铁厂加装消谐装置得以改善。[4]

（五）电能质量的分析与控制技术对检测技术的新要求

传统的检测仪器一般只局限于稳定性和持续性指标的检测，而且仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题。所以新的检测技术要达到如下的具体要求：

1.建立有效的分析和自动辩识系统，反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。

2.能捕捉快速（ms级甚至ns级）瞬时干扰的波形。

3.需要测量各次谐波及间谐波的幅值、相位。

4.需要有足够高的采样速率，以便能获得相当高次谐波的信息。[5]

结语：

随着电能质量问题的日益严重而广大用户对电能质量要求的不断提高，有关电能质量问题的研究将会不断深入。相应的时域仿真、谐波潮流计算、STFT以及近年来新出现的小波变换等各种分析方法将会随着计算机技术的不断发展在电能质量研究领域中得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]树平，马运荣．论变电站自动化技术发展现状及定义，2000，（10）

[2]永海.电能质量问题剖析.电网技术，2001（3）.

[3].电能质量讲座第二讲20世纪末对电能质量分析方法（4）.

[4]浩忠，吴浩著．电力控制与技术 .出版社.2003

[5]何大愚.用户电力技术及其新要求 .网技术.1995，19（12）：59-63．