配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與無功補(bǔ)償方法研究

劉旭陽

摘要：本文主要介紹了電能質(zhì)量采集理論依據(jù)和無功補(bǔ)償理論依據(jù)，為提高電能質(zhì)量進(jìn)行理論指導(dǎo)。電能參數(shù)包括電壓、頻率、諧波等，通過現(xiàn)代譜分析方法對電能質(zhì)量進(jìn)行暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，通過電壓擾動源定位依據(jù)對擾動信號進(jìn)行定位，最后通過無功補(bǔ)償方法優(yōu)化電能質(zhì)量。

Abstract： This article mainly introduces the theoretical basis of power quality acquisition and reactive power compensation， and provides theoretical guidance for improving power quality. The power parameters include voltage， frequency， harmonics， etc.， the power quality is analyzed in transient and steady state by modern spectrum analysis methods， the disturbance signal is located based on the voltage disturbance source location， and finally the power quality is optimized by the reactive power compensation method.

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量;諧波;譜分析;無功補(bǔ)償

Key words： power quality;harmonics;spectrum analysis;reactive power compensation

中圖分類號：TM71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0194-03

0? 引言

不便儲存并且所有過程同時進(jìn)行是電能的一個特點(diǎn)。因此，發(fā)電廠可以直接影響電能質(zhì)量的數(shù)值，并影響終端用電設(shè)備[1-3]。在理想情況下，發(fā)電廠發(fā)出的是具有相同幅值和波形的正弦電壓，但是在現(xiàn)實(shí)中，由于外部條環(huán)境的影響，使得電能在輸送過程中發(fā)生畸變，到達(dá)用戶端時已經(jīng)與原值產(chǎn)生偏差，即出現(xiàn)電能質(zhì)量問題[4]。主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等新能源的使用，使得電力系統(tǒng)出現(xiàn)很多不確定問題，主要表現(xiàn)為風(fēng)的大小，風(fēng)向，太陽的日照時間及其強(qiáng)度，水的流量及水體質(zhì)量等，給電能注入電網(wǎng)造成了很多的沖擊[5-7]。第二點(diǎn)，電力線路的老化、大功率用電設(shè)備的投入使用、多種非線性負(fù)荷設(shè)備投入運(yùn)行，造成了電能的畸變問題[8，9]。對電能質(zhì)量的分析、采集和治理問題已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的首要治理目標(biāo)，通過對電能質(zhì)量采集和分析來進(jìn)行優(yōu)化，為生產(chǎn)高質(zhì)量的電能提供理論指導(dǎo)。

1? 電能質(zhì)量采集及分析理論依據(jù)

1.1 電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)電能質(zhì)量的特性以及現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以將電能參數(shù)分為穩(wěn)定參數(shù)和固定參數(shù)。其中，電能的穩(wěn)定參數(shù)如下：

1.1.1 電壓偏差

電壓偏差，是指在正常工作環(huán)境下，供電電壓減去額度電壓并與額度電壓相除所占的百分值。電壓偏差用ΔU表示。根據(jù)定義電壓偏差ΔU可表示為：

無功功率的失調(diào)會產(chǎn)生電壓偏差。總消耗包括負(fù)荷消耗和線損消耗，當(dāng)無功功率在總消耗規(guī)定的范圍時，電壓偏差可以控制;當(dāng)無功功率超出總消耗規(guī)定的范圍時，電壓偏差會不可控制。

1.1.2 頻率偏差

實(shí)際的頻率量較規(guī)定的頻率量的差值叫做頻率量偏差。如下式所示，頻率偏差可定義為配電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作的條件下，配電網(wǎng)實(shí)際頻率相對于額定頻率的偏離程度。

頻率量偏差主要是由于有功功率失衡造成的，當(dāng)有功功率的供給與消耗不平衡時，頻率會發(fā)生畸變，當(dāng)不平衡程度過大時，會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊。

1.1.3 諧波

當(dāng)頻率是周期性的，且數(shù)值是原基礎(chǔ)頻率整數(shù)倍的分量叫做諧波，在GB/T 13635-2016中將總諧波畸變率和各次諧波含有率作為基礎(chǔ)來衡量網(wǎng)絡(luò)中諧波的標(biāo)準(zhǔn)。線路中的諧波容量為：

配電網(wǎng)中一切非線性設(shè)備和負(fù)荷都是導(dǎo)致諧波的起因，電力電子設(shè)備等新技術(shù)的使用造成非線性負(fù)荷大幅度增加。諧波會使電氣設(shè)備老化破損，減少設(shè)備的壽命等，諧波問題已然成為配電網(wǎng)中嚴(yán)重的問題。

