衡量電能質量的主要指標

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及用戶不斷增長；各種複雜的、精密的，對電能質量敏感的用電設備越來越多。上述兩方麵的矛盾越來越突出，用戶對電能質量的要求也更高，在這樣的環境下，探討電能質量領域的相關理論及其控製技術，分析我國電能質量管理和控製的發展趨勢，具有很強的觀實意義。

由於所處立場不同，關注或表征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。
　1.衡量電能質量的主要指標

　(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（friquencydeviation）：對頻率質量的要求全網相同，不因用戶而異，各國對於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*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（harmonics&inter-hamonics）：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，小於基波頻率的分數次諧波也屬於間諧波。
(5) 電壓波動和閃變（fluctuation&flicker）：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倍電壓範圍的一係列電壓隨機變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

2.電能質量問題的產生

　　2.1電能質量問題的定義和分類
　　電能質量問題是眾多單一類型電力係統乾擾問題的總稱，其實質是電壓質量問題。電能質量問題按產生和持續時間可分為穩態電能質量問題和動態電能質量問題。
　　2.2電能質量問題產生原因分析
　　隨著電力係統規模的不斷擴大，電力係統電能質量問題的產生主要有以下幾個原因。
　　2.2.1電力係統元件存在的非線性問題
　　電力係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；輸電線路（特彆是超高壓輸電線路）對諧波的放大作用。此外，還有變電站並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係統*大的諧波源。
　　2.2.2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，這是電力係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，也會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波的含量*高。大功率整流或變頻裝置也會產生嚴重的諧波電流，對電網造成嚴重汙染，同時也使功率因數降低。
　　2.2.3電力係統故障
　　電力係統運行的內外故障也會造成電能質量問題，如各種短路故障、自然現象災害、人為誤操作、電網故障時發電機及勵磁係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。

3.電能質量分析方法

　　3.1時域仿真法
　　時域仿真方法在電能質量分析中的應用*為廣泛，其*主要的用途是利用各種時域仿真程序對電能質量問題中的各種暫態現象進行研究。目前較通用的時域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等係統暫態仿真程序和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*大頻率範圍，因此必須事先知道暫態過程的頻率覆蓋範圍。此外，在模仿開關的開合過程時，還會引起數值振蕩。
　　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，該方法多用於電能質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載動態特性方麵有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發展起來。其優點是可詳細考慮非線性負載控製係統的作用，因此可**描述其動態特性。缺點是計算量大，求解過程複雜。
　　3.3基於變換的方法
　　在電能質量分析領域中廣泛應用的基於變換的方法主要有Fourier變換、神經網絡、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。
　　3.3.1Fourier變換
　　Fourier變換是電能質量分析領域中的基本方法，在實時係統中，通常采用短時Fourier變換方法(STFT)和快速Fourier變換方法(FFT)。
　　Fourier變換的優點是算法快速簡單。但其缺點也很多：（1）雖然能夠將信號的時域特征和頻域特征聯係起來觀察，但不能將二者有機地結合起來。（2）隻能適應於確定性的平穩信號(如諧波)，對時變非平穩信號難以充分描述。（3）STFT的離散形式冇有正交展開，難以實現高效算法；隻適合於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，任何信號衝突都會導致整個頻帶的頻譜散布；在不滿足前提條件時，會產生“旁瓣”和“頻譜泄露”現象。
　　3.3.2神經網絡法
　　神經網絡理論是巨量信息並行處理和大規模平行計算的基礎，它既是高度非線性動力學係統，又是自適應組織係統，可用來描述認知、決策及控製的智能行為。
神經網絡法的優點是：（1）可處理多輸入－多輸出係統，具有自學習、自適應等特點。（2）不必建立**數學模型，隻考慮輸入輸出關係即可。缺點是：（1)存在局部極小問題，會出現局部收斂，影響係統的控製精度；（2)理想的訓練樣本提取困難，影響網絡的訓練速度和訓練質量；（3)網絡結構不易優化。
　　3.3.3二次變換法
　　二次變換是一種基於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來表示信號的能量函數。
二次變換的優點是：可以準確地檢測到信號發生尖銳變化的時刻；**測量基波和諧波分量的幅值。缺點是：無法準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字技術，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。常用的小波基函數有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波Meyer小波等。
　　小波變換的優點是：（1）具有時－頻局部化的特點，特彆適合突變信號和不平穩信號分析。（2）可以對信號進行去噪、識彆和數據壓縮、還原等。缺點是：（1）在實時係統中運算量較大，需要如DSP等高價格的高速芯片。（2）小波分析有“邊緣效應”，邊界數據處理會占用較多時間，並帶來一定誤差。
　　3.3.5Prony分析法
　　Prony分析衰減的思想類似於小波。在該方法中，信號總是被認為可以由一係列的衰減的正弦波構成，這些衰減正弦波類似於小波函數。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。

