電能質(zhì)量分析方法與控制技術(shù)討論

0引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步和生產(chǎn)過程的高度自動化，電網(wǎng)中各種非線性負荷及用戶不斷增長;各種復(fù)雜的、精密的，對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來越多。上述兩方面的矛盾越來越突出，用戶對電能質(zhì)量的要求也更高，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及其控制技術(shù)，分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢，具有很強的觀實意義。

1衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)

由于所處立場不同，關(guān)注或表征電能質(zhì)量的角度不同，人們對電能質(zhì)量的定義還未能達成完全的共識，但是對其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認識。

(1) 電壓偏差(voltage deviation)：是電壓下跌(電壓跌落)和電壓上升(電壓隆起)的總稱。

(2) 頻率偏差(friquency deviation)：對頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國對于該項偏差標(biāo)準(zhǔn)都有相關(guān)規(guī)定。

(3) 電壓三相不平衡(unbalance)：表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 諧波和間諧波(harmonics inter-hamonics)：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數(shù)次諧波也屬于間諧波。

(5) 電壓波動和閃變(fluctuation flicker)：電壓波動是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

2電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生

2.1電能質(zhì)量問題的定義和分類

電能質(zhì)量問題是眾多單一類型電力系統(tǒng)干擾問題的總稱，其實質(zhì)是電壓質(zhì)量問題。電能質(zhì)量問題按產(chǎn)生和持續(xù)時間可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和動態(tài)電能質(zhì)量問題。

2.2電能質(zhì)量問題產(chǎn)生原因分析

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個原因。

2.2.1電力系統(tǒng)元件存在的非線性問題

電力系統(tǒng)元件的非線性問題主要包括：發(fā)電機產(chǎn)生的諧波;變壓器產(chǎn)生的諧波;直流輸電產(chǎn)生的諧波;輸電線路(特別是超高壓輸電線路)對諧波的放大作用。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補償裝置等因素對諧波的影響。其中，直流輸電是目前電力系統(tǒng)最大的諧波源。

2.2.2非線性負荷

在工業(yè)和生活用電負載中，非線性負載占很大比例，這是電力系統(tǒng)諧波問題的主要來源。電弧爐(包括交流電弧爐和直流電弧爐)是主要的非線性負載，它的諧波主要是由起弧的時延和電弧的嚴重非線性引起的。居民生活負荷中，熒光燈的伏安特性是嚴重非線性的，也會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高。大功率整流或變頻裝置也會產(chǎn)生嚴重的諧波電流，對電網(wǎng)造成嚴重污染，同時也使功率因數(shù)降低。

2.2.3電力系統(tǒng)故障

電力系統(tǒng)運行的內(nèi)外故障也會造成電能質(zhì)量問題，如各種短路故障、自然現(xiàn)象災(zāi)害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設(shè)備的啟動等都將造成各種電能質(zhì)量問題。

3電能質(zhì)量分析方法

3.1時域仿真法

時域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進行研究。目前較通用的時域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和SPICE、PSPICE、SABER等電力電子仿真程序。

采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開關(guān)的開合過程時，還會引起數(shù)值振蕩。

3.2頻域分析法

頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，該方法多用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析。

頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線性負載動態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發(fā)展起來。其優(yōu)點是可詳細考慮非線性負載控制系統(tǒng)的作用，因此可精確描述其動態(tài)特性。缺點是計算量大，求解過程復(fù)雜。

3.3基于變換的方法

在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于變換的方法主要有Fourier變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。

3.3.1Fourier變換

Fourier變換是電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中的基本方法，在實時系統(tǒng)中，通常采用短時Fourier變換方法(STFT)和快速Fourier變換方法(FFT)。

Fourier變換的優(yōu)點是算法快速簡單。但其缺點也很多：(1)雖然能夠?qū)⑿盘柕臅r域特征和頻域特征聯(lián)系起來觀察，但不能將二者有機地結(jié)合起來。(2)只能適應(yīng)于確定性的平穩(wěn)信號(如諧波)，對時變非平穩(wěn)信號難以充分描述。(3)STFT的離散形式?jīng)]有正交展開，難以實現(xiàn)高效算法;只適合于分析特征尺度大致相同的過程，不適合分析多尺度過程和突變過程。(4)FFT變換的時間信息利用不充分，任何信號沖突都會導(dǎo)致整個頻帶的頻譜散布;在不滿足前提條件時，會產(chǎn)生“旁瓣”和“頻譜泄露”現(xiàn)象。

3.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是巨量信息并行處理和大規(guī)模平行計算的基礎(chǔ)，它既是高度非線性動力學(xué)系統(tǒng)，又是自適應(yīng)組織系統(tǒng)，可用來描述認知、決策及控制的智能行為。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點是：(1)可處理多輸入-多輸出系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等特點。(2)不必建立精確數(shù)學(xué)模型，只考慮輸入輸出關(guān)系即可。缺點是：(1)存在局部極小問題，會出現(xiàn)局部收斂，影響系統(tǒng)的控制精度;(2)理想的訓(xùn)練樣本提取困難，影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和訓(xùn)練質(zhì)量;(3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化。

3.3.3二次變換法

二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法。該方法的基本原理是用時間和頻率的雙線性函數(shù)來表示信號的能量函數(shù)。

二次變換的優(yōu)點是：可以準(zhǔn)確地檢測到信號發(fā)生尖銳變化的時刻;精確測量基波和諧波分量的幅值。缺點是：無法準(zhǔn)確地估計原始信號的諧波分量幅值;不具有時域分析功能。

