衡量电能质量得主要指标随着国民经济得发展,科学技术得进步与生产过程得高度自动化,电网中各种非线性负荷及用户不断增长;各种复杂得、精密得,对电能质量敏感得用电设备越来越多。
上述两方面得矛盾越来越突出,用户对电能质量得要求也更高,在这样得环境下,探讨电能质量领域得相关理论及其控制技术,分析我国电能质量管理与控制得发展趋势,具有很强得观实意义。
由于所处立场不同,关注或表征电能质量得角度不同,人们对电能质量得定义还未能达成完全得共识,但就是对其主要技术指标都有较为一致得认识。
1、衡量电能质量得主要指标(1) 电压偏差(voltage deviation):就是电压下跌(电压跌落)与电压上升(电压隆起)得总称。
(2) 频率偏差(friquency deviation):对频率质量得要求全网相同,不因用户而异,各国对于该项偏差标准都有相关规定。
(3) 电压三相不平衡(unbalance):表现为电压得最大偏移与三相电压得平均值超过规定得标准。
(4) 谐波与间谐波(harmonics & inter-hamonics):含有基波整数倍频率得正弦电压或电流称为谐波。
含有基波非整数倍频率得正弦电压或电流称为间谐波,小于基波频率得分数次谐波也属于间谐波。
5(5) 电压波动与闪变(fluctuation & flicker):电压波动就是指在包络线内得电压得有规则变动,或就是幅值通常不超出0、9～1、1倍电压范围得一系列电压随机变化。
闪变则就是指电压波动对照明灯得视觉影响。
2、电能质量问题得产生2、1电能质量问题得定义与分类电能质量问题就是众多单一类型电力系统干扰问题得总称,其实质就是电压质量问题。
电能质量问题按产生与持续时间可分为稳态电能质量问题与动态电能质量问题。
2、2电能质量问题产生原因分析随着电力系统规模得不断扩大,电力系统电能质量问题得产生主要有以下几个原因。
2、2、1电力系统元件存在得非线性问题电力系统元件得非线性问题主要包括:发电机产生得谐波;变压器产生得谐波;直流输电产生得谐波;输电线路(特别就是超高压输电线路)对谐波得放大作用。
此外,还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波得影响。
其中,直流输电就是目前电力系统最大得谐波源。
2、2、2非线性负荷在工业与生活用电负载中,非线性负载占很大比例,这就是电力系统谐波问题得主要来源。
电弧炉(包括交流电弧炉与直流电弧炉)就是主要得非线性负载,它得谐波主要就是由起弧得时延与电弧得严重非线性引起得。
居民生活负荷中,荧光灯得伏安特性就是严重非线性得,也会引起严重得谐波电流,其中3次谐波得含量最高。
大功率整流或变频装置也会产生严重得谐波电流,对电网造成严重污染,同时也使功率因数降低。
2、2、3电力系统故障电力系统运行得内外故障也会造成电能质量问题,如各种短路故障、自然现象灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统得工作状态得改变、故障保护装置中得电力电子设备得启动等都将造成各种电能质量问题。
3、电能质量分析方法3、1时域仿真法时域仿真方法在电能质量分析中得应用最为广泛,其最主要得用途就是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中得各种暂态现象进行研究。
目前较通用得时域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC 等系统暂态仿真程序与SPICE、PSPICE、SABER等电力电子仿真程序。
采用时域仿真计算得缺点就是仿真步长得选取决定了可模仿得最大频率范围,因此必须事先知道暂态过程得频率覆盖范围。
此外,在模仿开关得开合过程时,还会引起数值振荡。
3、2频域分析法频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算与混合谐波潮流计算等,该方法多用于电能质量中谐波问题得分析。
频率扫描与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。
其优点就是可详细考虑非线性负载控制系统得作用,因此可精确描述其动态特性。
缺点就是计算量大,求解过程复杂。
3、3基于变换得方法在电能质量分析领域中广泛应用得基于变换得方法主要有Fourier变换、神经网络、二次变换、小波变换与Prony分析等5种方法。
3、3、1Fourier变换Fourier变换就是电能质量分析领域中得基本方法,在实时系统中,通常采用短时Fourier变换方法(STFT)与快速Fourier变换方法(FFT)。
Fourier变换得优点就是算法快速简单。
但其缺点也很多:(1)虽然能够将信号得时域特征与频域特征联系起来观察,但不能将二者有机地结合起来。
(2)只能适应于确定性得平稳信号(如谐波),对时变非平稳信号难以充分描述。
(3)STFT得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得过程,不适合分析多尺度过程与突变过程。
(4)FFT变换得时间信息利用不充分,任何信号冲突都会导致整个频带得频谱散布;在不满足前提条件时,会产生“旁瓣”与“频谱泄露”现象。
3、3、2神经网络法神经网络理论就是巨量信息并行处理与大规模平行计算得基础,它既就是高度非线性动力学系统,又就是自适应组织系统,可用来描述认知、决策及控制得智能行为。
神经网络法得优点就是:(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。
缺点就是:(1)存在局部极小问题,会出现局部收敛,影响系统得控制精度;(2)理想得训练样本提取困难,影响网络得训练速度与训练质量;(3)网络结构不易优化。
