電能質(zhì)量問題分析及控制策略

李小瑩 王 平

（國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水323000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力行業(yè)的變化也是日新月異。許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展影響著電力行業(yè)的發(fā)展，大功率的開關設備、變頻調(diào)速裝置、PLC等大量非線性負荷的投入使用，使電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量中出現(xiàn)了嚴重的諧波污染。而且由于現(xiàn)代化計算機技術(shù)的快速發(fā)展，許多用電設備對電能的變化非常敏感，較低的供電水平和質(zhì)量會降低產(chǎn)品質(zhì)量，這將會對我國一些重要的工業(yè)生產(chǎn)部門造成重大的損失。但是，基于微處理器控制的設備裝置給人們的生活帶來的極大的方便，這就需要我們深入學習有關電能質(zhì)量方面的理論和技術(shù)，來合理地解決這樣的矛盾。

1 電能質(zhì)量問題

電能質(zhì)量，從嚴格意思上來講，衡量它的主要指標有電壓、頻率和波形，但是從普遍意義上來講指的是優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。電能質(zhì)量的概念為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，它的內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態(tài)過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷以及供電連續(xù)性等。電能質(zhì)量的具體指標包括：

（1）電網(wǎng)頻率。電力系統(tǒng)正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當系統(tǒng)容量較小時，偏差限值可放寬到±0.5Hz。

（2）電壓偏差。35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%；20kV及以下供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

（3）三相電壓不平衡。電網(wǎng)正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不超過4%。

（4）公用電網(wǎng)諧波。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)。

（5）公用電網(wǎng)間諧波。

（6）波動和閃變。

電能質(zhì)量問題包括：高電壓、低電壓以及持續(xù)失電等持續(xù)時間比較長的問題；電壓的驟降、驟升以及失電這類持續(xù)時間比較短的問題；波形畸變、三相電壓不平衡、電壓波動及閃變等。產(chǎn)生這些質(zhì)量問題的原因包括：

（1）電力系統(tǒng)的元件中存在非線性問題。主要包括發(fā)電機諧波、直流輸電諧波以及變壓器諧波。

（2）電網(wǎng)中的非線性負荷所產(chǎn)生的影響，現(xiàn)在主要的非線性負荷為電弧爐。

（3）電力系統(tǒng)本身故障產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題，包括短路、發(fā)電機和變壓器發(fā)生故障時勵磁狀態(tài)的改變等。

2 電能質(zhì)量的控制策略與技術(shù)

2.1 控制策略

（1）PID控制。PID控制作為最早實用化的控制方法已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制理論。它不僅結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，而且工作可靠、調(diào)整方便，比較容易在工程中實現(xiàn)。當在控制過程中，我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，在實際使用中既有PI控制也有PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制的。

（2）空間矢量控制?？臻g矢量控制方式的實質(zhì)是將交流電動機和直流電動機等效，然后分別對速度、磁場2個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場2個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。其原理是：將交流量（基于三相靜止坐標系）通過派克變換得到直流量（基于旋轉(zhuǎn)坐標系），從而實現(xiàn)解耦控制?，F(xiàn)在使用較多的矢量控制方法一般是采用DSP進行處理，它們的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能都比較良好。簡單地說，空間矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，這將大大有利于分別設計二者的調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)高性能調(diào)速。

（3）模糊邏輯控制。模糊邏輯指模仿人類大腦中的不確定性現(xiàn)象并對它作出判斷、推理的一種思維方式，對于未知模型或不能確定的線性系統(tǒng)，以及非線性、大滯后的控制對象，采用模糊規(guī)則和模糊集合的方式進行推理，對過渡性界限或定性知識經(jīng)驗進行表達，并且模擬人腦的處理方式，實行模糊判斷，推理解決應用一般方法難以處理的模糊信息問題。

模糊控制是一種新興的智能控制方式，它不需要建立精確的數(shù)學模型，而是通過模擬人的思維和語言中對模糊信息的處理方式，對信息特征進行模糊描述，從而來降低系統(tǒng)信息處理量。

（4）非線性魯棒控制。所謂魯棒性，是指控制系統(tǒng)在一定的參數(shù)攝動下，維持某些固定性能的特性。根據(jù)對性能的不同定義，可把它分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器，對于非線性模型，可以直接采用魯棒控制器。

2.2 控制技術(shù)