4.電能質量的控製策略與技術

　　4.1幾種電能質量控製策略
　　（1）PID控製：這是應用*為廣泛的調節器控製規律，其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，易於在工程中實現。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到**的數學模型時，應用PID控製技術*為方便。其缺點是：響應有超調，對係統參數攝動和抗負載擾動能力較差。
　　（2）空間矢量控製：空間矢量控製也是一種較為常規的控製方法。其原理是：將基於三相靜止坐標係(abc)的交流量經過派克變換得到基於旋轉坐標係(dq)的直流量從而實現解耦控製。常規的矢量控製方法一般采用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）模糊邏輯控製：知道被控對象**的數學模型是使用經典控製理論的"頻域法"和現代控製理論的“時域法”設計控製器的前提條件。模糊控製作為一種新的智能控製方法，無需對係統建立**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，對係統特征進行模糊描述，來降低獲取係統動態和靜態特征量付出的代價。
　　（4）非線性魯棒控製：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的確定性模型引入乾擾，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，再利用所有線性係統的控製規律進行控製，也可直接采用魯棒控製理論設計控製器。
　　4.2FACTS技術
　　FACTS，即基於電力電子控製技術的靈活交流輸電，是上世紀80年代末期由美國電力研究院（EPRI）提出的。它通過控製電力係統的基本參數來靈活控製係統潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩極限。采用FACTS技術的核心目的是加強交流輸電係統的可控性和增大其電力傳輸能力。
　　目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯補償電容器、靜止無功補償器、晶閘管控製的串聯投切電容器、統一潮流控製器等。
　　4.3用戶電力（Custom Power）技術
　　用戶電力技術就是將電力電子技術、微處理機技術、自動控製技術等運用於中低壓配電係統和用電係統中，其目的是加強配電係統的供電可靠性，並減小諧波畸變，改善電能質量。該技術的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關頻率，並且關斷容量已達MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性。
　　用戶電力技術概念的提出，有助於供電部門提供高可靠性和高質量的電力，也有助於滿足各種新工藝用戶對電力供應的更高要求。目前主要的DFACTS裝置有：有源濾波器(APF)、動態電壓恢複器(DVR)、配電係統用靜止無功補償器(D－STATCOM)、固態切換開關(SSTS)等。

5電能質量控製的發展方向

　　5.1研究電能質量分析控製領域的基礎性工作
　　一方麵要深入探索電能質量領域的基礎性研究工作，包括電能質量的定義、評價標準與體係，電能質量問題的表現形式、影響因素、防治方法等。同時，積極研究電能質量控製的新方法、新技術和新策略，將更為先進、科學的控製理念和控製思想借鑒到電能質量管理領域。
　　5.2推廣使用數字化電能質量控製技術
　　以DSP為基礎的實時數字信號處理技術在控製領域得到廣泛應用，其優點為：①可提高係統穩定性、可靠性和靈活性；②由程序控製，改變控製方法或算法時不必改變控製電路；③可重複性好，易調試和批量生產；④易實現並聯運行和智能化控製。隨著DSP性能的不斷改善和價格的下降，電能質量控製裝置將用DSP來實現實時信號處理從而取代模擬量控製。
　　5.3對電能質量檢測技術的新要求
　　傳統的檢測儀器一般局限於持續性和穩定性指標的檢測，而且僅測有效值已不能**描述實際的電能質量問題，因此需要發展新的監測技術。具體要求包括：①能捕捉快速(ms級甚至ns級)瞬時乾擾的波形；②需要測量各次諧波以及間諧波的幅值、相位；③需要有足夠高的采樣速率，以便能和得相當高次諧波的信息。④建立有效的分析和自動辯識係統，反映各種電能質量指標的特征及其隨時間的變化規律。
　　5.4大力發展應用新技術
　　電力電子技術的應用可以大大提高電網的電能質量，FACTS、CusPow等新技術更是為解決電能質量問題開拓了廣闊的前景，同時一些非電力電子技術的發展也很迅猛，將這些技術融合發展，並合理使用、大力推廣，必然會逐步滿足電力負荷對電能質量日益提高的要求。