（控制理论与控制工程专业论文）电能质量分析及其补偿方法的研究.pdf

硕十学伊论文 摘要 随着电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，电力系统 受到的“谐波污染 越来越严重。谐波对电力系统也造成了严重的危害和重大的 经济损失，治理谐波具有重大的意义。 本文给出了谐波、电压不平衡、电压波动与闪变等各项电能质量指标具体分 析方法，特别是在i e c 电压闪变分析方法基础上提出了补偿迭代算法，并通过实 例分析验证了理论分析方法的j 下确性，为研究电能质量问题提供了重要的数据。 针对谐波，本文采用了混合型有源电力滤波器( h a p f ) 进行补偿；分析了其工作 原理和技术特点；分别设计了电流检测电路、直流侧电压控制电路，电流跟踪控制 电路，逆变电路等电路；最后利用m a t l a b 仿真对理论分析进行了验证。本文着重 于有源电力滤波器的实用技术的研究，为了以后的实际研发和应用，在主电路的 参数设计方面给出了比较好的计算方法。仿真结果表明混合型有源电力滤波器的 确是一种实用有效的谐波补偿方法。 关键词：电能质量：l a b vie w ：谐波：混合型有源电力滤波器：主电路设计 电能质帚分析及其补偿方法的研究 , ,i,i li i_i i i 皇曼毫曼皇曼皇曼皇曼曼量曼量曼曼曼量曼皇量 a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n d i n go fp o w e rs y s t e ma n dt h ei n c r e a s i n go fn o n l i n e a rl o a d s ，t h e ”h a r m o n i cp o l l u t i o n ”o ft h ep o w e rs y s t e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s f o r h a r m o n i c so ft h ep o w e rs y s t e mm a yr e s u l ti ns e r i o u sd a m a g ea n dm a j o re c o n o m i c l o s s e s ，h a r m o n i ct r e a t m e n th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i ss h o w st h es p e c i f i ca n a l y s i sm e t h o df o rh a r m o n i c ，v o l t a g ei m b a l a n c e ， v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r ，a n do t h e ri n d i c a t o r so ft h ep o w e rq u a l i t y e s p e c i a l l yi t g i v e st h ec o m p e n s a t i o ni t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nt h ei e cv o l t a g ef l i c k e ra n a l y s i s m e t h o da n dv a l i d a t e st h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o db ye x a m p l e s a tt h es a m et i m e ， i tp r o v i d e si m p o r t a n td a t af o rt h es t u d yo ft h ep o w e r q u a l i t y t h i st h e s i su s e st h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) t oc o m p e n s a t eh a r m o n i c s ， a n a l y s e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lf e a t u r e s a n dt h ec u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ， d cv o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t ，c u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o lc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i ta r e d e s i g n e ds e p a r a t e l y f i n a l l yt h i st h e s i su s e sm a t l a bs i m u l a t i o nt ov e r i f yt h em e t h o d o ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n