電能質(zhì)量問題概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷及用戶不斷增長;各種復(fù)雜的、精密的，對電能質(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)，分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢，具有很強的觀實意義。

1衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)

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

(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)：對頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國對于該項偏差標(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) 電壓波動和閃變(fluctuation & flicker)：電壓波動是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)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(jī)變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

(6) 瞬變 用電系統(tǒng) 干擾設(shè)備的安全運行 "電壓和電流在瞬態(tài)下發(fā)生的變化，瞬時態(tài)是指瞬流持續(xù)的時間非常之短，它可以在數(shù)億分之一秒內(nèi)完成從迸發(fā)到消失的過程。

(7)電表 電表轉(zhuǎn)速加快，瞬流會嚴(yán)重地影響感性電度表表盤的作用力矩和轉(zhuǎn)速，使表盤發(fā)生階躍式地轉(zhuǎn)快。其結(jié)果，它會導(dǎo)致電度表對一個系統(tǒng)總的用電量的過度計量，此種過度計量，最高幅度可達(dá)30%。

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)時間可分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題和動態(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)對諧波的放大作用。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。

2.2.2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產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，同時也使功率因數(shù)降低。

2.2.3電力系統(tǒng)故障

電力系統(tǒng)運行的內(nèi)外故障也會造成電能質(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)故障時發(fā)電機(jī)及勵磁系統(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)備的啟動等都將造成各種電能質(zhì)量問題

電能質(zhì)量分析方法

3.1時域仿真法

時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。

采用時域仿真計算的缺點是仿真步長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，還會引起數(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、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，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算在反映非線性負(fù)載動態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發(fā)展起來。其優(yōu)點是可詳細(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態(tài)特性。缺點是計算量大，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，在實時系統(tǒng)中，通常采用短時Fourier變換方法(STFT)和快速Fourier變換方法(FFT)。

Fourier變換的優(yōu)點是算法快速簡單。但其缺點也很多：(1)雖然能夠?qū)⑿盘柕臅r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(如諧波)，對時變非平穩(wěn)信號難以充分描述。(3)STFT的離散形式?jīng)]有正交展開，難以實現(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變換的時間信息利用不充分，任何信號沖突都會導(dǎo)致整個頻帶的頻譜散布;在不滿足前提條件時，會產(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)模平行計算的基礎(chǔ)，它既是高度非線性動力學(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。(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。缺點是：(1)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;(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(zhǔn)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(zhǔn)確地估計原始信號的諧波分量幅值;不具有時域分析功能。

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)，它通過對時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)點是：(1)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。(2)可以對信號進(jìn)行去噪、識別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。缺點是：(1)在實時系統(tǒng)中運算量較大，需要如DSP等高價格的高速芯片。(2)小波分析有“邊緣效應(yīng)”，邊界數(shù)據(jù)處理會占用較多時間，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分析。Prony分析的主要缺點是計算時間過長。