（1）FACTS（柔性交流輸電）技術(shù)。即通過在電力系統(tǒng)中加裝電力電子裝置，增強對電壓、電流和功率的可控性，增大電力傳輸能力的技術(shù)。它能夠靈活控制系統(tǒng)潮流，通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)，能夠使輸送容量更加接近整個線路的熱穩(wěn)極限。采用柔性輸電技術(shù)的主要目的是在加強交流輸電系統(tǒng)的可控制性的同時，增大整個電力線路的傳輸能力。簡單來說，即為它能夠增強交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并降低電力傳輸?shù)某杀荆ㄟ^為電網(wǎng)提供感應或無功功率來提高輸電質(zhì)量和效率。

（2）用戶電力技術(shù)。其主要內(nèi)容：對供電質(zhì)量的各種問題采用綜合的解決辦法，在配電網(wǎng)和大量商業(yè)用戶的供電端使用新型電力電子控制器。

FACTS技術(shù)和用戶電力技術(shù)都以大功率可控硅為基礎，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有精確、快速、靈活等特點，是解決電能質(zhì)量問題的有效手段。根據(jù)解決問題的出發(fā)點不同，這2種技術(shù)分屬于系統(tǒng)側(cè)技術(shù)與用戶側(cè)技術(shù)。FACTS側(cè)重于輸電系統(tǒng)，它常常是為了滿足一個區(qū)域的大多數(shù)用戶而進行設計的；用戶電力裝置側(cè)重于配電系統(tǒng)，它往往是根據(jù)少數(shù)用戶的要求而設計的。雖然二者的側(cè)重點不同，但在電網(wǎng)中起到的作用是一樣的，都可以使電網(wǎng)柔性化，提高輸電能力。

（3）無功電壓控制技術(shù)。其含義是對電網(wǎng)中的無功資源以及調(diào)壓設備進行自動控制，以達到保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行的目的。目前有變電站內(nèi)的電壓無功的控制（VQC）及基于調(diào)度自動化SCADA系統(tǒng)的全網(wǎng)無功電壓優(yōu)化集中控制系統(tǒng)（AVC），后者優(yōu)點明顯，經(jīng)濟效益可觀，但由于電網(wǎng)AVC作為涉及電力系統(tǒng)多專業(yè)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)工程，具有相當?shù)膹碗s性，實際運行過程中需要進一步優(yōu)化，如從區(qū)域優(yōu)化控制走向分層分級聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，合理增加全網(wǎng)無功設備配置等。

3 電能質(zhì)量分析方法及提高策略

電能質(zhì)量分析方法包括：

（1）頻域分析。這種分析方法主要是對頻率的掃描和對各類諧波潮流的計算等，一般用在諧波的相關參數(shù)分析中。

（2）時域仿真分析。

（3）變換分析。具體分為小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡和PRONY等多種分析方法，是目前使用最為廣泛的方法。

針對電能質(zhì)量的分析，我們常用的提高電能質(zhì)量的策略主要包括2大類：

（1）抑制電網(wǎng)電壓的閃變和波動。它主要包括：通過選擇合適的變壓器分接頭保證用電水平，從而來抑制電網(wǎng)電壓的閃變和波動；通過在線路的出口端裝設限流電抗器，來提高變電所母線遭受短路故障時的電壓；減少變壓器阻抗，通過使配電變壓器并列運行，在運行過程中要注意并列運行的要素，使之盡量達到理想條件；采用電抗值最小的高低壓配電方案。

（2）對電力系統(tǒng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量實施在線監(jiān)測，可以采用連續(xù)的或者不定時的方式。在供電電壓比較差、中間有非線性負荷接入點的地方盡量采用連續(xù)監(jiān)測；在不適用連續(xù)監(jiān)測的地方可以采用不定時監(jiān)測，它也可以應用在已經(jīng)掌握供電電能質(zhì)量的場所。

4 結(jié)語

總之，由于電能質(zhì)量與供電系統(tǒng)、用戶及其用電設備特性都有關，無法獨自解決，需從電力系統(tǒng)各個技術(shù)層面，包括發(fā)電、輸電、供電和用戶配合協(xié)調(diào)解決，但是由于它本身的矛盾性、復雜性和整體性導致最終效果始終不夠理想。本文探討了電能質(zhì)量問題及其控制策略，以供同行參考。

［1］郭穎君，丁書文.供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制策略［J］.華中電力，2003（1）

［2］黃朝.關于電能質(zhì)量控制策略及技術(shù)的探討［J］.中國—東盟博覽，2012（9）