电能质量控制与分析方法

王良之 汤志平 薛顺伟

随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。随着计算机技术的日益普及，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。

一、电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因

1.电力系统元件存在的非线性问题。电力系统元件的非线性问题主要包括：发电机产生的谐波；变压器产生的谐波；直流输电产生的谐波。此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中，直流输电是目前电力系统最大的谐波源。

2.非线性负荷。在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉（包括交流电弧炉和直流电弧炉）是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，会引起较为严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。

3.电力系统故障。电力系统运行的各种故障也会造成电能质量问题，如各种短路故障、自然灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。

衡量电能质量的主要指标：由于所处立场不同，关注电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。主要指标为国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量六个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，暂时过电压和瞬态过电压以及供电频率允许偏差等的指标限制。

二、电能质量控制策略与技术

1.PID控制。这是应用最为广泛的调节器控制规律，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，易于在工程中实现。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID 控制技术最为方便。其缺点是：响应有超调，对系统参数摄动和抗负载扰动能力较差。

2.空间矢量控制。空间矢量控制也是一种较为常规的控制方法。其原理是：将基于三相静止坐标系（abc）的交流量经过派克变换得到基于旋转坐标系（dq）的直流量从而实现解耦控制。常规的矢量控制方法一般采用DSP 进行处理，具有良好的稳态性能与暂态性能。也可采用简化算法以缩短实时运算时间。

3.模糊逻辑控制。知道被控对象精确的数学模型是使用经典控制理论的“频域法”和现代控制理论的“时域法”设计控制器的前提条件。模糊控制作为一种新的智能控制方法，无需对系统建立精确的数学模型。它通过模拟人的思维和语言中对模糊信息的表达和处理方式，对系统特征进行模糊描述，来降低获取系统动态和静态特征量付出的代价。

4.非线性鲁棒控制。超导储能装置 （SMES）实际运行时会受到各种不确定性的影响，因此可通过对SMES的确定性模型引入干扰，得到非线性二阶鲁棒模型。对此非线性模型，既可应用反馈线性化方法使之全局线性化，再利用所有线性系统的控制规律进行控制，也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。

5.FACTS技术。FACTS，即基于电力电子控制技术的灵活交流输电，是上世纪80年代末期由美国电力研究院（EPRI）提出的。它通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使输送容量更接近线路的热稳极限。采用FACTS技术的核心目的是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力。

目前有代表性的FACTS装置主要有：可控串联补偿电容器、静止无功补偿器、晶闸管控制的串联投切电容器、统一潮流控制器等。

6.用户电力（Custom Power）技术。用户电力技术就是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统和用电系统中，其目的是加强配电系统的供电可靠性，并减小谐波畸变，改善电能质量。该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性。

三、电能质量分析方法

电力系统中的各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态事件和暂态事件两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态事件通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。

电能质量的分析方法主要有时域仿真法、频域分析方法和基于变换的方法。

1.时域仿真法。时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。对于电压下跌、电压上升、电压中断等有关电能质量暂态问题，由于其持续时间短、发生时间不确定、对频域分析提出了较高的要求，较多采用时域仿真方法。

2.频域分析法。频域分析方法主要用于电能质量稳态问题。比如谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等。相对于暂态问题，此类事件具有变化相对较慢、持续事件较长等特点。对称分量法是最常用的方法。它的优点是概念清晰、建模简单、算法成熟，但耗时长。

3.基于变换的方法。在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有复立叶变换、神经网络、二次变换、小波变换和Prony分析等5 种方法。

（1）傅立叶变换。傅立叶变换是电能质量分析领域中的基本方法，傅立叶变换的优点是算法快速简单，但其缺点也很多。傅立叶变换是经典的频谱分析和信号处理方法。其对含有短时高频分量与长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。目前经改进的快速傅立叶变换（FFT）和（STFT）已经成为电能质量分析的基础。

（2） 神经网络法。神经网络理论是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础，它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。

神经网络法的优点是：可处理多输入－多输出系统，具有自学习、自适应等特点；不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。缺点是：存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度；理想的训练样本提取困难，影响网络的训练速度和训练质量；网络结构不易优化。

（3）二次变换法。二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。该方法的基本原理是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。

二次变换的优点是：可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻；精确测量基波和谐波分量的幅值。缺点是：无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值；不具有时域分析功能。

（4）小波分析法。小波变换是近年来兴起的一种算法，由于具有时域局部化的优点，特别适合于突变信号和不确定信号的分析。目前国内外已经有许多文献应用小波变换对谐波监测、电磁暂态波形分析、电力系统扰动建模等电能质量问题进行了研究。

小波变换的优点是：具有时－频局部化的特点，特别适合突变信号和不平稳信号分析；可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。缺点是：在实时系统中运算量较大，需要采用DSP等高价格的高速芯片； 小波分析有“边缘效应”，边界数据处理会占用较多时间，并带来一定误差。

（5）Prony分析法。Prony分析衰减的思想类似于小波。在该方法中，信号总是被认为可以由一系列的衰减的正弦波构成，这些衰减正弦波类似于小波函数。所以Prony分析方法和小波一样，可以做多尺度的信号分析。Prony分析的主要缺点是计算时间过长。

电能质量分析及其监测是一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用，都是应注意的问题。同时电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的密切合作。

（作者单位：四川省电力公司西昌电业局 四川省喜德供电公司）