浅论电能质量控制策略

摘要：随着我国经济的快速发展，电能质量日益受到电力部门和消费者的重视。文中首先介绍了目前采用较为广泛的几种电能质量评价指标；其次介绍了包括 控制、自适PID应控制及智能控制等电能质量分析与控制方法。最后指出了电能质量控制技术的发展趋势。

关键词：电能质量；控制策略；用户电力技术

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-0118（2012）-03-0-02

一、引言

随着电力电子技术的快速发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用，同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题，直流输电和FACTS技术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。但另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越高，因而电能质量成为目前研究的热点。

二、电能质量评价指标

目前，世界各国对电能质量的定义都不完全相同。概括起来，电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性3个方面。对频率质量的要求全网相同，不因用户而改变，本文不做详细介绍。决定电压质量的指标很多，IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会最新采用11种专用术语来说明电压质量的主要扰动：

（一）电压中断（断电，interruption，outage）

在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于0.8（标幺值））称为断电。按持续时间长短，分为瞬时断电（0.5周期-3s）、暂时断电（3s-60s）和持续断电（大于60s）。

（二）频率偏差（frequency deviation）

各国对此均已做出明确规定。

（三）电压下跌（sag）（电压跌落，dip）

持续时间为0.5周期-1min，幅值为0.1-0.9（标幺值），系统频率仍为标称值。

（四）电压上升（电压隆起，swell）

电压（或电流）持续时间为0.5周期～1min，幅值为1.1-1.8（标幺值），系统频率仍为标称值。

（五）瞬时脉冲（impulse）

在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的电压（或电流）变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第1个尖峰。

（六）电压波动（fluctuation）与闪变（flicker）

电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9-1.1电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

（七）电压切痕（notch）

电压切痕是一种持续时间小于0.5周期的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。

（八）谐波（harmonics）

含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。

（九）间谐波（inter harmonics）

含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波会使照明装置引发视觉闪变。

（十）过电压（overvoltage）

电压（或电流）持续时间为大于1min，幅值为1.1-1.2（标幺值），系统频率仍为标称值。

（十一）欠电压（undervoltage）

电压（或电流）持续时间为大于1min，幅值为0.8-0.9（标幺值），系统频率仍为标称值。

电能质量问题归纳起来主要包括以下4个方面：1、电压波动（fluctuation）和闪变（flicker）；2、谐波（harmonics）；3、电压三相不平衡（unbalance）；4、电压降低（dip）和供电中断（outage）。

二、电能质量分析与控制方法

改善电能质量的装置和措施很多，以大功率电力电子器件为核心单元的新型装置可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动，而常规措施则很好地适用于稳态电压调整。电能质量控制装置按功能可分为以下三大类：无功补偿装置、滤波器和着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质量调节器（UPQC）。要想使电能质量控制装置充分发挥其设计功能，采用准确、高效的分析与控制方法是至关重要。

（一）扰动信号的提取

对于电压波动和闪变、谐波、三相不平衡这些变化相对较缓慢、持续时间较长的电能质量问题，对称分量法、谐波分析法是最常用的时域分析方法。它们的特点是数学表达式简单，物理概念明确。但时域分析方法计算量大、耗时长，不能实现实时、在线控制，因此必须采用变换的方法，快速、准确地得到所需的控制信号。傅里叶变换作为最经典的信号处理手段在电能质量检测中发挥了重要作用。对于电压下跌、电压上升、瞬时脉冲以及电压瞬时中断等这类电能质量扰动，由于它持续时间短，发生时间具有很大的随机性，傅里叶变换已不能满足要求，因此必须采用新的信号分析方法，如加窗傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换等。

谐波电流的检测与分析是电能质量分析的另一个重要方面。现有的谐波电流检测方法有基于Fryze功率定义的检测方法、模拟带通滤波器检测方法、基于频域分析的FFT检测方法、同步测定法、自适应检测法、基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测法等，此外还有基于小波变换的时变谐波检测法、基于鉴相原理的谐波电流检测法、基于人工神经网络的谐波检测法等。

（二）控制策略

传统的一些用于稳态电压调整的装置，如并联电容器、并联电抗器、变压器分接头等都是机械式的，它们对电能质量问题反应速度慢、控制不精确、调节能力有限，过去一般采用手动控制的方法，现在有一部分装置采用了自动投切的方法，其控制策略既有非常简单的开环控制，也有采用模糊控制、智能控制等现代控制策略的。

