电能质量问题分析及控制策略

李小莹 王 平

（国网浙江省电力公司丽水供电公司，浙江 丽水323000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，电力行业的变化也是日新月异。许多高新技术产业的出现和发展影响着电力行业的发展，大功率的开关设备、变频调速装置、PLC等大量非线性负荷的投入使用，使电力系统的电能质量中出现了严重的谐波污染。而且由于现代化计算机技术的快速发展，许多用电设备对电能的变化非常敏感，较低的供电水平和质量会降低产品质量，这将会对我国一些重要的工业生产部门造成重大的损失。但是，基于微处理器控制的设备装置给人们的生活带来的极大的方便，这就需要我们深入学习有关电能质量方面的理论和技术，来合理地解决这样的矛盾。

1 电能质量问题

电能质量，从严格意思上来讲，衡量它的主要指标有电压、频率和波形，但是从普遍意义上来讲指的是优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。电能质量的概念为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，它的内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断以及供电连续性等。电能质量的具体指标包括：

（1）电网频率。电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可放宽到±0.5Hz。

（2）电压偏差。35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20kV及以下供电电压偏差为标称电压的±7%。

（3）三相电压不平衡。电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%。

（4）公用电网谐波。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内。

（5）公用电网间谐波。

（6）波动和闪变。

电能质量问题包括：高电压、低电压以及持续失电等持续时间比较长的问题；电压的骤降、骤升以及失电这类持续时间比较短的问题；波形畸变、三相电压不平衡、电压波动及闪变等。产生这些质量问题的原因包括：

（1）电力系统的元件中存在非线性问题。主要包括发电机谐波、直流输电谐波以及变压器谐波。

（2）电网中的非线性负荷所产生的影响，现在主要的非线性负荷为电弧炉。

（3）电力系统本身故障产生的电能质量问题，包括短路、发电机和变压器发生故障时励磁状态的改变等。

2 电能质量的控制策略与技术

2.1 控制策略

（1）PID控制。PID控制作为最早实用化的控制方法已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制理论。它不仅结构简单、稳定性好，而且工作可靠、调整方便，比较容易在工程中实现。当在控制过程中，我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，在实际使用中既有PI控制也有PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进行控制的。

（2）空间矢量控制。空间矢量控制方式的实质是将交流电动机和直流电动机等效，然后分别对速度、磁场2个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，分解定子电流而获得转矩和磁场2个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。其原理是：将交流量（基于三相静止坐标系）通过派克变换得到直流量（基于旋转坐标系），从而实现解耦控制。现在使用较多的矢量控制方法一般是采用DSP进行处理，它们的稳态和暂态性能都比较良好。简单地说，空间矢量控制就是将磁链与转矩解耦，这将大大有利于分别设计二者的调节器，实现高性能调速。

（3）模糊逻辑控制。模糊逻辑指模仿人类大脑中的不确定性现象并对它作出判断、推理的一种思维方式，对于未知模型或不能确定的线性系统，以及非线性、大滞后的控制对象，采用模糊规则和模糊集合的方式进行推理，对过渡性界限或定性知识经验进行表达，并且模拟人脑的处理方式，实行模糊判断，推理解决应用一般方法难以处理的模糊信息问题。

模糊控制是一种新兴的智能控制方式，它不需要建立精确的数学模型，而是通过模拟人的思维和语言中对模糊信息的处理方式，对信息特征进行模糊描述，从而来降低系统信息处理量。

（4）非线性鲁棒控制。所谓鲁棒性，是指控制系统在一定的参数摄动下，维持某些固定性能的特性。根据对性能的不同定义，可把它分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器，对于非线性模型，可以直接采用鲁棒控制器。

2.2 控制技术

（1）FACTS（柔性交流输电）技术。即通过在电力系统中加装电力电子装置，增强对电压、电流和功率的可控性，增大电力传输能力的技术。它能够灵活控制系统潮流，通过控制电力系统的基本参数，能够使输送容量更加接近整个线路的热稳极限。采用柔性输电技术的主要目的是在加强交流输电系统的可控制性的同时，增大整个电力线路的传输能力。简单来说，即为它能够增强交流电网的稳定性并降低电力传输的成本，通过为电网提供感应或无功功率来提高输电质量和效率。

（2）用户电力技术。其主要内容：对供电质量的各种问题采用综合的解决办法，在配电网和大量商业用户的供电端使用新型电力电子控制器。

FACTS技术和用户电力技术都以大功率可控硅为基础，与传统技术相比具有精确、快速、灵活等特点，是解决电能质量问题的有效手段。根据解决问题的出发点不同，这2种技术分属于系统侧技术与用户侧技术。FACTS侧重于输电系统，它常常是为了满足一个区域的大多数用户而进行设计的；用户电力装置侧重于配电系统，它往往是根据少数用户的要求而设计的。虽然二者的侧重点不同，但在电网中起到的作用是一样的，都可以使电网柔性化，提高输电能力。

（3）无功电压控制技术。其含义是对电网中的无功资源以及调压设备进行自动控制，以达到保证电网安全、优质和经济运行的目的。目前有变电站内的电压无功的控制（VQC）及基于调度自动化SCADA系统的全网无功电压优化集中控制系统（AVC），后者优点明显，经济效益可观，但由于电网AVC作为涉及电力系统多专业协调的系统工程，具有相当的复杂性，实际运行过程中需要进一步优化，如从区域优化控制走向分层分级联合协调控制，合理增加全网无功设备配置等。

3 电能质量分析方法及提高策略

电能质量分析方法包括：

（1）频域分析。这种分析方法主要是对频率的扫描和对各类谐波潮流的计算等，一般用在谐波的相关参数分析中。

（2）时域仿真分析。

（3）变换分析。具体分为小波分析、神经网络和PRONY等多种分析方法，是目前使用最为广泛的方法。

针对电能质量的分析，我们常用的提高电能质量的策略主要包括2大类：

（1）抑制电网电压的闪变和波动。它主要包括：通过选择合适的变压器分接头保证用电水平，从而来抑制电网电压的闪变和波动；通过在线路的出口端装设限流电抗器，来提高变电所母线遭受短路故障时的电压；减少变压器阻抗，通过使配电变压器并列运行，在运行过程中要注意并列运行的要素，使之尽量达到理想条件；采用电抗值最小的高低压配电方案。

（2）对电力系统电网的电能质量实施在线监测，可以采用连续的或者不定时的方式。在供电电压比较差、中间有非线性负荷接入点的地方尽量采用连续监测；在不适用连续监测的地方可以采用不定时监测，它也可以应用在已经掌握供电电能质量的场所。

4 结语

总之，由于电能质量与供电系统、用户及其用电设备特性都有关，无法独自解决，需从电力系统各个技术层面，包括发电、输电、供电和用户配合协调解决，但是由于它本身的矛盾性、复杂性和整体性导致最终效果始终不够理想。本文探讨了电能质量问题及其控制策略，以供同行参考。

［1］郭颖君，丁书文.供电系统电能质量控制策略［J］.华中电力，2003（1）

［2］黄朝.关于电能质量控制策略及技术的探讨［J］.中国—东盟博览，2012（9）