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。

(6) 瞬變 用電系統 干擾設備的安全運行 "電壓和電流在瞬態(tài)下發(fā)生的變化，瞬時(shí)態(tài)是指瞬流持續的時(shí)間非常之短，它可以在數億分之一秒內完成從迸發(fā)到消失的過(guò)程。

(7)電表 電表轉速加快，瞬流會(huì )嚴重地影響感性電度表表盤(pán)的作用力矩和轉速，使表盤(pán)發(fā)生階躍式地轉快。其結果，它會(huì )導致電度表對一個(gè)系統總的用電量的過(guò)度計量，此種過(guò)度計量，最高幅度可達30%。

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

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：(1)可處理多輸入-多輸出系統，具有自學(xué)習、自適應等特點(diǎn)。(2)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)。