di tf o c u s e so nt h eu t i l i t yt e c h n o l o g yo ft h ea c t i v ep o w e r f i l t e r f o rt h ef u t u r e sa c t u a lr&da n d a p p l i c a t i o n i tg i v e saf e wb e t t e rm e t h o d so f c a l c u l a t i o ni nt h ep a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i td e s i g n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tu s i n gh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rt oc o m p e n s a t eh a r m o n i ci sap r a c t i c a la n d e f f e c t iv em e t h o d k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；l a b v i e w ；h a r m o n i c ；h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；t h e m a i nc i r c u i td e s i g n i i 硕卜学何论文 曼量曼量曼曼曼曼曼皇曼量! 音量曼曼曼曼皇ii。 一 i一 一一 i i 皇曼曼量曼曼曼量曼皇曼曼量 插图索引 图2 1 数据处理模块框图1 2 图2 2 电压波动分量1 5 图2 3 闪变仪的简化原理框图1 5 图2 4 补偿迭代算法的程序框图1 7 图2 5l a b v i e w 与e x c e l 数据交换程序1 8 图2 6a 相电压波形18 图2 7a 相电压有效值18 图2 8a 相电压频谱1 9 图2 9 三相不平衡度分析程序1 9 图3 1 单独使用并联型a p f 2 5 图3 2 单独使用串联型a p f 2 5 图3 3 串一并联a p f 2 5 图3 4 混合型a p f 2 6 图3 5 混合型有源电力滤波器系统构成2 8 图3 6p 、q 运算方式原理图2 9 图3 7 i p 、芘运算方式原理图2 9 图3 8 包括直流侧电压控制坏节的指令电流运算电路3 2 图3 9 滞环控制方式原理图3 4 图3 1 0 三角波比较方式原理图3 4 图4 1 主电路与滤波电路模型一3 6 图4 2 三相三线有源电力滤波器主电路3 8 图4 3 补偿电流参考值计算仿真模型4 1 图4 4 脉冲信号生成电路仿真模型4 l 图4 5 二阶高通滤波器4 2 图4 6 未加有源滤波器之前的电源电流4 3 图4 7 谐波检测结果4 3 图4 8 只加入并联型a p f 后电源电流4 4 图4 9 只加入并联型a p f 后电源电流f f t 变换4 4 图4 1 0 加入混合型a p f 后的电源电流及其f f t 变换4 5 i i i 电能质帚分析及其补偿方法的研究 附表索引 表2 1 六项电能质量国家标准摘要7 表2 2 三相电压短时间闪变统计值1 9 表3 1a p f 各种补偿电流控制方法比较3 3 i v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 鼻荧 r 期：1 年夕月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：卅年，月e l 醐。冲，月比日 僻 艾巧 卑弘 硕+ 学伊论文 i i 1 1 问题的提出 第1 章引言 电能作为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水 平的重要标志之一。由于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。同时由于电气铁道的发展以及化 工、冶金、钢铁、有色金属、煤炭和交通等工业部门大量使用了电力电子设备和 应用电力整流和换流技术，使大量谐波注入了电网，影响了供电质量，严重影响着 电网运行的经济性和可靠性。为了解决这些矛盾，分析和改善电网电能质量这一 工作成为了电力工作者面前的重要课题。 1 2 本课题的研究意义和必要性 近年来，电力科技工作者通过对电网中各种电力干扰现象的实时监测与识别， 对引起用电设备异常运行、故障或停电以至于造成生产过程紊乱的起因分析，认 为社会与科技的进步赋予了电能质量更多更新的内容。强化对电能质量概念的理 解，提高对改善电能质量重要性的认识已经成为当代电力系统的需要。当前电能 已作为商品进入市场，市场竞争的作用极大地促进了供用电双方对各种电能质量 现象的认识与关注，在进入2 1 世纪以后，国内外电力企业都把电力系统的电能质 量问题作为电力建设和发展的重要课题之一进行研究，提高电能质量已经成为当 前电力行业创建国际一流供电企业、实现电力可持续发展的一项重要内容和发展 策略，比较严格的电能质量标准以及相应的综合治理措施也已经处在进一步的宣 传、落实和贯彻执行之中。了解和改善电能质量是必不可少的。