電能質量控制與分析方法

王良之 湯志平 薛順偉

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術的進步和生產過程的高度自動化，電網(wǎng)中各種非線性負荷不斷增長；各種復雜的、精密的，對電能質量敏感的用電設備越來越多。隨著計算機技術的日益普及，大量基于計算機系統(tǒng)的控制設備和電子裝置不僅對供電電能質量異常敏感，同時也加劇了電能質量的進一步惡化。

一、電力系統(tǒng)電能質量問題的產生主要有以下幾個原因

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)電機產生的諧波；變壓器產生的諧波；直流輸電產生的諧波。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.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，會引起較為嚴重的諧波電流，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。

3.電力系統(tǒng)故障。電力系統(tǒng)運行的各種故障也會造成電能質量問題，如各種短路故障、自然災害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設備的啟動等都將造成各種電能質量問題。

衡量電能質量的主要指標：由于所處立場不同，關注電能質量的角度不同，人們對電能質量的定義還未能達成完全的共識，但是對其主要技術指標都有較為一致的認識。主要指標為國家技術監(jiān)督局相繼頒布的涉及電能質量六個方面的國家標準，即：供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網(wǎng)諧波，暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓以及供電頻率允許偏差等的指標限制。

二、電能質量控制策略與技術

1.PID控制。這是應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律，其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便，易于在工程中實現(xiàn)。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，應用PID 控制技術最為方便。其缺點是：響應有超調，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?？臻g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系（abc）的交流量經(jīng)過派克變換得到基于旋轉坐標系（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計控制器。

5.FACTS技術。FACTS，即基于電力電子控制技術的靈活交流輸電，是上世紀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。

6.用戶電力（Custom Power）技術。用戶電力技術就是將電力電子技術、微處理機技術、自動控制技術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，改善電能質量。該技術的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性。

三、電能質量分析方法

電力系統(tǒng)中的各種擾動引起的電能質量問題主要可分為穩(wěn)態(tài)事件和暫態(tài)事件兩大類。穩(wěn)態(tài)電能質量問題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)事件通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類。

電能質量的分析方法主要有時域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。

1.時域仿真法。時域仿真方法在電能質量分析中的應用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序對電能質量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進行研究。對于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關電能質量暫態(tài)問題，由于其持續(xù)時間短、發(fā)生時間不確定、對頻域分析提出了較高的要求，較多采用時域仿真方法。

2.頻域分析法。頻域分析方法主要用于電能質量穩(wěn)態(tài)問題。比如諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡等。相對于暫態(tài)問題，此類事件具有變化相對較慢、持續(xù)事件較長等特點。對稱分量法是最常用的方法。它的優(yōu)點是概念清晰、建模簡單、算法成熟，但耗時長。

3.基于變換的方法。在電能質量分析領域中廣泛應用的基于變換的方法主要有復立葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡、二次變換、小波變換和Prony分析等5 種方法。

（1）傅立葉變換。傅立葉變換是電能質量分析領域中的基本方法，傅立葉變換的優(yōu)點是算法快速簡單，但其缺點也很多。傅立葉變換是經(jīng)典的頻譜分析和信號處理方法。其對含有短時高頻分量與長時間低頻分量的電能質量信號分析具有一定的局限性。目前經(jīng)改進的快速傅立葉變換（FFT）和（STFT）已經(jīng)成為電能質量分析的基礎。

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

神經(jīng)網(wǎng)絡法的優(yōu)點是：可處理多輸入－多輸出系統(tǒng)，具有自學習、自適應等特點；不必建立精確數(shù)學模型，只考慮輸入輸出關系即可。缺點是：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；理想的訓練樣本提取困難，影響網(wǎng)絡的訓練速度和訓練質量；網(wǎng)絡結構不易優(yōu)化。

（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：無法準確地估計原始信號的諧波分量幅值；不具有時域分析功能。

（4）小波分析法。小波變換是近年來興起的一種算法，由于具有時域局部化的優(yōu)點，特別適合于突變信號和不確定信號的分析。目前國內外已經(jīng)有許多文獻應用小波變換對諧波監(jiān)測、電磁暫態(tài)波形分析、電力系統(tǒng)擾動建模等電能質量問題進行了研究。

小波變換的優(yōu)點是：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；可以對信號進行去噪、識別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。缺點是：在實時系統(tǒng)中運算量較大，需要采用DSP等高價格的高速芯片； 小波分析有“邊緣效應”，邊界數(shù)據(jù)處理會占用較多時間，并帶來一定誤差。

（5）Prony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。

電能質量分析及其監(jiān)測是一個較復雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計算機技術和網(wǎng)絡技術為電能質量分析與監(jiān)測所用，都是應注意的問題。同時電能質量監(jiān)測的發(fā)展趨勢對監(jiān)測系統(tǒng)在功能上提出了更高的要求，也表明這一應用領域的研究需要多種技術的相互融合和各個領域的密切合作。

（作者單位：四川省電力公司西昌電業(yè)局 四川省喜德供電公司）