電能質(zhì)量問(wèn)題分析及控制策略

李小瑩 王 平

（國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(kāi)關(guān)設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、PLC等大量非線性負(fù)荷的投入使用，使電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量中出現(xiàn)了嚴(yán)重的諧波污染。而且由于現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，許多用電設(shè)備對(duì)電能的變化非常敏感，較低的供電水平和質(zhì)量會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，這將會(huì)對(duì)我國(guó)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(shè)備裝置給人們的生活帶來(lái)的極大的方便，這就需要我們深入學(xué)習(xí)有關(guān)電能質(zhì)量方面的理論和技術(shù)，來(lái)合理地解決這樣的矛盾。

1 電能質(zhì)量問(wèn)題

電能質(zhì)量，從嚴(yán)格意思上來(lái)講，衡量它的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形，但是從普遍意義上來(lái)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(dǎo)致用電設(shè)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(dòng)與閃變、三相不平衡、瞬時(shí)或暫態(tài)過(guò)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(biāo)包括：

（1）電網(wǎng)頻率。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，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(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%；20kV及以下供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。

（3）三相電壓不平衡。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%，短時(shí)不超過(guò)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(yīng)保證各級(jí)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(dòng)和閃變。

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

（1）電力系統(tǒng)的元件中存在非線性問(wèn)題。主要包括發(fā)電機(jī)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(fù)荷所產(chǎn)生的影響，現(xiàn)在主要的非線性負(fù)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(wèn)題，包括短路、發(fā)電機(jī)和變壓器發(fā)生故障時(shí)勵(lì)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(shí)用化的控制方法已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制理論。它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)在控制過(guò)程中，我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，在實(shí)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(jì)算出控制量來(lái)進(jìn)行控制的。

（2）空間矢量控制。空間矢量控制方式的實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)等效，然后分別對(duì)速度、磁場(chǎng)2個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)2個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)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(biāo)系）通過(guò)派克變換得到直流量（基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系），從而實(shí)現(xiàn)解耦控制。現(xiàn)在使用較多的矢量控制方法一般是采用DSP進(jìn)行處理，它們的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能都比較良好。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(shè)計(jì)二者的調(diào)節(jié)器，實(shí)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(duì)它作出判斷、推理的一種思維方式，對(duì)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(duì)象，采用模糊規(guī)則和模糊集合的方式進(jìn)行推理，對(duì)過(guò)渡性界限或定性知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表達(dá)，并且模擬人腦的處理方式，實(shí)行模糊判斷，推理解決應(yīng)用一般方法難以處理的模糊信息問(wèn)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(xué)模型，而是通過(guò)模擬人的思維和語(yǔ)言中對(duì)模糊信息的處理方式，對(duì)信息特征進(jìn)行模糊描述，從而來(lái)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(dòng)下，維持某些固定性能的特性。根據(jù)對(duì)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(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器，對(duì)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(guò)在電力系統(tǒng)中加裝電力電子裝置，增強(qiáng)對(duì)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(guò)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(gè)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(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控制性的同時(shí)，增大整個(gè)電力線路的傳輸能力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即為它能夠增強(qiáng)交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性并降低電力傳輸?shù)某杀荆ㄟ^(guò)為電網(wǎng)提供感應(yīng)或無(wú)功功率來(lái)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(duì)供電質(zhì)量的各種問(wèn)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(chǔ)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有精確、快速、靈活等特點(diǎn)，是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段。根據(jù)解決問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)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(gè)區(qū)域的大多數(shù)用戶而進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的。雖然二者的側(cè)重點(diǎn)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(wú)功電壓控制技術(shù)。其含義是對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功資源以及調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，以達(dá)到保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。目前有變電站內(nèi)的電壓無(wú)功的控制（VQC）及基于調(diào)度自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)的全網(wǎng)無(wú)功電壓優(yōu)化集中控制系統(tǒng)（AVC），后者優(yōu)點(diǎn)明顯，經(jīng)濟(jì)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(dāng)?shù)膹?fù)雜性，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)一步優(yōu)化，如從區(qū)域優(yōu)化控制走向分層分級(jí)聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，合理增加全網(wǎng)無(wú)功設(shè)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(duì)頻率的掃描和對(duì)各類諧波潮流的計(jì)算等，一般用在諧波的相關(guān)參數(shù)分析中。

（2）時(shí)域仿真分析。

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

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

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

4 結(jié)語(yǔ)

總之，由于電能質(zhì)量與供電系統(tǒng)、用戶及其用電設(shè)備特性都有關(guān)，無(wú)法獨(dú)自解決，需從電力系統(tǒng)各個(gè)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(fù)雜性和整體性導(dǎo)致最終效果始終不夠理想。本文探討了電能質(zhì)量問(wèn)題及其控制策略，以供同行參考。

［1］郭穎君，丁書(shū)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(guān)于電能質(zhì)量控制策略及技術(shù)的探討［J］.中國(guó)—東盟博覽，2012（9）