改善电能质量的 意义可简要概括为以下几点： ( 1 ) 改善电能质量是保证电力系统安全( 包括用户设备的用电安全) ，稳定、经 济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管 理水平考核的重要指标。 ( 2 ) 改善电能质量是提高国民经济总体效益、用电效益( 节能、降损) 和改善电 气环境，以及工业生产可持续发展的技术保证。 ( 3 ) 改善电能质量是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段。 ( 4 ) 改善电能质量通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常 用电秩序，为千家万户提供安全可靠的电能。 同时电能质量问题已提到了些经济发达国家( 或地区) 电力公司的议事日 程。相比较而言，在我国，在电能质量问题认识上和措施实践方面存在差距，还 电能质帚分析及其补偿方法的研究 詈詈曼暑量曼量皇詈量曼曼曼鼍曼鼍鼍暑暑詈量量曼曼曼曼曼皇皇詈曼曼i i i i 鼍皇曼暑量葛皇量皇皇曼皇詈量鲁量曼量詈曼曼曼曼量量量曼皇曼曼皇曼量量量葛鼍 顾不上开展细致的电能质量管理工作。日常工作上，对电能质量问题的把握也不 够全面，主要集中在电压合格率及谐波方面，对电压骤降以及供电瞬时中断引起 的电能质量问题、危害认识不足。在电力体制深化改革的同时，应当加强电能质 量问题的研究与管理工作【4 2 1 。 1 3 国内外研究现状 电能质量包括四个方面的相关术语和概念：电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 且1 用实 际电压与额定电压间的偏差( 偏差含电压幅值，波形和相位的偏差) ，反映供电企 业向用户供给的电力是否合格；电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) & 1 对用户取用电流提出 恒定频率、j 下弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功 率因数运行，这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低网损；供电质量 ( q u a l i t yo fs u p p l y ) 包含技术含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和 供电可靠性；非技术含义是指服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 包括供电企业对用户投 诉的反应速度和电力价格等；用电质量( q u a l i t yo f c o n s u m p t i o n ) 包括电流质量和非 技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供用双方相互作用与影响 用电方的责任和义务。一般地，电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常 工作的电压、电流或频率偏差。这个定义简单明晰，概括了电能质量问题的成因 和后果。 很多发达国家，从2 0 世纪9 0 年代初已开始大力开展电能质量方面【4 4 】的研究工 作。国外各大电力公司，为了自身电网控制、技术进步和对外形象宣传的需要， 积极倡导电能质量监测和控制，并建有对外开放的电能质量网站，实时发布有关 的电能质量信息( 如美国t v a ，a e p ，法国的e d f 等) 。在同本，电能质量的概念通 常包括频率偏差、电压偏差、三相不平衡、供电中断、电压暂降、闪变和谐波。 与我国目前的电能质量概念比较一致，但强调不中断供电是供电质量的基本要素。 在日本，多种电能质量控制设备，如u p s ，s v g 有源滤波器等已获得广泛应用。近 年来，解决电压暂降问题的动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 得到了大力 开发。美国对电能质量问题也进行了大量监测和研究工作。为了了解全国配电系 统的电能质量现状，9 0 年代美国电力科学研究院( e p r d ) 联合二十四家电力公司对 配电系统中2 7 7 个关键点进行监测。有些电力公司甚至将电能质量监测扩展到用户 端。e p r i 在对美国电能质量进行普查的同时，组织开发了电能质量诊断系统 p q d s 。该系统从数据采集、数据处理、数据管理、扰动识别、系统仿真和经济评 估等方面全方位地对电能质量问题实施了综合性的分析和管理，为以后开展电能 质量问题的研究工作奠定了良好的基础。现在美国许多公司和高校大力开展电能 质量方面的研究课题和培训工作，并向用户和电力企业提供多种电能质量解决方 案【。 2 硕卜学 ，论丈 我国已制定出六项电能质量方面的国家标准，涉及供电电压偏差、电网谐波、 电力系统频率偏差、三相电压不平衡、暂时过电压和瞬态过电压、电压波动和闪 变。各级电力部门和管理部门主要以这六项国标为依据，开展电能质量监测和评 价工作。目前，很多高校和研究院都在改善电能质量方面进行研究，主要还是针 对谐波的监测，治理和改善方面。很多公司已经研制出高精度的电能质量监测仪， 大大的提高了电能质量监测的准确性和可靠性，但因为造价高也没普遍使用。我 国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到二十世纪八十年代末才有论文发 表。