3、3、3二次变换法二次变换就是一种基于能量角度来考虑得新得时域变换方法。
该方法得基本原理就是用时间与频率得双线性函数来表示信号得能量函数。
二次变换得优点就是:可以准确地检测到信号发生尖锐变化得时刻;精确测量基波与谐波分量得幅值。
缺点就是:无法准确地估计原始信号得谐波分量幅值;不具有时域分析功能。
3、3、4小波分析法小波变换就是新得多尺度分析数字技术,它通过对时间序列过程从低分辨率到高分辨率得分析,显示过程变化得整体特征与局部变化行为。
常用得小波基函数有:Daubechies小波、B小波、Morlet小波Meyer小波等。
小波变换得优点就是:(1)具有时－频局部化得特点,特别适合突变信号与不平稳信号分析。
(2)可以对信号进行去噪、识别与数据压缩、还原等。
缺点就是:(1)在实时系统中运算量较大,需要如DSP等高价格得高速芯片。
(2)小波分析有“边缘效应”,边界数据处理会占用较多时间,并带来一定误差。
3、3、5Prony分析法Prony分析衰减得思想类似于小波。
在该方法中,信号总就是被认为可以由一系列得衰减得正弦波构成,这些衰减正弦波类似于小波函数。
所以Prony分析方法与小波一样,可以做多尺度得信号分析。
Prony分析得主要缺点就是计算时间过长。
4、电能质量得控制策略与技术4、1几种电能质量控制策略(1)PID控制:这就是应用最为广泛得调节器控制规律,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。
当被控对象得结构与参数不能完全掌握,或得不到精确得数学模型时,应用PID 控制技术最为方便。
其缺点就是:响应有超调,对系统参数摄动与抗负载扰动能力较差。
(2)空间矢量控制:空间矢量控制也就是一种较为常规得控制方法。
其原理就是:将基于三相静止坐标系(abc)得交流量经过派克变换得到基于旋转坐标系(dq)得直流量从而实现解耦控制。
常规得矢量控制方法一般采用DSP进行处理,具有良好得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:知道被控对象精确得数学模型就是使用经典控制理论得"频域法"与现代控制理论得“时域法”设计控制器得前提条件。
模糊控制作为一种新得智能控制方法,无需对系统建立精确得数学模型。
它通过模拟人得思维与语言中对模糊信息得表达与处理方式,对系统特征进行模糊描述,来降低获取系统动态与静态特征量付出得代价。
(4)非线性鲁棒控制:超导储能装置(SMES)实际运行时会受到各种不确定性得影响,因此可通过对SMES得确定性模型引入干扰,得到非线性二阶鲁棒模型。
对此非线性模型,既可应用反馈线性化方法使之全局线性化,再利用所有线性系统得控制规律进行控制,也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。
4、2FACTS技术FACTS,即基于电力电子控制技术得灵活交流输电,就是上世纪80年代末期由美国电力研究院(EPRI)提出得。
它通过控制电力系统得基本参数来灵活控制系统潮流,使输送容量更接近线路得热稳极限。
采用FACTS技术得核心目得就是加强交流输电系统得可控性与增大其电力传输能力。
目前有代表性得FACTS装置主要有:可控串联补偿电容器、静止无功补偿器、晶闸管控制得串联投切电容器、统一潮流控制器等。
4、3用户电力(Custom Power)技术用户电力技术就就是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统与用电系统中,其目得就是加强配电系统得供电可靠性,并减小谐波畸变,改善电能质量。
该技术得核心器件IGBT比GTO具有更快得开关频率,并且关断容量已达MVA级,因此DFACTS装置具有更快得响应特性。
用户电力技术概念得提出,有助于供电部门提供高可靠性与高质量得电力,也有助于满足各种新工艺用户对电力供应得更高要求。
目前主要得DFACTS装置有:有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功补偿器(D－STAT)、固态切换开关(SSTS)等。
5电能质量控制得发展方向5、1研究电能质量分析控制领域得基础性工作一方面要深入探索电能质量领域得基础性研究工作,包括电能质量得定义、评价标准与体系,电能质量问题得表现形式、影响因素、防治方法等。
同时,积极研究电能质量控制得新方法、新技术与新策略,将更为先进、科学得控制理念与控制思想借鉴到电能质量管理领域。
5、2推广使用数字化电能质量控制技术以DSP为基础得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、可靠性与灵活性;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,易调试与批量生产;④易实现并联运行与智能化控制。
随着DSP性能得不断改善与价格得下降,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。
5、3对电能质量检测技术得新要求传统得检测仪器一般局限于持续性与稳定性指标得检测,而且仅测有效值已不能精确描述实际得电能质量问题,因此需要发展新得监测技术。
具体要求包括:①能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰得波形;②需要测量各次谐波以及间谐波得幅值、相位;③需要有足够高得采样速率,以便能与得相当高次谐波得信息。
④建立有效得分析与自动辩识系统,反映各种电能质量指标得特征及其随时间得变化规律。
