摘要：電能質(zhì)量的重要性隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展而不斷增強，并日益受到電力部門(mén)和消費者的重視。闡述了電能質(zhì)量的基本理論問(wèn)題及其分析研究方法，介紹了電能質(zhì)量的相關(guān)控制策略和技術(shù)，并對該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討。

　　關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；分析方法；控制技術(shù)

　　引言

　　隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線(xiàn)性負荷及用戶(hù)不斷增長(cháng)；各種復雜的、精密的，對電能質(zhì)量敏感的用電設備越來(lái)越多。上述兩方面的矛盾越來(lái)越突出，用戶(hù)對電能質(zhì)量的要求也更高，在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及其控制技術(shù)，分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢，具有很強的觀(guān)實(shí)意義。��

　　1、衡量電能質(zhì)量的主要指標

　　由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注或表征電能質(zhì)量的角度不同，人們對電能質(zhì)量的定義還未能達成完全的共識，但是對其主要技術(shù)指標都有較為一致的認識。

　�。�1）電壓偏差（voltage deviation）：是電壓下跌（電壓跌落）和電壓上升（電壓隆起）的總稱(chēng)。

　�。�2）頻率偏差（friquency deviation）：對頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶(hù)而異，各國對于該項偏差標準都有相關(guān)規定。

　�。�3）電壓三相不平衡（unbalance）：表現為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過(guò)規定的標準。

　�。�4）諧波和間諧波（harmonics & inter-hamonics）：含有基波整數倍頻率的正弦電壓或電流稱(chēng)為諧波。含有基波非整數倍頻率的正弦電壓或電流稱(chēng)為間諧波，小于基波頻率的分數次諧波也屬于間諧波。

　�。�5）電壓波動(dòng)和閃變（fluctuation & flicker）：電壓波動(dòng)是指在包絡(luò )線(xiàn)內的電壓的有規則變動(dòng)，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對照明燈的視覺(jué)影響。��

　　2、電能質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生

　　2.1電能質(zhì)量問(wèn)題的定義和分類(lèi)

　　電能質(zhì)量問(wèn)題是眾多單一類(lèi)型電力系統干擾問(wèn)題的總稱(chēng)，其實(shí)質(zhì)是電壓質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量問(wèn)題按產(chǎn)生和持續時(shí)間可分為穩態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。

　　2.2電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生原因分析

　　隨著(zhù)電力系統規模的不斷擴大，電力系統電能質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因。

　　2.2.1電力系統元件存在的非線(xiàn)性問(wèn)題

　　電力系統元件的非線(xiàn)性問(wèn)題主要包括：發(fā)電機產(chǎn)生的諧波；變壓器產(chǎn)生的諧波；直流輸電產(chǎn)生的諧波；輸電線(xiàn)路（特別是超高壓輸電線(xiàn)路）對諧波的放大作用。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補償裝置等因素對諧波的影響。其中，直流輸電是目前電力系統最大的諧波源。

　　2.2.2非線(xiàn)性負荷

　　在工業(yè)和生活用電負載中，非線(xiàn)性負載占很大比例，這是電力系統諧波問(wèn)題的主要來(lái)源。電弧爐（包括交流電弧爐和直流電弧爐）是主要的非線(xiàn)性負載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴重非線(xiàn)性引起的。居民生活負荷中，熒光燈的伏安特性是嚴重非線(xiàn)性的，也會(huì )引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高。大功率整流或變頻裝置也會(huì )產(chǎn)生嚴重的諧波電流，對電網(wǎng)造成嚴重污染，同時(shí)也使功率因數降低。

　　2.2.3電力系統故障

　　電力系統運行的內外故障也會(huì )造成電能質(zhì)量問(wèn)題，如各種短路故障、自然現象災害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機及勵磁系統的工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設備的啟動(dòng)等都將造成各種電能質(zhì)量問(wèn)題。��

　　3、電能質(zhì)量分析方法

　　3.1時(shí)域仿真法

　　時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序對電能質(zhì)量問(wèn)題中的各種暫態(tài)現象進(jìn)行研究。目前較通用的時(shí)域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統暫態(tài)仿真程序和SPICE、PSPICE、SABER等電力電子仿真程序。

　　采用時(shí)域仿真計算的缺點(diǎn)是仿真步長(cháng)的選取決定了可模仿的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過(guò)程的頻率覆蓋范圍。此外，在模仿開(kāi)關(guān)的開(kāi)合過(guò)程時(shí)，還會(huì )引起數值振蕩。��

　　3.2頻域分析法

　　頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，該方法多用于電能質(zhì)量中諧波問(wèn)題的分析。

　　頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線(xiàn)性負載動(dòng)態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發(fā)展起來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是可詳細考慮非線(xiàn)性負載控制系統的作用，因此可精確描述其動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)是計算量大，求解過(guò)程復雜。��

　　3.3基于變換的方法

　　在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應用的基于變換的方法主要有Fourier變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。

　　3.3.1Fourier變換

　　Fourier變換是電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中的基本方法，在實(shí)時(shí)系統中，通常采用短時(shí)Fourier變換方法（STFT）和快速Fourier變換方法（FFT）。

　　Fourier變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡(jiǎn)單。但其缺點(diǎn)也很多：

　�。�1）雖然能夠將信號的時(shí)域特征和頻域特征聯(lián)系起來(lái)觀(guān)察，但不能將二者有機地結合起來(lái)。

　�。�2）只能適應于確定性的平穩信號（如諧波），對時(shí)變非平穩信號難以充分描述。

　�。�3）STFT的離散形式?jīng)]有正交展開(kāi)，難以實(shí)現高效算法；只適合于分析特征尺度大致相同的過(guò)程，不適合分析多尺度過(guò)程和突變過(guò)程。

　�。�4）FFT變換的時(shí)間信息利用不充分，任何信號沖突都會(huì )導致整個(gè)頻帶的頻譜散布；在不滿(mǎn)足前提條件時(shí)，會(huì )產(chǎn)生“旁瓣”和“頻譜泄露”現象。

　　3.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論是巨量信息并行處理和大規模平行計算的基礎，它既是高度非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統，又是自適應組織系統，可用來(lái)描述認知、決策及控制的智能行為。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法的優(yōu)點(diǎn)是：

　　可處理多輸入－多輸出系統，具有自學(xué)習、自適應等特點(diǎn)。

　　不必建立精確數學(xué)模型，只考慮輸入輸出關(guān)系即可。

　　缺點(diǎn)是：

　�。�1）存在局部極小問(wèn)題，會(huì )出現局部收斂，影響系統的控制精度；

　�。�2）理想的訓練樣本提取困難，影響網(wǎng)絡(luò )的訓練速度和訓練質(zhì)量；

　�。�3）網(wǎng)絡(luò )結構不易優(yōu)化。

　　3.3.3二次變換法二次變換是一種基于能量角度來(lái)考慮的新的時(shí)域變換方法。該方法的基本原理是用時(shí)間和頻率的雙線(xiàn)性函數來(lái)表示信號的能量函數。

　　二次變換的優(yōu)點(diǎn)是：可以準確地檢測到信號發(fā)生尖銳變化的時(shí)刻；精確測量基波和諧波分量的幅值。缺點(diǎn)是：無(wú)法準確地估計原始信號的諧波分量幅值；不具有時(shí)域分析功能。

　　3.3.4小波分析法小波變換是新的多尺度分析數字技術(shù)，它通過(guò)對時(shí)間序列過(guò)程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過(guò)程變化的整體特征和局部變化行為。常用的小波基函數有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波Meyer小波等。

　　小波變換的優(yōu)點(diǎn)是：

　�。�1）具有時(shí)－頻局部化的特點(diǎn)，特別適合突變信號和不平穩信號分析。

　�。�2）可以對信號進(jìn)行去噪、識別和數據壓縮、還原等。

　　缺點(diǎn)是：

　�。�1）在實(shí)時(shí)系統中運算量較大，需要如DSP等高價(jià)格的高速芯片。

　�。�2）小波分析有“邊緣效應”，邊界數據處理會(huì )占用較多時(shí)間，并帶來(lái)一定誤差。

　　3.3.5Prony分析法Prony分析衰減的思想類(lèi)似于小波。在該方法中，信號總是被認為可以由一系列的衰減的正弦波構成，這些衰減正弦波類(lèi)似于小波函數。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號分析。Prony分析的主要缺點(diǎn)是計算時(shí)間過(guò)長(cháng)。

　　4、電能質(zhì)量的控制策略與技術(shù)

　　4.1幾種電能質(zhì)量控制策略

　�。�1）PID控制：這是應用最為廣泛的調節器控制規律，其結構簡(jiǎn)單、穩定性好、工作可靠、調整方便，易于在工程中實(shí)現。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學(xué)模型時(shí)，應用PID控制技術(shù)最為方便。其缺點(diǎn)是：響應有超調，對系統參數攝動(dòng)和抗負載擾動(dòng)能力較差。

　�。�2）空間矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標系（abc）的交流量經(jīng)過(guò)派克變換得到基于旋轉坐標系（dq）的直流量從而實(shí)現解耦控制。常規的矢量控制方法一般采用DSP進(jìn)行處理，具有良好的穩態(tài)性能與暫態(tài)性能。也可采用簡(jiǎn)化算法以縮短實(shí)時(shí)運算時(shí)間。

