電能質量問題分析及控制策略

李小瑩 王 平

（國網浙江省電力公司麗水供電公司，浙江 麗水323000）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，電力行業的變化也是日新月異。許多高新技術產業的出現和發展影響著電力行業的發展，大功率的開關設備、變頻調速裝置、PLC等大量非線性負荷的投入使用，使電力系統的電能質量中出現了嚴重的諧波污染。而且由于現代化計算機技術的快速發展，許多用電設備對電能的變化非常敏感，較低的供電水平和質量會降低產品質量，這將會對我國一些重要的工業生產部門造成重大的損失。但是，基于微處理器控制的設備裝置給人們的生活帶來的極大的方便，這就需要我們深入學習有關電能質量方面的理論和技術，來合理地解決這樣的矛盾。

1 電能質量問題

電能質量，從嚴格意思上來講，衡量它的主要指標有電壓、頻率和波形，但是從普遍意義上來講指的是優質供電，包括電壓質量、電流質量、供電質量和用電質量。電能質量的概念為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，它的內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷以及供電連續性等。電能質量的具體指標包括：

（1）電網頻率。電力系統正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當系統容量較小時，偏差限值可放寬到±0.5Hz。

（2）電壓偏差。35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%；20kV及以下供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

（3）三相電壓不平衡。電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不超過4%。

（4）公用電網諧波。用戶注入電網的諧波電流允許值應保證各級電網諧波電壓在限值范圍內。

（5）公用電網間諧波。

（6）波動和閃變。

電能質量問題包括：高電壓、低電壓以及持續失電等持續時間比較長的問題；電壓的驟降、驟升以及失電這類持續時間比較短的問題；波形畸變、三相電壓不平衡、電壓波動及閃變等。產生這些質量問題的原因包括：

（1）電力系統的元件中存在非線性問題。主要包括發電機諧波、直流輸電諧波以及變壓器諧波。

（2）電網中的非線性負荷所產生的影響，現在主要的非線性負荷為電弧爐。

（3）電力系統本身故障產生的電能質量問題，包括短路、發電機和變壓器發生故障時勵磁狀態的改變等。

2 電能質量的控制策略與技術

2.1 控制策略

（1）PID控制。PID控制作為最早實用化的控制方法已有70多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制理論。它不僅結構簡單、穩定性好，而且工作可靠、調整方便，比較容易在工程中實現。當在控制過程中，我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，在實際使用中既有PI控制也有PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量來進行控制的。

（2）空間矢量控制。空間矢量控制方式的實質是將交流電動機和直流電動機等效，然后分別對速度、磁場2個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，分解定子電流而獲得轉矩和磁場2個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。其原理是：將交流量（基于三相靜止坐標系）通過派克變換得到直流量（基于旋轉坐標系），從而實現解耦控制。現在使用較多的矢量控制方法一般是采用DSP進行處理，它們的穩態和暫態性能都比較良好。簡單地說，空間矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，這將大大有利于分別設計二者的調節器，實現高性能調速。

（3）模糊邏輯控制。模糊邏輯指模仿人類大腦中的不確定性現象并對它作出判斷、推理的一種思維方式，對于未知模型或不能確定的線性系統，以及非線性、大滯后的控制對象，采用模糊規則和模糊集合的方式進行推理，對過渡性界限或定性知識經驗進行表達，并且模擬人腦的處理方式，實行模糊判斷，推理解決應用一般方法難以處理的模糊信息問題。

模糊控制是一種新興的智能控制方式，它不需要建立精確的數學模型，而是通過模擬人的思維和語言中對模糊信息的處理方式，對信息特征進行模糊描述，從而來降低系統信息處理量。

（4）非線性魯棒控制。所謂魯棒性，是指控制系統在一定的參數攝動下，維持某些固定性能的特性。根據對性能的不同定義，可把它分為穩定魯棒性和性能魯棒性。以閉環系統的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器，對于非線性模型，可以直接采用魯棒控制器。

2.2 控制技術

（1）FACTS（柔性交流輸電）技術。即通過在電力系統中加裝電力電子裝置，增強對電壓、電流和功率的可控性，增大電力傳輸能力的技術。它能夠靈活控制系統潮流，通過控制電力系統的基本參數，能夠使輸送容量更加接近整個線路的熱穩極限。采用柔性輸電技術的主要目的是在加強交流輸電系統的可控制性的同時，增大整個電力線路的傳輸能力。簡單來說，即為它能夠增強交流電網的穩定性并降低電力傳輸的成本，通過為電網提供感應或無功功率來提高輸電質量和效率。

（2）用戶電力技術。其主要內容：對供電質量的各種問題采用綜合的解決辦法，在配電網和大量商業用戶的供電端使用新型電力電子控制器。

FACTS技術和用戶電力技術都以大功率可控硅為基礎，與傳統技術相比具有精確、快速、靈活等特點，是解決電能質量問題的有效手段。根據解決問題的出發點不同，這2種技術分屬于系統側技術與用戶側技術。FACTS側重于輸電系統，它常常是為了滿足一個區域的大多數用戶而進行設計的；用戶電力裝置側重于配電系統，它往往是根據少數用戶的要求而設計的。雖然二者的側重點不同，但在電網中起到的作用是一樣的，都可以使電網柔性化，提高輸電能力。

（3）無功電壓控制技術。其含義是對電網中的無功資源以及調壓設備進行自動控制，以達到保證電網安全、優質和經濟運行的目的。目前有變電站內的電壓無功的控制（VQC）及基于調度自動化SCADA系統的全網無功電壓優化集中控制系統（AVC），后者優點明顯，經濟效益可觀，但由于電網AVC作為涉及電力系統多專業協調的系統工程，具有相當的復雜性，實際運行過程中需要進一步優化，如從區域優化控制走向分層分級聯合協調控制，合理增加全網無功設備配置等。

3 電能質量分析方法及提高策略

電能質量分析方法包括：

（1）頻域分析。這種分析方法主要是對頻率的掃描和對各類諧波潮流的計算等，一般用在諧波的相關參數分析中。

（2）時域仿真分析。

（3）變換分析。具體分為小波分析、神經網絡和PRONY等多種分析方法，是目前使用最為廣泛的方法。

針對電能質量的分析，我們常用的提高電能質量的策略主要包括2大類：

（1）抑制電網電壓的閃變和波動。它主要包括：通過選擇合適的變壓器分接頭保證用電水平，從而來抑制電網電壓的閃變和波動；通過在線路的出口端裝設限流電抗器，來提高變電所母線遭受短路故障時的電壓；減少變壓器阻抗，通過使配電變壓器并列運行，在運行過程中要注意并列運行的要素，使之盡量達到理想條件；采用電抗值最小的高低壓配電方案。

（2）對電力系統電網的電能質量實施在線監測，可以采用連續的或者不定時的方式。在供電電壓比較差、中間有非線性負荷接入點的地方盡量采用連續監測；在不適用連續監測的地方可以采用不定時監測，它也可以應用在已經掌握供電電能質量的場所。

4 結語

總之，由于電能質量與供電系統、用戶及其用電設備特性都有關，無法獨自解決，需從電力系統各個技術層面，包括發電、輸電、供電和用戶配合協調解決，但是由于它本身的矛盾性、復雜性和整體性導致最終效果始終不夠理想。本文探討了電能質量問題及其控制策略，以供同行參考。

［1］郭穎君，丁書文.供電系統電能質量控制策略［J］.華中電力，2003（1）

［2］黃朝.關于電能質量控制策略及技術的探討［J］.中國—東盟博覽，2012（9）