九十年代以来一些高等院校和科研机构开始进行有源电力滤波器的研究，但 有关研究主要以理论研究和实验为主，虽然在理论上取得了一些进展，但由于多 方面条件的限制，使得到目前为止，有源电力滤波器未能在我国工业领域得到广 泛应用。但随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发展，电能质 量问题会越来越引起人们的关注，因此有源电力滤波器有着良好的发展前景和潜 在的技术经济效果。由于大容量a p f 的成本相当近些年提出和开发一些改善电能 质量的补偿装置，包括各种有源电力滤波器( a p f ) ( 单独型【4 7 1 、多变流器混合型【4 8 州】 以及a p f 与p f 混合型 z - 1 0 1 ) 、动态无功补偿器( s v c ) 、电能质量综合补偿装置( 即统 一电能质量调节器) ( u p q c ) 【4 3 】以及动态电压恢复器( d v r ) 等。现在研究最多的滤 波器是混合型，而且主要以理论研究和实验研究为主。目前，对混合型的解释有 两种：一种是统一电能质量控制器u p q c ，即在电路中加入串联a p f 和并联a p f 。 目前该技术在国内外处于研发阶段，国外有德国西门子公司，国内主要是一些高 等院校如清华大学、哈尔滨工业大学及东南大学等，但尚无工业产品投入现场实 际运行。另一种是混合型有源电力滤波器，采用有源部分与无源部分相结合的结 构，运行时并联接入系统。混合型有源电力滤波器由于接线简单、性能优良、运 行稳定，并能和传统的无功补偿装置如无源滤波器、电容器组等组合运行，可以 实现大容量无功补偿和动态谐波抑制，是适合我国国情的新型装置。 1 4 本课题的主要工作 本论文主要分电能质量分析和有源电力滤波器补偿谐波两大部分。首先建立 一个数据分析系统，分析采自电网数据的电能质量各项指标，和国家标准进行比 较，为以后的工作提供数据；然后针对谐波设计有源电力滤波器，并进行仿真研 究看其是否能补偿谐波提高电能质量。具体要做的工作如下： ( 1 ) 使用l a b v i e w 软件建立电能质量分析系统，主要分析包括谐波，电压波 动，三相不平衡度等项目指标看其是否能达到国家标准，同时证明l a b v i e w 软 件是否能够实现电能质量的准确分析； ( 2 ) 提出治理谐波的有效方案，通过比较选择最终确定使用并联混合型有源电 力滤波器来补偿谐波； 电能质帚分析及其补偿方法的研究 ( 3 ) 提出有源电力滤波器主电路各参数的设计方法： ( 4 ) 建立有源电力滤波器仿真系统并对仿真结果进行分析。 4 硕十学 ? ，论文 第2 章电能质量标准及其分析 电能作为商品，人们会对电能质量提出更高的要求，电能质量已逐渐成为全 社会共同关注的问题，有关电能质量的问题已经成为电工领域的前沿性课题，有 必要对其相关指标与改善措施作讨论和分析。 2 1 电能质量问题起因及特点 造成电能质量问题原因： ( 1 ) 电力负荷构成的变化。目前电力系统中存在大量非线性负荷：大规模电力 电子应用装置、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电气化铁道、感应加热 炉以及其它非线性负荷。另外还存在很多快速变化的冲击性负荷：如大型马达和 马达群组、高层大楼的高速电梯、汽车制造厂的电焊机、高速铁路、港口的起重 机以及其它快速变化负荷。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。资料分析显示，发达国家5 0 以上的负荷要通过电 力电子装置供电，我国目前3 0 左右的负荷经过各类功率变换后供用户使用，随 着人们节能意识及环保意识的增强，该类负荷在我国将会迅速增加。随着这些非 线性、冲击性负荷的大量使用，电能质量问题将会变得更加突出，对电网运行、 敏感电气设备的影响和危害将更加明显，电力事故发生的可能性将逐步表现为由 电能质量不合格所引起。 电能质量的特点主要包括： ( 1 ) 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动始终 处于动态平衡中，并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。在整个电力系统 中，不同时刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的，电能质量始终处在动态 变换中。 ( 2 ) 电能质量的相关性：电能不易大量存储，其生产、输送、分配和转换过程 直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦不达标， 相关设备就会受到不同程度的影响。 ( 3 ) 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能提供了最好的传 输途径。电能传播速度快、电气污染波及面大，会大大降低相连系统的电能质量。 ( 4 ) 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其质量 的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现，为安全运行留下了隐患。 ( 5 ) 电能质量的复杂性：电能质量的多个指标作用于同一个系统时，综合给出 电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评估 电能质帚分卞jr 及其补偿方法的研究 计算方法。 ( 6 ) 电能质量的整体性：保证电能质量要靠多方努力，因此要求电力供应方、 电力使用方、设备制造商等共同协作，指定统一和可操作额合适质量标准或单独 的供电质量协议，或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管理【2 1 。 2 2 电能质量标准简介 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常 使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术， 维护供电双方合法权益的依据。从六十年代开始，世界各国几乎都制定了有关供 电频率和电压允许变动的计划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变、 电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更 加完备的电能质量系列标准。随着工业经济国际化的发展，世界各国制定的电力 系统电能质量标准j 下在与国际权威专业委员会推荐标准及相应的试验条件等一系 列规定接轨，逐步实现标准的完整与统一。从2 0 世纪8 0 年代初，我国国家技术 监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准。这六项电能质量国家标准 的摘要如表2 1 所示。 1 电压偏差 供电电压偏差是电能质量的一项基本指标。电压偏差是指电力系统电压缓慢 变化时，实际电压与系统标称电压之差。通常指电压变化率小于每秒1 时实际电 压值与系统标称电压值之差，可用有名值或标么值表示，电压偏差定义见式： 电压偏差( ) = 璺塑雩瑟筹，。 电压偏差一般是由线路的电压损耗造成。电压偏差超标对用电设备和电网稳 定以及经济运行都有十分严重的影响。由于电网中各点的电压值不同，故整个电 力系统必须设置足够数量并具有代表性的发电厂、变电所、配电网以及各电压等 级用户的电压监测点。 2 电源频率偏差 电源频率变化( 或工频变化) 是指电力系统的基频偏离其标称值( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的扰动现象。交流电力系统的频率和发电机组的转速直接相对应。电力系统的负 荷大小在不断变化，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使 系统频率总是处于变化之中。频率变化的大小及其持续时间依赖于负荷的特性以 及发电控制系统对负荷变化的响应。超出系统稳态运行许可范围的频率变化可能 由以下原因引起：大型输电系统中的故障、一个大负荷的切换或一台大型发电机组 退出运行。 6 硕+ 学忙论文 表2 1 六项电能质量国家标准摘要 标准编号 标准名称允许限 值 1 3 5 k v 及以上为正负偏著绝对值之和不超过1 0 g b1 2 3 2 5供电电压允 2 1 0 k v 及以下三相供电为7 一1 9 9 0许偏差 3 低压照明用户为额定电压的+ 5 - 1 0 电压波动d 的限值和变动频度，有关：当，1 0 0 0 h 1 时， g b1 2 3 2 6 电压波动和对于低压( l v ) 和中压( m v ) ，d = 1 2 5 4 ；对于高 2 0 0 0 闪变压( h v ) ，d = 1 0 3 ；对于随机不规则的变动，d = 2 ( l v ，m v ) 和d = 1 5 ( h v ) g b t 三相电压允1 正常允许2 ，短时不超过4 1 5 5 4 3 许不平衡度2 每个用户一般不得超过1 3 1 9 9 5 各级电网谐波电压限值( ) 电压( k v ) t h d 奇次偶次 o 3 854 02 o g b t 公用电网谐 6 1 043 2l 。6 1 4 5 4 9 一 波3 5 6 632 4 1 2 1 9 9 3 l1 021 60 8 注1 2 2 0k v 电网参照l1 0k v 执行 2 表中t h d 为总谐波畸变率 g b t 电力系统频1 正常允许0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到0 5 h z 1 5 9 4 5 率允许偏差2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过0 2 h z 1 9 9 5 1 系统工频过电压限值 电压等级( k v ) 过电压限值( p u ) u m 2 5 2 ( i ) 1 3 u m 2 5 2 ( i i ) 1 4 g b t暂时过电压1 1 0 及2 2 01 3 1 8 4 8 1 和瞬态过电3 5 6 6 五 2 0 0 1压 3 1 01 1 压 注：1 指工频峰值电压 2 u m 2 5 2 ( i ) 和乩 2 5 2 ( i i ) 分别指线路短路器 两侧变电所的线路 2 操作过电压限值 7 电能质帚分析及其补偿方法的研究 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重合闸、非 对称故障分闸及振荡解列过电压限值 电压等级( k v ) 过电压限值( p u ) 5 0 02 0 + 3 3 02 2 + 1 1 0 2 5 23 0 水表示该过电压相对地统计操作过电压 运行频率偏差对电力系统及其设备的危害程度取决于偏差的大小和持续时 间。