基于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的研究分析

1.引言

　　電能質(zhì)量是指通過(guò)公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對(duì)用戶供電。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值大小應(yīng)相等、相位對(duì)稱且相差120度。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱、負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)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(yùn)行電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)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(guó)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(rèn)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(nèi)，就等于保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。另外從我國(guó)的電力系統(tǒng)供求關(guān)系來(lái)看，80年代之前處于計(jì)劃和短缺經(jīng)濟(jì)時(shí)期，有沒(méi)有電供用戶使用是主要問(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(guò)程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷不斷增長(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(lái)越多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置不僅對(duì)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(tǒng)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(tǒng)元件存在的非線性問(wèn)題

　　電力系統(tǒng)元件的非線性問(wèn)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。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)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(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，會(huì)引起較為嚴(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。

　　(3)電力系統(tǒng)故障

　　電力系統(tǒng)運(yùn)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(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(wèn)題。

　　電能質(zhì)量問(wèn)題不僅僅關(guān)系到用電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性，而且還關(guān)系到供用電市場(chǎng)的規(guī)范化。它的產(chǎn)生可能來(lái)源于供電方的輸配電系統(tǒng)，也可能來(lái)源于用戶端的不合理用電，還可能來(lái)源于雷電等自然現(xiàn)象。只有對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)才會(huì)對(duì)問(wèn)題的產(chǎn)生和影響有清楚的認(rèn)識(shí)，這樣才能為電能質(zhì)量的改善﹑供用電雙方的協(xié)調(diào)和供用電市場(chǎng)的規(guī)范提供真實(shí)依據(jù)，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(guó)電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢(shì)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

　　22.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

　　2.12.1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)。主要指標(biāo)為國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局相繼頒布的涉及電能質(zhì)量五個(gè)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(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(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　(4)諧波和間諧波(harmonicsinter-harmonics)：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(fluctuationflicker)：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(jué)影響。

　　此外IEEE第22標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)和其他國(guó)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(biāo)來(lái)衡量電能質(zhì)量[3][4]，其中電壓幅值指標(biāo)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(biāo)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

　　①PID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(guò)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。

　?、勰：壿嬁刂疲褐辣豢貙?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(wú)需對(duì)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。它通過(guò)模擬人的思維和語(yǔ)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(lái)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(guò)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)