基于電能質(zhì)量監測的研究分析

1.引言

　　電能質(zhì)量是指通過(guò)公用電網(wǎng)供給用戶(hù)端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應以恒定的頻率、標準正弦波和額定電壓對用戶(hù)供電。同時(shí)，在三相交流系統中，各相電壓和電流的幅值大小應相等、相位對稱(chēng)且相差120度。但由于系統中的發(fā)電機、變壓器和線(xiàn)路等設備非線(xiàn)性或不對稱(chēng)、負荷性質(zhì)多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來(lái)干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)并不存在。因此，產(chǎn)生了電網(wǎng)運行電力設備和供用電環(huán)節中的各種問(wèn)題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。

　　改革開(kāi)放以前，我國工業(yè)水平比較落后，制造業(yè)工藝比較粗糙，高、精、尖方面的先進(jìn)制造業(yè)更是缺乏，因而，諧波引起的影響與危害并不明顯，而電能質(zhì)量問(wèn)題更提不到議事日程。人們普遍認為，只要能保證電網(wǎng)頻率的正常以及保證供電電壓在一定范圍內，就等于保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。另外從我國的電力系統供求關(guān)系來(lái)看，80年代之前處于計劃和短缺經(jīng)濟時(shí)期，有沒(méi)有電供用戶(hù)使用是主要問(wèn)題，自然“電能質(zhì)量”問(wèn)題就無(wú)從談起。

　　隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線(xiàn)性負荷不斷增長(cháng);各種復雜的、精密的，對電能質(zhì)量敏感的用電設備越來(lái)越多。隨著(zhù)計算機技術(shù)的日益普及，大量基于計算機系統的控制設備和電子裝置不僅對供電電能質(zhì)量異常敏感，同時(shí)也加劇了電能質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。

　　電力系統電能質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因[1][2]：

　　(1)電力系統元件存在的非線(xiàn)性問(wèn)題

　　電力系統元件的非線(xiàn)性問(wèn)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。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最大的諧波源。

　　(2)非線(xiàn)性負荷

　　在工業(yè)和生活用電負載中，非線(xiàn)性負載占很大比例，這是電力系統諧波問(wèn)題的主要來(lái)源。電弧爐(包括交流電弧爐和直流電弧爐)是主要的非線(xiàn)性負載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴重非線(xiàn)性引起的。居民生活負荷中，熒光燈的伏安特性是嚴重非線(xiàn)性的，會(huì )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(huì )產(chǎn)生嚴重的諧波電流，對電網(wǎng)造成嚴重污染，同時(shí)也使功率因數降低。

　　(3)電力系統故障

　　電力系統運行的各種故障也會(huì )造成電能質(zhì)量問(wèn)題，如各種短路故障、自然災害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機及勵磁系統的工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設備的啟動(dòng)等都將造成各種電能質(zhì)量問(wèn)題。

　　電能質(zhì)量問(wèn)題不僅僅關(guān)系到用電設備運行的可靠性和安全性，而且還關(guān)系到供用電市場(chǎng)的規范化。它的產(chǎn)生可能來(lái)源于供電方的輸配電系統，也可能來(lái)源于用戶(hù)端的不合理用電，還可能來(lái)源于雷電等自然現象。只有對電能質(zhì)量進(jìn)行有效地監測才會(huì )對問(wèn)題的產(chǎn)生和影響有清楚的認識，這樣才能為電能質(zhì)量的改善﹑供用電雙方的協(xié)調和供用電市場(chǎng)的規范提供真實(shí)依據，以便采取有效的解決措施。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，具有現實(shí)意義。

　　22.電能質(zhì)量監測現狀

　　2.12.1衡量電能質(zhì)量的主要指標

　　由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注電能質(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)指標都有較為一致的認識。主要指標為國家技術(shù)監督局相繼頒布的涉及電能質(zhì)量五個(gè)方面的國家標準，即：供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動(dòng)和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網(wǎng)諧波，以及供電頻率允許偏差等的指標限制。

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

　　(2)頻率偏差(frequencydeviation)：對頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶(hù)而異，各國對于該項偏差標準都有相關(guān)規定。

　　(3)電壓三相不平衡(unbalance)：表現為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過(guò)規定的標準。

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

　　(5)電壓波動(dòng)和閃變(fluctuationflicker)：電壓波動(dòng)是指在包絡(luò )線(xiàn)內的電壓的有規則變動(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變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對照明燈的視覺(jué)影響。

　　此外IEEE第22標準協(xié)調委員會(huì )和其他國際委員會(huì )從電壓幅值和電壓波形兩個(gè)方面采用11種指標來(lái)衡量電能質(zhì)量[3][4]，其中電壓幅值指標包括：斷電(interruption)、電壓下跌(sag)、電壓上升(swell)、瞬時(shí)脈沖(impulse)、電壓波動(dòng)(fluctuation)與閃變(flicker)、電壓切痕(notch)、過(guò)電壓(over-voltage)、欠電壓(under-voltage)、電壓波形指標包括：諧波(harmonic)、間諧波(inter-harmonic)、頻率偏差(frequencydeviation)。

　　2.22.2電能質(zhì)量控制策略與技術(shù)

　　2.2.1幾種電能質(zhì)量控制策略

　?、貾ID控制：這是應用最為廣泛的調節器控制規律，其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便，易于在工程中實(shí)現。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，應用PID控制技術(shù)最為方便。其缺點(diǎn)是：響應有超調，對系統參數攝動(dòng)和抗負載擾動(dòng)能力較差。

　?、诳臻g矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標系(abc)的交流量經(jīng)過(guò)派克變換得到基于旋轉坐標系(dq)的直流量從而實(shí)現解耦控制。常規的矢量控制方法一般采用DSP進(jìn)行處理，具有良好的穩態(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)運算時(shí)間。

　?、勰：壿嬁刂疲褐辣豢貙ο缶_的數學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的"頻域法"和現代控制理論的“時(shí)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(wú)需對系統建立精確的數學(xué)模型。它通過(guò)模擬人的思維和語(yǔ)言中對模糊信息的表達和處理方式，對系統特征進(jìn)行模糊描述，來(lái)降低獲取系統動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價(jià)。

　?、芊蔷€(xiàn)性魯棒控制：超導儲能裝置(SMES)實(shí)際運行時(shí)會(huì )受到各種不確定性的影響，因此可通過(guò)對SMES的確定性模型引入干擾，得到非線(xiàn)性二階魯棒模型。對此非線(xiàn)性模型，既可應用反饋線(xiàn)性化方法使之全局線(xiàn)性化，再利用所有線(xiàn)性系統的控制規