根据提取出的电能质量扰动信号来确定最终变流器的触发信号，目前研究及应用比较广泛的控制方法有以下几种：

1、PID控制

这是电力系统中最常用的方法，其理论完善、鲁棒性强、稳定性好、稳态精度高，易于在工程中实现。

2、滞环比较控制

目前在跟踪谐波电流方面应用最广泛的控制方法是滞环比较控制。滞环比较控制的原理是将被控制量与它的给定值在给定范围内进行比较以确定电能变换器开关元件的开关时序。滞环比较控制具有反应速度快、控制精度高、容易实现和不需要了解负载特性等优点；主要缺点是开关频率不固定，用于三相三线系统时有严重的相间干扰，在负载换路时被控制量往往不能得到有效控制等。

3、空间矢量控制

空间矢量控制的原理是将测量得到的基于三相静止坐标系的交流量（abc）经过Park变换得到基于两相旋转坐标系的直流量（dq），实现解耦控制，具有良好的稳态性能与暂态性能。

4、无差拍控制

K.P.Gokhale等人在1987年首先提出逆变器无差拍控制方法，它的主要思想是根据系统的状态方程和当前的状态信息推算出下一周期的开关控制量，最终达到使输出量跟踪输入量的目的。

5、反馈线性化

直接反馈线性化（DFL――direct feedback linearization）方法即通过对系统非线性因素的精确补偿，将原系统转换为线性系统，即可用线性控制理论加以控制。

6、非线性鲁棒控制

考虑SMES（超导储能装置）实际运行时会受到各种不确定性的影响，因此可通过对SMES的确定性模型引入干扰，得到非线性二阶鲁棒模型。对此非线模型，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的控制规律进行控制；也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。

7、自适应控制

实际的SMES系统在运行过程中必然会受到负载扰动及其他环境因素变化的影响。采用常规的控制器，以一组不变的控制器参数去适应各种变化显然难以取得满意的结果。

8、模糊逻辑控制

用经典控制理论的“频域法”和现代控制理论的“时域法”设计控制器时，必须知道被控对象精确的数学模型。自适应控制、自校正控制虽然在很大程度上降低了对建模精度的要求，但需要使用大量的先验数据，而且要对模型进行在线辨识，算法复杂、计算量大，限制了其应用范围。

9、人工神经网络（ANN）

人工神经网络具有自适应和自组织能力，可以根据输入、输出学会它们之间的非线性关系，而不需要系统的数学模型；ANN的容错性和自适应性可以应付复杂系统在运行过程中的众多不确定因素，提高系统的抗干扰能力；ANN固有的并行结构和并行处理能力使它可以快速处理系统的大量数据。

三、电能质量控制技术的发展趋势

电能质量控制是一个复杂的系统工程，它涉及到电力系统、电力电子、自动控制等多个方面。

我国在电能质量方面的研究总的来说才刚刚起步，大部分研究都局限在谐波和无功补偿的范围内，与国外还存在着很大的差距。各种APF，SVC，UPQC，DVR等电能质量补偿装置仍处在理论研究和实验研究阶段。结合目前国内外电能质量的研究现状以及社会发展对电能质量提出的新要求，应在以下3个方面对电能质量控制技术进行研究和完善：

（一）基础理论研究

电能质量评价指标的科学界定以及各项指标的合理计算方法，新的分析与控制方法的研究，新的电能质量控制装置并网运行对系统可能产生的影响（包括稳态与动态性能）等。

（二）积极采用其他领域的新技术，为电能质量控制技术带来新的活力

采用基于高速数字信号处理器（DSP）的数字化控制装置取代传统的用模拟量控制的电能质量控制装置，用固态电子开关取代常规高压开关以实现同步开断，利用燃料电池和微型燃汽轮机等分布式清洁能源提高供电可靠性和电能质量

（三）大力发展用户电力技术（custom power）

这是一种应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制和为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。

四、结语

电能质量的好坏直接影响社会生产、生活的各个方面，提供和维护高品质的电力能源，不仅是电力部门的责任，也是全社会共同追求的目标。满足其中每一个用户的电力供应需求，实现可靠性和经济性的协调和统一。

参考文献：

[1]陈警众.电能质量讲座(第2讲)[J].供用电,2000,17(4):52-55.