概括地说士0 2 h z 之内主要是经济问题，即造成设备的效率降低( 损耗增加) ： 偏差超出- 4 - 0 2 h z ，不仅仅使设备效率降低，而更主要的是危及设备的安全，则引 起不可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。频率的 调整，不论是正常运行工况，还是事故工况，都是力求系统中有功功率在标称频 率为轴心的允许波动范围内的输入输出平衡。这种平衡的实现，一是以增减电源 有功出力为主，限制和控制负荷的增减为辅，体现了以满足负荷累积需求为最终 目的的原则：二是根据频率波动量的大小，采取不同的措施。例如针对频率急剧增 减的情形，采用按频率自动增减负荷装置以及遏制系统特大功率缺额的措施。测 量系统频率最一般的方法是测量正弦稳态交流的单相电压信号在预定的时间间隔 ( 通常为1s ) 内的周期数，也可用高速秒表或记数器实现。这两种方法的精确程度 受被监测电压过零时引起的误差和参考时钟的速率及精度所局限。 3 电压不平衡 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有同样的幅值，并且按a b c 顺序互成2 n 3 角度，这样的系统叫做三相平衡( 或对称) 系统。然而由于存在种 种不平衡因素，实际电力系统并不是完全平衡的。电压不平衡可以定义为三相电 压平均值的最大偏差与三相电压平均值的百分比，也可以定义为负序或零序分量 与j 下序分量的比值。电压不平衡的因素可以归结为事故性的和正常性的两大类。 事故性的不平衡是由于三相系统中某一相( 或两相) 出现故障所致，例如一相或两 相断线、单相接地故障等。这种不平衡工况是系统运行不允许的，一般由继电保 护、自动装置动作切除故障事件后在短期内使系统恢复正常。正常性的不平衡则 是由于系统三相元件或负荷不对称所致。随着国民经济的发展，电力系统中出现 大量不平衡负荷，以及一些单相大容量负荷( 例如电阻炉、工频感应电炉和石墨化 炉等) ，使电网三相电压不平衡日趋严重，危及电力系统的安全和经济运行，在研 究不对称的三相电力系统时，广泛使用对称分量法在下节中会具体介绍。 4 谐波 供电系统谐波的定义是对周期性非j 下弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到 8 硕十学f p 论文 量量曼曼皇ii i i i, _ i i ,i 量罾量曼量曼置曼曼曼曼詈曼皇曼皇曼 与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电 量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( 疗i 厶钎) 称为谐波次数。电网中有时也存 在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n h a r m o n i c s ) 或分数谐波。谐波实际上是一种干 扰量，使电网受到“污染”。谐波对系统危害很大。它可以恶化电能质量指标，降 低电网的可靠性，增加电网损失，缩短电气设备的寿命，国际上公认谐波污染是 电网公害，必须采取措施加以限制。 5 电压波动与闪变 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动 波形是以有效值电压或峰值电压的包络线作为时间函数的波形。 电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，闪变这个术 语起源于电压波动对白炽灯的影响，它是人眼对照度波动的主观视感。由于同光 灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯，而且几乎所有的建筑照 明都装有大量的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯的闪变，则肯定 不会影响到闩光灯和电视机等的正常工作。因此，选择白炽灯的工况作为判断电 压波动值是否被接受的依据。准确地讲，电压波动是一种电磁扰动现象，而闪变 则是电压波动在某些负荷上的体现效果。然而，这两个术语常被联系在一起。因 此，我们也可以用电压闪变来指代电压波动。 2 3 电能质量分析方法 电能质量分析的作用主要有：量化评估系统电能质量性能水平，提供广泛意 义上的供电可靠性报告，发现并鉴别电能质量问题，确定系统优先投资顺序，检 验电力调整设备的性能以及为有关方面提供信息服务。 2 3 1 电能质量分析方法综述 近年来，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。 按所采用的分析方法的不同，电能质量分析方法主要可分为时域、频域和变换域 三类【53 1 。 2 3 1 1 时域仿真方法 在三类方法中，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由e m t p ，e m t d c ，n e t o m a c 等系统暂态仿真程序 和s p i c e ，p s p i c e ，s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。 9 电能质帚分卞j r 及其补偿方法1 1 勺研究 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盖范围。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己成为当务之急。