3.3.4小波分析法

小波變換是新的多尺度分析數(shù)字技術(shù)，它通過對時間序列過程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過程變化的整體特征和局部變化行為。常用的小波基函數(shù)有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波Meyer小波等。

小波變換的優(yōu)點是：(1)具有時-頻局部化的特點，特別適合突變信號和不平穩(wěn)信號分析。(2)可以對信號進行去噪、識別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。缺點是：(1)在實時系統(tǒng)中運算量較大，需要如DSP等高價格的高速芯片。(2)小波分析有“邊緣效應(yīng)”，邊界數(shù)據(jù)處理會占用較多時間，并帶來一定誤差。

3.3.5Prony分析法

Prony分析衰減的思想類似于小波。在該方法中，信號總是被認為可以由一系列的衰減的正弦波構(gòu)成，這些衰減正弦波類似于小波函數(shù)。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號分析。Prony分析的主要缺點是計算時間過長。

4電能質(zhì)量的控制策略與技術(shù)

4.1幾種電能質(zhì)量控制策略

(1)PID控制：這是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，易于在工程中實現(xiàn)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。其缺點是：響應(yīng)有超調(diào)，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和抗負載擾動能力較差。

(2)空間矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規(guī)的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標(biāo)系(abc)的交流量經(jīng)過派克變換得到基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)的直流量從而實現(xiàn)解耦控制。常規(guī)的矢量控制方法一般采用DSP進行處理，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能。也可采用簡化算法以縮短實時運算時間。

(3)模糊邏輯控制：知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的頻域法和現(xiàn)代控制理論的“時域法”設(shè)計控制器的前提條件。模糊控制作為一種新的智能控制方法，無需對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。它通過模擬人的思維和語言中對模糊信息的表達和處理方式，對系統(tǒng)特征進行模糊描述，來降低獲取系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價。

(4)非線性魯棒控制：超導(dǎo)儲能裝置 (SMES)實際運行時會受到各種不確定性的影響，因此可通過對SMES的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯棒模型。對此非線性模型，既可應(yīng)用反饋線性化方法使之全局線性化，再利用所有線性系統(tǒng)的控制規(guī)律進行控制，也可直接采用魯棒控制理論設(shè)計控制器。

4.2FACTS技術(shù)

FACTS，即基于電力電子控制技術(shù)的靈活交流輸電，是上世紀(jì)80年代末期由美國電力研究院(EPRI)提出的。它通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來靈活控制系統(tǒng)潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩(wěn)極限。采用FACTS技術(shù)的核心目的是加強交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力。

目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯(lián)補償電容器、靜止無功補償器、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器、統(tǒng)一潮流控制器等。

4.3用戶電力(Custom Power)技術(shù)

用戶電力技術(shù)就是將電力電子技術(shù)、微處理機技術(shù)、自動控制技術(shù)等運用于中低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，其目的是加強配電系統(tǒng)的供電可靠性，并減小諧波畸變，改善電能質(zhì)量。該技術(shù)的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應(yīng)特性。

用戶電力技術(shù)概念的提出，有助于供電部門提供高可靠性和高質(zhì)量的電力，也有助于滿足各種新工藝用戶對電力供應(yīng)的更高要求。目前主要的DFACTS裝置有：有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止無功補償器(D-STATCOM)、固態(tài)切換開關(guān)(SSTS)等。

5電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向

5.1研究電能質(zhì)量分析控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作

一方面要深入探索電能質(zhì)量領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究工作，包括電能質(zhì)量的定義、評價標(biāo)準(zhǔn)與體系，電能質(zhì)量問題的表現(xiàn)形式、影響因素、防治方法等。同時，積極研究電能質(zhì)量控制的新方法、新技術(shù)和新策略，將更為先進、科學(xué)的控制理念和控制思想借鑒到電能質(zhì)量管理領(lǐng)域。

5.2推廣使用數(shù)字化電能質(zhì)量控制技術(shù)

以DSP為基礎(chǔ)的實時數(shù)字信號處理技術(shù)在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點為：①可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和靈活性;②由程序控制，改變控制方法或算法時不必改變控制電路;③可重復(fù)性好，易調(diào)試和批量生產(chǎn);④易實現(xiàn)并聯(lián)運行和智能化控制。隨著DSP性能的不斷改善和價格的下降，電能質(zhì)量控制裝置將用DSP來實現(xiàn)實時信號處理從而取代模擬量控制。

5.3對電能質(zhì)量檢測技術(shù)的新要求

傳統(tǒng)的檢測儀器一般局限于持續(xù)性和穩(wěn)定性指標(biāo)的檢測，而且僅測有效值已不能精確描述實際的電能質(zhì)量問題，因此需要發(fā)展新的監(jiān)測技術(shù)。具體要求包括：①能捕捉快速(ms級甚至ns級)瞬時干擾的波形;②需要測量各次諧波以及間諧波的幅值、相位;③需要有足夠高的采樣速率，以便能和得相當(dāng)高次諧波的信息。④建立有效的分析和自動辯識系統(tǒng)，反映各種電能質(zhì)量指標(biāo)的特征及其隨時間的變化規(guī)律。

5.4大力發(fā)展應(yīng)用新技術(shù)

電力電子技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，F(xiàn)ACTS、CusPow等新技術(shù)更是為解決電能質(zhì)量問題開拓了廣闊的前景，同時一些非電力電子技術(shù)的發(fā)展也很迅猛，將這些技術(shù)融合發(fā)展，并合理使用、大力推廣，必然會逐步滿足電力負荷對電能質(zhì)量日益提高的要求。

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