1.1.4 間諧波

當(dāng)諧波的頻率是非基波分量時，這種諧波被稱為間諧波。導(dǎo)致間諧波的主要是感應(yīng)電動機(jī)、靜止變頻器和電弧設(shè)備等的使用。在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，基礎(chǔ)間諧波的數(shù)量是衡量間諧波的標(biāo)準(zhǔn)。公式如下：

傅里葉變換分析方法：

傅里葉變換在穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量分析研究領(lǐng)域中是最常使用的一類方法，傅里葉變換方法可將原始信號從時域提取到頻域中，并可以顯示出頻域特征，對于配電網(wǎng)中諧波問題，傅里葉變換方法能夠清晰的檢測出諧波成分。

1.2 現(xiàn)代譜分析方法

通常將不用于傅里葉變換為理論基礎(chǔ)的譜分析方法稱作現(xiàn)代譜分析。電力系統(tǒng)正弦波形的電壓（電流）可看成系統(tǒng)中的平穩(wěn)隨機(jī)系列，現(xiàn)代譜分析方法可以應(yīng)用于非整數(shù)次諧波的分析。

現(xiàn)代譜分析方法根據(jù)信號本身信息，通過窗函數(shù)截取的局部信息進(jìn)行外推，提升信號譜分析真實(shí)度，這種方法針對分析諧波和間諧波等效果良好。

現(xiàn)代譜分析方法包括數(shù)值模型與非數(shù)值模型兩類。數(shù)值模型方法有兩類：有理數(shù)值模型和特殊數(shù)值模型。有理數(shù)值模型一般包括AR模型、MA模型、ARMA模型。特殊數(shù)值模型是由數(shù)值信號的理想排列而成，因此又稱指數(shù)模型，包括Prony以及擴(kuò)充Prony兩類。非數(shù)值模型法包括有小數(shù)迭代法、過濾迭代法等。

①小波變換。

小波變換是一種新式變換方法，該方法在信號上加一個時頻可變的窗口，此窗口的大小可以根據(jù)頻率調(diào)節(jié)而變。小波變換的實(shí)質(zhì)是通過系數(shù)在函數(shù)中的代入，產(chǎn)生具體的函數(shù)。時域信號的小波分析定義為：

小波分析方法對于配電網(wǎng)中不平穩(wěn)信號的分析和檢測應(yīng)用廣泛，算法過程簡單容易，對于擾動檢測定位誤差較小。通過信號獲取，根據(jù)小波變換對暫升信號進(jìn)行分析，確定信號的起始時刻為0.16s，結(jié)束時刻為0.24s，擾動持續(xù)時間為0.08s，根據(jù)第五層低頻系數(shù)可以確定信號的擾動類型。但是采用小波分析法會出現(xiàn)“邊緣效應(yīng)”，需要在邊界上對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此會浪費(fèi)更多的時間，并可能導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

②S變換。

S變換是在小波變換和快速傅里葉變換基礎(chǔ)上的繼承和延伸。信號x（t）的S變換定義如下：

S變換可理解為對信號做一個加窗口的快速傅里葉變換，但同F(xiàn)FT的區(qū)別在于窗口的高度和寬度可以隨頻率的更改而改變，S變換打破了FFT在固定時刻窗口進(jìn)行伸縮的局限。S變換方法適合分析擾動的信號，尤其是對于配電網(wǎng)中的暫態(tài)擾動信號的分析。

1.3 電壓擾動源定位依據(jù)

應(yīng)用變換矩陣原理可進(jìn)行電壓擾動定位，主要理論依據(jù)是單環(huán)定理以及LES原理。

①單環(huán)定理。

2.3 提高運(yùn)行電壓

當(dāng)負(fù)載過多，電線直徑過細(xì)時，通過加裝補(bǔ)償系統(tǒng)，可以將線路電壓升高，尤其是在線路末端效果更好，因此根據(jù)補(bǔ)償需求選擇合適的補(bǔ)償容量是一個關(guān)鍵問題。但是，如果加裝大容量補(bǔ)償設(shè)備，會使得電壓過剩，引起線路超負(fù)荷運(yùn)行，為了使得補(bǔ)償設(shè)備與線路需求相匹配，需要確定補(bǔ)償容量QC和所需電壓的對應(yīng)關(guān)系。

3? 結(jié)論

本文通過三種方法提高補(bǔ)償容量，一是將功率因數(shù)升高，高功率因數(shù)下，cosφ曲線的上升率變小，因此，提高功率因數(shù)所需的補(bǔ)償容量將要相應(yīng)的增加。二是減少網(wǎng)損來確定相應(yīng)的補(bǔ)償裝置。三是升高一定的電壓水平，加裝對應(yīng)的補(bǔ)償裝置后可以產(chǎn)生更好的電能。三種方法都能很好的解決電能質(zhì)量問題，根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的提高電能質(zhì)量方法，不僅可以給用戶提供更好的電能而且還能在經(jīng)濟(jì)方面起到一定的節(jié)約。

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