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比较有发 展前途的方法。此外，由于e m t p 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。 2 3 1 2 频域模拟方法 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，利用常规谐波潮流计算， 分析谐波在系统的分布情况。在谐波分析中，线性网络可用下式表示。 乞= 匕乩 m 2 1 ，2 ，3 h( 2 1 ) 式中，为节点导纳矩阵：厶为注入电流源矢量：为节点电压矢量：i n 为谐波 次数；其中对应每个谐波频率的琊要单独生成。 通过向所需研究的节点注入幅值为1 的电流，其余节点的注入节点置为零，求 解式( 2 1 ) 所得电压即为该节点的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。 当注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗一频率的分布图， 从图中曲线的谷值和峰值可确定该节点发生串、并联谐振的频率。对应每个谐波 频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流矢量，代入式( 2 1 ) 即 可求出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成，又可得各节点电压的时域 波形。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮流计算中应用较多。 近年来又提出一种更精确的方法一混合谐波潮流计算法，可详细考虑非线性 负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性，缺点是计算量大，求解过程 复杂。频域模拟法的缺点就是使用范围太窄，一般只用于谐波问题。 2 3 1 3 基于变换域的方法 为了获得电能质量的信息，需要对三相电压、中线对地电压等信号进行测量 和储存，以构成电能质量分析的数据源。对这些数据进行处理通常使用基于变换 域的分析方法。近年来在电能质量分析领域内广泛应用的基于变换的方法主要有： f o u r i e r 变换、二次变换、小波变换( w t ) 、p r o n y 分析和神经网络等方法。 ( 1 ) f o u r i e r 变换 f o u r i e r 变换是电能质量分析领域中的基本方法，在实时系统中，通常采用短 时f o u r i e r 变换方法( s t f t ) 并 1 快速f o u r i e r 变换方法( f f t ) 。 f o u r i e r 变换的优点是算法快速简单。但其缺点也很多：( 1 ) 虽然能够将信号的 时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来。( 2 ) 只能适应 于确定性的平稳信号( 如谐波) ，对时变非平稳信号难以充分描述。( 3 ) s t f t 的离散 形式没有j 下交展开，难以实现高效算法；只适合于分析特征尺度大致相同的过程， 1 0 硕十学何论文 ! 皇曼曼鼍量曼曼曼i _i一i- - - - - ii o 不适合分析多尺度过程和突变过程。( 4 ) f f t 变换的时问信息利用不充分，任何信 号冲突都会导致整个频带的频谱散布；在不满足前提条件时，会产生“旁瓣”和“频 谱泄露”现象。 ( 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来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；精确测量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 ) 小波分析法 小波变换是新的多尺度分析数字技术，它通过对时间序列过程从低分辨率到 高分辨率的分析，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：d a u b e c h i e s 小波、b 小波、m o r l e t 小波m e y e r 小波等。 小波变换的优点是：( 1 ) 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。( 2 ) 可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。缺点是：( 1 ) 在实时系统中运算量较大，需要如d s p 等高价格的高速芯片。( 2 ) 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 ) p r o n y 分析法 p r o n y 分析衰减的思想类似于小波。在该方法中，信号总是被认为可以由一 系列的衰减的正弦波构成，这些衰减正弦波类似于小波函数。所以p r o n y 分析方 法和小波一样，可以做多尺度的信号分析。p r o n y 分析的主要缺点是计算时间过 长。 ( 5 ) 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：( 1 ) 可处理多输入一多输出系统，具有自学习、自适应 等特点。