　�。�3）模糊邏輯控制：知道被控對象精確的數學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的“頻域法”和現代控制理論的“時(shí)域法”設計控制器的前提條件。模糊控制作為一種新的智能控制方法，無(wú)需對系統建立精確的數學(xué)模型。它通過(guò)模擬人的思維和語(yǔ)言中對模糊信息的表達和處理方式，對系統特征進(jìn)行模糊描述，來(lái)降低獲取系統動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價(jià)。

　�。�4）非線(xiàn)性魯棒控制：超導儲能裝置（SMES）實(shí)際運行時(shí)會(huì )受到各種不確定性的影響，因此可通過(guò)對SMES的確定性模型引入干擾，得到非線(xiàn)性二階魯棒模型。對此非線(xiàn)性模型，既可應用反饋線(xiàn)性化方法使之全局線(xiàn)性化，再利用所有線(xiàn)性系統的控制規律進(jìn)行控制，也可直接采用魯棒控制理論設計控制器。

　　4.2FACTS技術(shù)FACTS，即基于電力電子控制技術(shù)的靈活交流輸電，是上世紀80年代末期由美國電力研究院（EPRI）提出的。它通過(guò)控制電力系統的基本參數來(lái)靈活控制系統潮流，使輸送容量更接近線(xiàn)路的熱穩極限。采用FACTS技術(shù)的核心目的是加強交流輸電系統的可控性和增大其電力傳輸能力。

　　目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯(lián)補償電容器、靜止無(wú)功補償器、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器、統一潮流控制器等。

　　4.3用戶(hù)電力（Custom Power）技術(shù)用戶(hù)電力技術(shù)就是將電力電子技術(shù)、微處理機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等運用于中低壓配電系統和用電系統中，其目的是加強配電系統的供電可靠性，并減小諧波畸變，改善電能質(zhì)量。該技術(shù)的核心器件IGBT比GTO具有更快的開(kāi)關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性。

　　用戶(hù)電力技術(shù)概念的提出，有助于供電部門(mén)提供高可靠性和高質(zhì)量的電力，也有助于滿(mǎn)足各種新工藝用戶(hù)對電力供應的更高要求。目前主要的DFACTS裝置有：有源濾波器（APF）、動(dòng)態(tài)電壓恢復器（DVR）、配電系統用靜止無(wú)功補償器（D－STATCOM）、固態(tài)切換開(kāi)關(guān)（SSTS）等。��

　　5、電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向

　　5.1研究電能質(zhì)量分析控制領(lǐng)域的基礎性工作一方面要深入探索電能質(zhì)量領(lǐng)域的基礎性研究工作，包括電能質(zhì)量的定義、評價(jià)標準與體系，電能質(zhì)量問(wèn)題的表現形式、影響因素、防治方法等。同時(shí)，積極研究電能質(zhì)量控制的新方法、新技術(shù)和新策略，將更為先進(jìn)、科學(xué)的控制理念和控制思想借鑒到電能質(zhì)量管理領(lǐng)域。

　　5.2推廣使用數字化電能質(zhì)量控制技術(shù)以DSP為基礎的實(shí)時(shí)數字信號處理技術(shù)在控制領(lǐng)域得到廣泛應用，其優(yōu)點(diǎn)為：

　�、倏商岣呦到y穩定性、可靠性和靈活性；

　�、谟沙绦蚩刂�，改變控制方法或算法時(shí)不必改變控制電路；

　�、劭芍貜托院�，易調試和批量生產(chǎn)；

　�、芤讓�(shí)現并聯(lián)運行和智能化控制。隨著(zhù)DSP性能的不斷改善和價(jià)格的下降，電能質(zhì)量控制裝置將用DSP來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)信號處理從而取代模擬量控制。

　　5.3對電能質(zhì)量檢測技術(shù)的新要求傳統的檢測儀器一般局限于持續性和穩定性指標的檢測，而且僅測有效值已不能精確描述實(shí)際的電能質(zhì)量問(wèn)題，因此需要發(fā)展新的監測技術(shù)。具體要求包括：

　�、倌懿蹲娇焖伲╩s級甚至ns級）瞬時(shí)干擾的波形；

　�、谛枰獪y量各次諧波以及間諧波的幅值、相位；

　�、坌枰�有足夠高的采樣速率，以便能和得相當高次諧波的信息。

　�、芙�立有效的分析和自動(dòng)辯識系統，反映各種電能質(zhì)量指標的特征及其隨時(shí)間的變化規律。

　　5.4大力發(fā)展應用新技術(shù)電力電子技術(shù)的應用可以大大提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，

　　FACTS、CusPow等新技術(shù)更是為解決電能質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)拓了廣闊的前景，同時(shí)一些非電力電子技術(shù)的發(fā)展也很迅猛，將這些技術(shù)融合發(fā)展，并合理使用、大力推廣，必然會(huì )逐步滿(mǎn)足電力負荷對電能質(zhì)量日益提高的要求。