摘要：随着我国社会经济的飞速发展，科学进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷及用户不断增长，各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备逐渐增多，同时人们对电能质量提出了较高的要求，在这一环境下，本文就对电能质量领域的相关理论及控制技术进行分析，并对电能质量管理和控制发展趋势进行探讨。
关键词：电能质量；分析；方法；控制；技术
随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷及用户不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。上述两方面的矛盾越来越突出，用户对电能质量的要求也更高，在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术，分析我国电能质量管理和控制的发展趋势，具有很强的观实意义。
1、电能质量的主要指标
由于所处立场不同，关注或表征电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。压偏差:是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起)的总称。频率偏差:对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。电压三相不平衡:表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。谐波和间谐波:含有基波整数的倍频率的正弦电压或电流称为谐波。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间谐波。电压波动和闪变:电压波动是指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倍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。
2、电能质量问题的产生
2.1电能质量问题的定义和分类
电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称，其实质是电压质量问题。电能质量问题按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。
2.2电能质量问题产生的原因分析
随着电力系统规模的不断扩大，电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因。
2.2.1电力系统元件存在的非线性问题
电力系统元件的非线性问题主要包括:发电机产生的谐波；变压器产生的谐波；直流输电产生的谐波；输电线路(特别是超高压输电线路)对谐波的放大作用。此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中，直流输电是目前电力系统最大的谐波源。
2.2.2非线性负荷
在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉(包括交流电弧炉和直流电弧炉)是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。
2.2.2电力系统故障
电力系统运行的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的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等都将造成各种电能质量问题(以上两例事故都是属电力系统故障造成的)。
3、电能质量分析方法
近年来，基于数字技术的各种分析方法已在以下的电能质量领域中得到广泛应用:①分析谐波在网络中的传播；②分析各种扰动源引起的波形畸变；③开发各种电能质量控制装置，分析它们在解决电能质量问题方面的作用。
3.1时域仿真方法
在3种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPI-CE、PSPICE、SABER等电力电子仿真程序两大类。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于电力系统主要由R、L、C等元件组成，这程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时，常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。利用隐式可保证求解过程中的数值稳定，采用变阶、变步长技术可缩短迭代计算的时间。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆范围。此外，在模仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。因此，要采用相应技术以抑制发生数值振荡。
影响电能质量的暂态现象根据电流、电压的波形可分脉冲暂态和振荡暂态两种，它们主要是由雷击线路和投切电力设备引起的。此外，伴随着暂态过程还会出现电压上升、下降、和闪变等现象。因此，利用上列暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究:①计算系统中出现的过电压，分析其对各种保护设备的影响；②分析电弧炉造成的电压闪变；③分析电容器投切造成的暂态现象；④分析可控换流器换流造成的电压波形下陷；⑤分析不正常接地引起的电能质量问题；⑥开发改善电能质量的新型电力电子控制器。由于配电系统中电能质量问题的日益严重，而广大电力用户对电能质量的要求不断提高，研究和应用各种改善电能质量的电力电子控制器已成为当务之急。利用暂态仿真程序对这些控制器及其控制策略进行仿真分析，将成为这些时域仿真程序在电能质量应用领域中最有发展前途的方法。此外，由于EMTP等系统暂态仿真程序的不断发展，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。
3.2基于变换的方法
3.2.1神经网络法
神经网络理论是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础，它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。神经网络法的优点是:可处理多输入-多输出系统，具有自学习、自适应等特点。不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可；缺点是:存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度，理想的训练样本提取困难，影响网络的训练速度和训练质量，网络结构不易优化。
3.2.2二次变换法
二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。该方法的基本原理是用时间和频率的双线性函数表示信号的能量函数。二次变换的优点是:可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻，精确准则基波和谐波分量的幅值；缺点是:无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，不具有时域分析功能。
3.2.3小波分析法
小波变换是新的多尺度分析数字技术，它通过以时间序列过程从低分辩率到高分辩率的分析，显示过程变化的整体特征和局部变化行为。常用的小波基函数有:DAUBECHIES小波，B小波，MOR-LET小波MEYER小波等。小波变换的优点是:具有时一频局部化的特点，特别适合突变信号和不平稳信号分析。可以对信号进行去噪，识别和数据压缩，还原等，缺点是:在实时系统中运算量过大，需要如DSP等高价格的高速芯片，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。
4、电能质量控制的发展方向
4.1研究电能质量分析控制领域的基础性工作
一方面要深入探索电能质量领域的基础性研究工作，包括电能质量的定义、评价标准与体系，电能质量问题的表现形式、影响因素、防治方法等。同时，积极研究电能质量控制的新方法、新技术和新策略，将更为先进、科学的控制理念和控制思想借鉴到电能质量管理领域。
4.2推广使用数字化电能质量控制技术
以DSP为基础的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、可靠性和灵活性；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，易调试和批量生产；④易实现并联运行和智能化控制。随着DSP性能的不断改善和价格的下降，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、结束语
随着电能质量问题的日益严重而广大用户对电能质量要求的不断提高，有关电能质量问题的研究将会不断深入。相应的时域仿真、谐波潮流计算、STFT以及近年来新出现的小波变换等各种分析方法将会随着计算机技术的不断发展在电能质量研究领域中得到更广泛的应用。
[参考文献]
[1]陈妍.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社.
[2]哈尔滨工业大学电工学教研室.电工学[M].北京:中国电力出版社.
论文作者:赵易辰,范亚红,张亮海,姜少华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：电能论文; 谐波论文; 质量论文; 电压论文; 质量问题论文; 时域论文; 电力系统论文; 《电力设备》2018年第13期论文;