( 2 ) 不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。缺点是：( 1 ) 存在 局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度；( 2 ) 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；( 3 ) 网络结构不易优化。 另外文献 4 5 给出电能质量稳态指标和暂态指标的特点和现场的需求，提出 了f f t 与小波变换相结合的p q a g e n t 检测算法。本文谐波分析主要采用基于变 换域的方法。 2 3 2l a b v i e w 软件介绍 l a b v i e w 11 1 5 1 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软 电能质帚分析及其补偿方法的研究 件开成环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、繁琐、费 时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，用线条将各种功能 ( 图形) 连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进行编程、查错、调 试提供了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科研、开发的科学家和 工程技术人员使用。l a b v i e w 具体优势主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复 杂枯涩的文本编程工作中解放出来。 ( 2 ) 内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户 在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。 ( 3 ) 由于采用数据流模式，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤 其是多处理器的处理能力。 ( 4 ) 通过d l l 、c i n 节点、a c t i v e x 、n e t 或m a t l a b 脚本节点等技术可以 轻松实现l a b v i e w 与其他编程语言混合编程。 ( 5 ) 通过应用程序生成器可以轻松地发布e x e 、动态链接库或安装包。 ( 6 ) l a b v i e w 提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松 连接。 ( 7 ) l a b v i e w 内建了6 0 0 多个分析函数，用于数据分析和信号处理。 ( 8 ) n i 同时提供了丰富的附加模块，用于扩展l a b v i e w 在不同领域中的应用， 例如实时模块、p d a 模块、f p g a 模块、数据记录与监控( d s c ) 模块、机器视觉 模块与触摸屏模块等。 2 3 3 电能质量各指标分析 l a b v i e w 对电网数据分析处理【1 6 2 0 1 拟采用的数据处理模块的作用主要是对 采集的这些数据进行相应的数学运算，它由五个子模块组成分别完成对五项电能 质量指标的测量计算，组成框图如图2 1 所示： 2 3 3 1 频率计算子模块 图2 1 数据处理模块框图 1 2 硕十学何论文 曼鼍皇曼曼曼曼曼曼蔓曼鼍曼曼曼! 曼! 曼! ! 曼鼍iii i i i i 曼皇皇曼 用来计算采样信号的频率采用f f t 算法，通过f f t 变换计算出幅值最大的信号 此信号对应的频率就是基波频率，本方法计算精度高计算速度快，很好的实现了 频率的测量。 2 3 3 2 电压计算子模块 用来计算电压的有效值采用下式进行计算 斤可一 耻亭擎瓦 ( 2 2 ) 其中a t k 相邻两次采样的时间间隔 “卜第k 个时间间隔的电压采样瞬时值 - 一个周期内的采样点数 本系统的采样频率恒定所以4 疋为时间常数4 r = r n 有 厂- 阽万1 彰；* - i 2 ( 2 3 ) 2 3 3 3 谐波计算子模块 用来计算各次谐波的含量以及总谐波畸变率，通过高采样率以及抗混叠滤波 的处理保证了谐波分析的精度。傅里叶级数是研究和分析谐波的较成熟的方法， 对于周期为t = 2 7 r t o o 的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波 频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量，以电压“为例： “( f ) = 口。+ a ns i n ( n c o o t + c p ) ( 以= 1 ，2 ，3 ) ( 2 4 ) 式中，c o o = 2 刀 f o 为基波角频率，以s i n ( n c o o t + o ) 为第力次谐波，n c o o f f ；j 谐波频率， 谐波频率与基波频率的比值( n = n c o o c o o ) 为谐波次数。 对于求模拟信号连续频谱的一般方法是对它做傅立叶变换： 巴 u ( c o ) = lu ( t ) e 吖。d t( 2 5 ) 要在计算机上实现傅立叶变换的计算，所处理的信号则必须在时域和频域上都是 离散的和有限长的，因此为了计算傅立叶变