電能質(zhì)量數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)

張紅 孫鵬 郭彥春

摘 要：近年來，非線性電子控件和以微處理器為基礎(chǔ)設(shè)備的負(fù)載器件被廣泛使用，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了越來越多的電壓擾動(dòng)，電子電子設(shè)備的使用會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)，引起諧波、電壓下降、電壓上升、電壓中斷、閃變和波形失真等電能質(zhì)量（PQ powder quality）問題，該文將電能質(zhì)量擾動(dòng)信號可以分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種類型，以這兩種擾動(dòng)類型為基礎(chǔ)，構(gòu)建出電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、脈沖干擾、振蕩暫態(tài)等暫態(tài)波形和含有不同諧波的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 模型 分類 構(gòu)建

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）0178-01

電力系統(tǒng)中電子器件的增加導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性提高和現(xiàn)代電力系統(tǒng)負(fù)載靈敏度的提高，這使得PQ問題變得越來越嚴(yán)重并在電網(wǎng)運(yùn)行中日益突顯出來。對電能質(zhì)量進(jìn)行檢測，能夠使研究人員獲得系統(tǒng)參數(shù)[1]，可以從整體把握電能質(zhì)量基本水平，以此了解電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，為研究高效的電能質(zhì)量做基礎(chǔ)[2]。

1 電能質(zhì)量的分類

PQ問題大體上可以分為兩部分：暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)PQ問題。該文將主要給出暫態(tài)信號數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)態(tài)信號數(shù)學(xué)模型的定義、公式。

在實(shí)際的檢測應(yīng)用研究中，電網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電力信號為正弦信號，為了研究方便一般情況下都會(huì)將幅值做歸一化處理，其頻率為。在PQ檢測分析中的擾動(dòng)實(shí)質(zhì)上是歸一化后的正弦信號發(fā)生畸變，引起波形上下無規(guī)律的短時(shí)間的波動(dòng)，該文按照實(shí)踐中的擾動(dòng)數(shù)據(jù)信息對其建立數(shù)學(xué)模型，從而直觀的表現(xiàn)出這些擾動(dòng)。

2 暫態(tài)模型

在PQ問題的研究中，暫態(tài)擾動(dòng)（Transient Disturbance，TD）模型主要涵蓋了電壓暫降（Voltage Sag，VSG）、電壓暫升（Voltage Swell，VSW）、電壓中斷（Voltage Interruption，VI）、振蕩暫態(tài)（Transient Oscillation，TO）以及脈沖干擾（Impulse Interference，IPI）這幾種模型[3]。

2.1 電壓暫降

電壓暫降VSG是指電力電壓在標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境下，受到外界干擾時(shí)其電壓幅值在極短的時(shí)間內(nèi)迅速下降，一般VSG值是標(biāo)準(zhǔn)幅值的0.1～0.9倍，下降持續(xù)時(shí)間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動(dòng)現(xiàn)象。電壓暫降產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)機(jī)械故障，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障、大容量電機(jī)的啟動(dòng)和負(fù)載突增也會(huì)導(dǎo)致電壓暫降，數(shù)學(xué)模型如下所示：

（1）

公式（1）中，為擾動(dòng)開始時(shí)間值；為擾動(dòng)結(jié)束時(shí)間值。

2.2 電壓暫升

電壓暫升VSW是指電力電壓在標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境下，受到外界干擾時(shí)其電壓幅值在極短的時(shí)間內(nèi)迅速上升，一般VSV值是標(biāo)準(zhǔn)幅值的1.1～1.8倍，下降持續(xù)時(shí)間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動(dòng)現(xiàn)象。其數(shù)學(xué)模型為：

（2）

2.3 電壓中斷

電壓中斷VI是指工作電壓在極短的時(shí)間內(nèi)降低到標(biāo)準(zhǔn)幅值的0～0.1倍，并且中斷時(shí)間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動(dòng)現(xiàn)象。它是一種短時(shí)間的擾動(dòng)現(xiàn)象，因此VI擾動(dòng)的原因可能為電網(wǎng)內(nèi)部系統(tǒng)出現(xiàn)故障，負(fù)載等大型電機(jī)出現(xiàn)故障或者部分設(shè)備失去控制而引起的系統(tǒng)失靈等，這些都會(huì)引起VI擾動(dòng)。數(shù)學(xué)模型為：

2.4 脈沖干擾

脈沖干擾IPI是帶有突然性的以及被正常電壓頻率以外的頻率干擾下引起的正常電壓波動(dòng)的具有單極性的一種擾動(dòng)。一般情況下地球會(huì)按照的頻率產(chǎn)生閃電雷鳴等自然現(xiàn)象，這種電磁波對電能信號會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，這種干擾波也會(huì)隨之傳播到更遠(yuǎn)的地方。其數(shù)學(xué)模型為：

2.5 振蕩暫態(tài)

振蕩暫態(tài)TO產(chǎn)生的原因與脈沖干擾IPI較為相似，唯一的區(qū)別是IPI是單極性的，而TO是雙極性的[2]。高頻振蕩多為脈沖引起的，低頻振蕩一般是由于電網(wǎng)中出現(xiàn)不必要的故障而引起的，其危害系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻振蕩。其數(shù)學(xué)模型為：

3 穩(wěn)態(tài)模型

公用電網(wǎng)諧波數(shù)學(xué)模型不但含有穩(wěn)定的基波還有多次諧波，還可能含有穩(wěn)態(tài)的瞬時(shí)諧波，下面對典型的諧波類型進(jìn)行擾動(dòng)建模[4]。

（1）諧波a：表示為基波信號與各次諧波信號的線性組合，信號擾動(dòng)模型為：

（6）

（2）諧波b：含有指數(shù)規(guī)律衰減的高次諧波，即在正弦波的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)按指數(shù)規(guī)律衰減的高次諧波，其數(shù)學(xué)模型為：

（3）諧波c：帶有突變點(diǎn)的諧波擾動(dòng)信號，信號擾動(dòng)數(shù)學(xué)模型為：

4 結(jié)語

該文通過數(shù)學(xué)方法來構(gòu)造擾動(dòng)信號模型，并將PQ問題具體化分別從兩大類建立模型。暫態(tài)模型主要是以擾動(dòng)時(shí)間短、電壓信號污染范圍小、具有典型特點(diǎn)的一類擾動(dòng)信號。穩(wěn)態(tài)問題的研究主要為諧波對電能質(zhì)量的干擾。

參考文獻(xiàn)

[1] 林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（10）：5-12.

[2] 劉銳銳.暫時(shí)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[3] 趙騰.風(fēng)電機(jī)組諧波分析及控制[J].風(fēng)能，2011，3（1）：63-66.

[4] 張錚.基于小波變換的電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)識(shí)別方法的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2012.