基于電能質量監測的研究分析

1.引言

　　電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的質量。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、標準正弦波和額定電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統中，各相電壓和電流的幅值大小應相等、相位對稱且相差120度。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱、負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態并不存在。因此，產生了電網運行電力設備和供用電環節中的各種問題，也就產生了電能質量的概念。

　　改革開放以前，我國工業水平比較落后，制造業工藝比較粗糙，高、精、尖方面的先進制造業更是缺乏，因而，諧波引起的影響與危害并不明顯，而電能質量問題更提不到議事日程。人們普遍認為，只要能保證電網頻率的正常以及保證供電電壓在一定范圍內，就等于保證了電網的電能質量。另外從我國的電力系統供求關系來看，80年代之前處于計劃和短缺經濟時期，有沒有電供用戶使用是主要問題，自然“電能質量”問題就無從談起。

　　隨著國民經濟的發展，科學技術的進步和生產過程的高度自動化，電網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。

　　電力系統電能質量問題的產生主要有以下幾個原因[1][2]：

　　(1)電力系統元件存在的非線性問題

　　電力系統元件的非線性問題主要包括：發電機產生的諧波;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)非線性負荷

　　在工業和生活用電負載中，非線性負載占很大比例，這是電力系統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，對電網造成嚴重污染，同時也使功率因數降低。

　　(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、電網故障時發電機及勵磁系統的工作狀態的改變、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。

　　電能質量問題不僅僅關系到用電設備運行的可靠性和安全性，而且還關系到供用電市場的規范化。它的產生可能來源于供電方的輸配電系統，也可能來源于用戶端的不合理用電，還可能來源于雷電等自然現象。只有對電能質量進行有效地監測才會對問題的產生和影響有清楚的認識，這樣才能為電能質量的改善﹑供用電雙方的協調和供用電市場的規范提供真實依據，以便采取有效的解決措施。在這樣的環境下，探討電能質量領域的相關理論及其控制技術，分析我國電能質量管理和控制的發展趨勢，具有現實意義。

　　22.電能質量監測現狀

　　2.12.1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督局相繼頒布的涉及電能質量五個方面的國家標準，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。

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

　　(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為諧波。含有基波非整數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次諧波也屬于間諧波。

　　(5)電壓波動和閃變(fluctuationflicker)：電壓波動是指在包絡線內的電壓的有規則變動，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。

　　此外IEEE第22標準協調委員會和其他國際委員會從電壓幅值和電壓波形兩個方面采用11種指標來衡量電能質量[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)、瞬時脈沖(impulse)、電壓波動(fluctuation)與閃變(flicker)、電壓切痕(notch)、過電壓(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電能質量控制策略與技術

　　2.2.1幾種電能質量控制策略

　　①PID控制：這是應用最為廣泛的調節器控制規律，其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，易于在工程中實現。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，對系統參數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)的交流量經過派克變換得到基于旋轉坐標系(dq)的直流量從而實現解耦控制。常規的矢量控制方法一般采用DSP進行處理，具有良好的穩態性能與暫態性能。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學模型是使用經典控制理論的"頻域法"和現代控制理論的“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，無需對系統建立精確的數學模型。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，對系統特征進行模糊描述，來降低獲取系統動態和靜態特征量付出的代價。

　　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的控制規