探讨电能质量分析与控制

【摘 要】电能是一切行业中的基本能源，用电企业从供电企业所获得的电能的质量直接决定着企业的生存发展。随着微电子与电力电子技术的不断发展，对电能质量的要求也越来越高。通常电能质量分为电流质量、电压质量、供电质量和用电质量。以电力电子装置为代表的一些冲击性、非线性负荷的广泛使用，使得电网受到谐波的污染越来越严重，很多电压瞬变现象频繁出现；另外，由于很多基于计算机以及微处理控制器等精密仪器于设备的广泛使用，用户对电能质量有了越来越高的要求。

【关键词】电能质量；分析方法；控制措施

一、电能质量标准

（一）电力系统频率偏差标准

我国电力系统采用的是频率为50Hz的电流，所以制造用电设备时也都是按照50Hz的额定频率标准进行制造的。电力系统频率偏差标准（GB/T15945—2008）对电力系统中频率偏差的限值做了明确规定。电力系统频率偏差的范围是50±0.2Hz。用户冲击负荷组成的系统频率变动一般不超过±0.2Hz；当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。

（二）供电电压偏差标准

电压偏差指的是在一段时间内实际电压与理想电压相偏离的程度。电压偏差越大则电能质量越差，电压偏差越小则电能质量越好。一般情况下，额定电压上下的7%范围的偏差值都是可以的。供电电压偏差标准（GB/T12325—2003）规定，高于35kV的供电电压的电压偏差值不超过10%；低于20kV的三相供电电压的电压偏差不超过7%；220V的单相供电电压的电压偏差在-10%～+7%范围内波动。

（三）三相电压不平衡标准

在电力系统中，由于三相负荷不均衡等因素会引起三相电压不平衡的问题，消除三相电压不平衡是减少设备故障的前提。三相电压不平衡标准（GB/T15543—2008）规定了在系统正常运行时可以存在三相电压的不平衡情况，并对三相电压的不平衡度的限值做了规定，即负序电压不平衡度小于2%，短时小于4%。

（四）电压波动和闪变标准

由于谐波的注入，会影响电力系统的电压，特别是运用大量的冲击性负荷设备时，会引起电压不稳，电压时高时低，严重危害电子产品的正常工作。电压波动和闪变标准（GB/T12325—2003）对电压闪变于波动的允许值做了限定。例如当供电电压大于110kV时，闪变限值为0.8；当供电电压小于或者等于110kV时，闪变限值为1。

二、影响电压质量的因素

（一）电网架构仍然不完善

改革开放以来，我国经济发展十分迅速，导致出现了很多地区经济发展不平衡的情况，特别是对于新兴的工业区，由于这些工业区是是刚刚兴起的，短时间内的用电量剧增，造成线路过负荷的现象出现。还有的地区，特别是城郊和农村地区，不但线径小，线路破旧，而且低压供电半径比较大，造成的直接后果是用户端电压质量较差。

（二）系统干扰性负荷

系统本身接有整流器、电弧炉、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。这些负荷会对电网产生的负面影响有无功冲击、谐波、负序等，并且这些负面影响还可以经过公共连接点影响其他终端用户。所以，为了能够及时缓解这些问题，系统中一定要安装相关装置，同时还要依照电能质量评估体系，来约束这类用户对电能质量的影响。

（三）季节对电力供应的影响较大

电力负荷会随用户生产流程与昼夜、季节的变化而改变。用电负荷越低电压越高，用电负荷越高电压越低，导致不同季节、不同时间中用电量峰谷负荷的悬殊，从而引起电压波动较大，不能够提供稳定的运行电压。

（四）设备问题

配网380/220V线路、10kV线路以及运行时间长、配电设备数量巨大的线路设备数量很多，要对改造量残旧设备与线路需要按轻重缓急按计划分年分批进行，在一定程度上阻碍了电压质量的提高。

（五）干扰系统，造成断电或电压变动的因素

干扰系统，造成断电或电压变动的因素很多，如雷电、树枝影响、外力破坏、电容器投切、配电设备故障、线路切换等，这些因素甚至会对相邻线路造成影响，造成有害影响的蔓延。

三、电能质量分析方法

（一）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。目前较通用的时域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、SABER等电力电子仿真程序。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。

（二）频域分析法。频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该方法多用于电能质量中谐波问题的分析。频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。

（三）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Fourier变换、神经网络、二次变换的方法。

（1）Fourier变换。Fourier变换的优点是算法快速简单。但其缺点也很多：1）虽然能够将信号的时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来。2）只能适应于确定性的平稳信号（如谐波），对时变非平稳信号难以充分描述。3）sTFT的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法；只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。4）FFT变换的时间信息利用不充分，任何信号冲突都会导致整个频带的频谱散布；在不满足前提条件时，会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象。

（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：1）可处理多输入-多输出系统，具有自学习、自适应等特点。2）不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。缺点是：1）存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度；2）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；3）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。

四、电能质量的控制策略与技术

（一）几种电能质量控制策略。（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。

（二）FACTS技术。FACTS，即基于电力电子控制技术的灵活交流输电，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。

五、电能质量控制的发展方向

（一）研究电能质量分析控制领域的基础性工作。一方面要深入探索电能质量领域的基础性研究工作，包括电能质量的定义、评价标准与体系，电能质量问题的表现形式、影响因素、防治方法等。同时，积极研究电能质量控制的新方法、新技术和新策略，将更为先进、科学的控制理念和控制思想借鉴到电能质量管理领域。

（二）推广使用数字化电能质量控制技术。以DSP为基础的实时数字信号处理技术在控制领域得到广泛应用，其优点为：①可提高系统稳定性、可靠性和灵活性；②由程序控制，改变控制方法或算法时不必改变控制电路；③可重复性好，易调试和批量生产；④易实现并联运行和智能化控制。随着DsP性能的不断改善和价格的下降，电能质量控制装置将用DsP来实现实时信号处理从而取代模拟量控制。

（三）大力发展应用新技术。电力电子技术的应用可以大大提高电网的电能质量，FACTS、CusPow等新技术更是为解决电能质量问题开拓了广阔的前景，同时一些非电力电子技术的发展也很迅猛，将这些技术融合发展，并合理使用、大力推广，必然会逐步满足电力负荷对电能质量日益提高的要求。

结语

随着电力电子与信息技术在社会各个领域的应用越来越广泛，用电设备不断增多，新型的用电设备也对电能质量提出了新的要求，一些新型电力负荷对电能质量有了越来越高的要求，用户和电力企业都非常关心的问题就是电能质量。这样确保电能质量对用电单位与供电单位提出了新的要求。

参考文献：

[1]张六一.电能质量分析与控制技术探讨[J].冶金丛刊，2007，03：43-45+50.

[2]和巍，林涛，崔一铂.电能质量分析与控制策略综述[J].陕西电力，2008，03：41-45.

[3]孙可.电能质量分析方法与控制技术探讨[J].能源工程，2004，04：13-16.

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