電能質量數學模型的構建及實現

張紅 孫鵬 郭彥春

摘 要：近年來，非線性電子控件和以微處理器為基礎設備的負載器件被廣泛使用，從而導致出現了越來越多的電壓擾動，電子電子設備的使用會產生電壓波動，引起諧波、電壓下降、電壓上升、電壓中斷、閃變和波形失真等電能質量（PQ powder quality）問題，該文將電能質量擾動信號可以分為暫態和穩態兩種類型，以這兩種擾動類型為基礎，構建出電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、脈沖干擾、振蕩暫態等暫態波形和含有不同諧波的穩態數學模型。

關鍵詞：電能質量 模型 分類 構建

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）0178-01

電力系統中電子器件的增加導致電力網絡的復雜性提高和現代電力系統負載靈敏度的提高，這使得PQ問題變得越來越嚴重并在電網運行中日益突顯出來。對電能質量進行檢測，能夠使研究人員獲得系統參數[1]，可以從整體把握電能質量基本水平，以此了解電力系統運行狀況，為研究高效的電能質量做基礎[2]。

1 電能質量的分類

PQ問題大體上可以分為兩部分：暫態和穩態PQ問題。該文將主要給出暫態信號數學模型和穩態信號數學模型的定義、公式。

在實際的檢測應用研究中，電網系統標準電力信號為正弦信號，為了研究方便一般情況下都會將幅值做歸一化處理，其頻率為。在PQ檢測分析中的擾動實質上是歸一化后的正弦信號發生畸變，引起波形上下無規律的短時間的波動，該文按照實踐中的擾動數據信息對其建立數學模型，從而直觀的表現出這些擾動。

2 暫態模型

在PQ問題的研究中，暫態擾動（Transient Disturbance，TD）模型主要涵蓋了電壓暫降（Voltage Sag，VSG）、電壓暫升（Voltage Swell，VSW）、電壓中斷（Voltage Interruption，VI）、振蕩暫態（Transient Oscillation，TO）以及脈沖干擾（Impulse Interference，IPI）這幾種模型[3]。

2.1 電壓暫降

電壓暫降VSG是指電力電壓在標準工作環境下，受到外界干擾時其電壓幅值在極短的時間內迅速下降，一般VSG值是標準幅值的0.1～0.9倍，下降持續時間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動現象。電壓暫降產生的原因主要有電力系統機械故障，如系統發生接地短路故障、大容量電機的啟動和負載突增也會導致電壓暫降，數學模型如下所示：

（1）

公式（1）中，為擾動開始時間值；為擾動結束時間值。

2.2 電壓暫升

電壓暫升VSW是指電力電壓在標準工作環境下，受到外界干擾時其電壓幅值在極短的時間內迅速上升，一般VSV值是標準幅值的1.1～1.8倍，下降持續時間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動現象。其數學模型為：

（2）

2.3 電壓中斷

電壓中斷VI是指工作電壓在極短的時間內降低到標準幅值的0～0.1倍，并且中斷時間大約為0.01 s～1 min的電磁擾動現象。它是一種短時間的擾動現象，因此VI擾動的原因可能為電網內部系統出現故障，負載等大型電機出現故障或者部分設備失去控制而引起的系統失靈等，這些都會引起VI擾動。數學模型為：

2.4 脈沖干擾

脈沖干擾IPI是帶有突然性的以及被正常電壓頻率以外的頻率干擾下引起的正常電壓波動的具有單極性的一種擾動。一般情況下地球會按照的頻率產生閃電雷鳴等自然現象，這種電磁波對電能信號會產生強烈的干擾，這種干擾波也會隨之傳播到更遠的地方。其數學模型為：

2.5 振蕩暫態

振蕩暫態TO產生的原因與脈沖干擾IPI較為相似，唯一的區別是IPI是單極性的，而TO是雙極性的[2]。高頻振蕩多為脈沖引起的，低頻振蕩一般是由于電網中出現不必要的故障而引起的，其危害系數遠遠高于高頻振蕩。其數學模型為：

3 穩態模型

公用電網諧波數學模型不但含有穩定的基波還有多次諧波，還可能含有穩態的瞬時諧波，下面對典型的諧波類型進行擾動建模[4]。

（1）諧波a：表示為基波信號與各次諧波信號的線性組合，信號擾動模型為：

（6）

（2）諧波b：含有指數規律衰減的高次諧波，即在正弦波的基礎上疊加一個按指數規律衰減的高次諧波，其數學模型為：

（3）諧波c：帶有突變點的諧波擾動信號，信號擾動數學模型為：

4 結語

該文通過數學方法來構造擾動信號模型，并將PQ問題具體化分別從兩大類建立模型。暫態模型主要是以擾動時間短、電壓信號污染范圍小、具有典型特點的一類擾動信號。穩態問題的研究主要為諧波對電能質量的干擾。

參考文獻

[1] 林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術，2001，25（10）：5-12.

[2] 劉銳銳.暫時態電能質量擾動關鍵技術的研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[3] 趙騰.風電機組諧波分析及控制[J].風能，2011，3（1）：63-66.

[4] 張錚.基于小波變換的電能質量暫態擾動識別方法的研究[D].西安：西安科技大學，2012.