電能質(zhì)量分析方法與控制技術(shù)討論

0引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷及用戶不斷增長(zhǎng);各種復(fù)雜的、精密的，對(duì)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(duì)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(guó)電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢(shì)，具有很強(qiáng)的觀實(shí)意義。

1衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)

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

(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(duì)頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國(guó)對(duì)于該項(xiàng)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?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。

(5) 電壓波動(dòng)和閃變(fluctuation & flicker)：電壓波動(dòng)是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動(dòng)，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(jī)變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對(duì)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(shí)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(shí)間可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和動(dòng)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(kuò)大，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)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(jī)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(duì)諧波的放大作用。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置等因素對(duì)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(fù)荷

在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，非線性負(fù)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(fù)載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的。居民生活負(fù)荷中，熒光燈的伏安特性是嚴(yán)重非線性的，也會(huì)引起嚴(yán)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，同時(shí)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(yùn)行的內(nèi)外故障也會(huì)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(shí)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)裝置中的電力電子設(shè)備的啟動(dòng)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(shí)域仿真法

時(shí)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(shí)域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究。目前較通用的時(shí)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(shí)域仿真計(jì)算的缺點(diǎn)是仿真步長(zhǎng)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(shí)，還會(huì)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(jì)算和混合諧波潮流計(jì)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(jì)算在反映非線性負(fù)載動(dòng)態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計(jì)算法在近些年中發(fā)展起來。其優(yōu)點(diǎn)是可詳細(xì)考慮非線性負(fù)載控制系統(tǒng)的作用，因此可精確描述其動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)是計(jì)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(shí)時(shí)系統(tǒng)中，通常采用短時(shí)Fourier變換方法(STFT)和快速Fourier變換方法(FFT)。

Fourier變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡(jiǎn)單。但其缺點(diǎn)也很多：(1)雖然能夠?qū)⑿盘?hào)的時(shí)域特征和頻域特征聯(lián)系起來觀察，但不能將二者有機(jī)地結(jié)合起來。(2)只能適應(yīng)于確定性的平穩(wěn)信號(hào)(如諧波)，對(duì)時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)難以充分描述。(3)STFT的離散形式?jīng)]有正交展開，難以實(shí)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(shí)間信息利用不充分，任何信號(hào)沖突都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)頻帶的頻譜散布;在不滿足前提條件時(shí)，會(huì)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(jì)算的基礎(chǔ)，它既是高度非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，又是自適應(yīng)組織系統(tǒng)，可用來描述認(rèn)知、決策及控制的智能行為。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。(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(diǎn)是：(1)存在局部極小問題，會(huì)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(shí)域變換方法。該方法的基本原理是用時(shí)間和頻率的雙線性函數(shù)來表示信號(hào)的能量函數(shù)。

二次變換的優(yōu)點(diǎn)是：可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到信號(hào)發(fā)生尖銳變化的時(shí)刻;精確測(cè)量基波和諧波分量的幅值。缺點(diǎn)是：無法準(zhǔn)確地估計(jì)原始信號(hào)的諧波分量幅值;不具有時(shí)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(duì)時(shí)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(diǎn)是：(1)具有時(shí)-頻局部化的特點(diǎn)，特別適合突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)分析。(2)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪、識(shí)別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。缺點(diǎn)是：(1)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)算量較大，需要如DSP等高價(jià)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(huì)占用較多時(shí)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(hào)總是被認(rèn)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(hào)分析。Prony分析的主要缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。

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(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，易于在工程中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被控對(duì)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(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。其缺點(diǎn)是：響應(yīng)有超調(diào)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)解耦控制。常規(guī)的矢量控制方法一般采用DSP進(jìn)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(jiǎn)化算法以縮短實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)間。

(3)模糊邏輯控制：知道被控對(duì)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(shí)域法”設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)模糊信息的表達(dá)和處理方式，對(duì)系統(tǒng)特征進(jìn)行模糊描述，來降低獲取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價(jià)。

(4)非線性魯棒控制：超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 (SMES)實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)受到各種不確定性的影響，因此可通過對(duì)SMES的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯棒模型。對(duì)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(jìn)行控制，也可直接采用魯棒控制理論設(shè)計(jì)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(guó)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(qiáng)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(bǔ)償電容器、靜止無功補(bǔ)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(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等運(yùn)用于中低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，其目的是加強(qiáng)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(dá)MVA級(jí)，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(duì)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(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)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(píng)價(jià)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(shí)，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(jìn)、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(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行和智能化控制。隨著DSP性能的不斷改善和價(jià)格的下降，電能質(zhì)量控制裝置將用DSP來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理從而取代模擬量控制。

5.3對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的新要求

傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器一般局限于持續(xù)性和穩(wěn)定性指標(biāo)的檢測(cè)，而且僅測(cè)有效值已不能精確描述實(shí)際的電能質(zhì)量問題，因此需要發(fā)展新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。具體要求包括：①能捕捉快速(ms級(jí)甚至ns級(jí))瞬時(shí)干擾的波形;②需要測(cè)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(dòng)辯識(shí)系統(tǒng)，反映各種電能質(zhì)量指標(biāo)的特征及其隨時(shí)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(shí)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(huì)逐步滿足電力負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量日益提高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]Dugan R C， Megranghan M F，Benty H W.E1ectrical power systems quality [M].New York：McGrawHill, 1996.

[2]Daubechies I. Ten lectures on wavelets[C]. Philadelphia, Pennsylvania，SIAM Mathematical Analysis, 1992.

[3]Arum Arora,et al. Innovative System Solutions for Power Quality Enhancement[J]. ABB Review, 1998, (3):4-12.

[4]程正興. 小波分析算法與應(yīng)用[M].西安：西安大學(xué)出版社，1998.

[5]何大愚. 用戶電力技術(shù)及柔性交流輸電技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù). 1995，19(12)：59-63.