论电能质量的测量和控制

1、XXXXXXXXXXXXX学院毕业论文题 目 论电能质量的测量和控制 教 学 点 专 业 年 级 姓 名 指导教师 定稿日期： 年 月 日XXXXXX学院毕业论文任务书学生姓名专业班级论文题目接受任务日期年 月 日完成任务日期年 月 日指导教师（签名）指导教师单位论文内容目标 1。通过毕业论文时间教学环节，使我们所学的基础理论、专业知识、基本技能得到不同的巩固、深化、提高，学会用文献检索、调查研究、综合分析等方法编写报告，写作能力、口头表达能力得到一定的提高。 2。培养学生正确的设计思想、理论联系实际的工作能力和工作态度。进一步训练和提高学生的设计能力、技能能力、使用计算机的能力和文字的表达能

2、力。论文要求1。字数要求：专科论文不少于4000字，设计3000字以上；本科论文不少于5000字，设计4000字以上。2。论文或设计由：题目、摘要、关键字（词）、目录、正文、结论（结语）、参考文献、致谢、附录等几部分构成。参考资料书：著者。书名。版本，出版地：出版者，出版年：页次期刊：著者，题（篇）名。刊名，出版年；卷号（期号）：页次目 录摘要4一、电能质量的概念4 （一）电能质量的定义4 （二）电能质量的主要指标4（三）电能质量指标研究的目的和意义5二、电能质量的测量、计算方法5（一）电能质量检测的必要性5 （二）电能质量检测的目的以及检测内容6（三）电能质量检测装置的硬件配置及要求6（四）

3、影响电能质量的几个要素的检测、计算方法6三、电能质量的控制方法和手段8（一）SVC 8 （二）STATCOM 9（三）有源电力滤波器（APF） 9（四）电能质量控制策略9结语 10参考文献 10致谢 10论电能质量的测量和控制摘要：电能质量（Power Quality），从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：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，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。近年来，由于高压直流输电系统的应用和大量变频器、整流器

4、、电弧炉等非线性负载的接入，电网中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电动机车等大容量非对称负载的接入，局部电网的不对称度比较严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接入，部分电网的暂态干扰较大，电压闪变现象时常发生。电能质量一直是变电站和用电企业所关心的一个焦点，电能质量的问题也将随着社会经济的发展表现得越来越突出。而电能质量的超标会严重污染供电的环境，严重时更会危及供电网络以及供电设备的安全、稳定的运行，这些将会严重的影响电力企业的安全供电以及广大用电企业的经济效益。本文首先简要的介绍了电能质量的理论基础，以及电能质量的指标与分类，并介绍了电能质量的检测

5、和计算方法，和它们工作原理和组成。以及电能质量的相关控制策略和技术，并对该领域的发展方向进行了初步探讨。关键字：电能质量 一、电能质量的概念 （一）电能质量的定义 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相互对称且互差120°。但由于供配电系统中的发电机、变压器和线路等设备非线牲或不对称，用电负荷性质多变，加之调控手段不够完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，理想的供、配、用电态并不存在，因此产电网运行、电力设备和供用电等环节中的各种问题，从而产生了电能质量

6、的概念。 现代电能质量的概念不仅要保证频率、电压和供电可靠性，还要适应和满足大型算机系统、自动化生产流水线、微电子调速系统、信息网络系统等对电压暂态、稳态与频率质量极为严格的电能要求。园内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成共识，但这些定义虽然文字叙述稍有差别。 但是基本意义都是一样的。都是指：导致用户的设备故障或不能正常工作的电压、电流或者是频率的偏差。（二）电能质量的主要指标 虽然电能质量的定义没有统一，但是对其主要技术指标都有较为一致的认同。主要包括一下： （1）断电（interruption）。在一定的时间内，一相或多相完全失去电压，（电压幅值低于0.1.p.u）。断电按其持续时间可分

7、为瞬时断电、暂时断电和持续断电。 （2）电压偏差（包括电压凹陷voltage sags和电压凸起voltage swells）电压偏差概念：又称电压偏移，指供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化使供配电系统各点的电压也随之变化，各点的实际电压与系统的额定电压之差称为电压偏差。 （3）三相不平衡度（imbalance）。是指三相电力系统中三相电压不对称的程度。造成三相不平衡的原因主要有2类：一类是大容量不对称负荷的介入；二类是电网中的谐波。 （4）谐波（harmonic）。一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 （5）间谐波（interharmonic）。间谐波是指非工频频率整数

8、倍的谐波。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起，所有非线性的波动负荷，如电弧焊、电焊机、各种变频调速装置、同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐波波源，电力载波信号也是一种间谐波。 （6）电压波动和闪变（voltage fluctuation & flicker）：这种电压值在一定范围内（通常是额定值的90%-110%）有规律或者随机的变化，即称为电压波动。电压波动常引起许多电器设备不能正常工作，如：影响电视画面质量、使白炽灯发生闪烁等。由于许多设备的敏感度远远低于白炽灯，由此选择人对白炽灯的主观视感，即“闪变”作为衡量电压波动危害程度的评价指标。（三）电能质量指标研究的

9、目的和意义 电能质量对电力部门、用户以及电力负荷设备制造厂商有着重要的经济影响，电能质量备受关注的根本原因在于它的经济价值，进行电能质量研究的目的是改善和提高电能质量。 在能输送过程中，电力系统将受到各种因素的影响，到达用户的电能波形往往发生畸变。随着不对称负荷、冲击性负荷的容量和数量的不断增大，电网将不断受到干扰，电能质量也会不断恶化。另外，电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身，接入公用电网的半导体换流器和非线性负荷也将对电网产生明显的干扰，降低了配电网中的电能质量。电能质量的恶化将会给电力系统和用电设备带来严重危害。不难看出，在当代电力系统，深入了解和认识能电能质量，高度重视电能质量

10、下降对供用电系统运行的危害和影响、甚至对社会经济的作用和影响，对全面研究和管理电能质量问题具有极其重要的意文。二、电能质量的测量、计算方法（一）电能质量检测的必要性由于电能质量关系重大，已引起世界各国的广泛重视，其中美、日等发达国家已进行了多年的研究，取得了许多重要的理论和应用成果。一方面采取种种可能的技术措施，抑制电能质量的恶化，使其尽量得到改善，另一方面在系统中的特殊点处装设专门的电能监视装置，准确及时地检测出电能质量方面存在的问题。长期以来，我国的电力供应一直比较紧张,人们关注的焦点主要在电力供应量方面,对电能质量关心不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核。近年来，随着电力供应紧张局面

11、的初步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不断提高，这一问题也已引起了各级电力部门的高度重视，国家已颁布了有关的技术标准。专门监视记录电压合格率的自动装置已在一些电力部门投入实际运行，不少的微机式故障录波器、变电站自动化系统等装置中也考虑了兼顾电能质量监视的问题。然而，到目前为止，这些装置在电能质量监视方面的功能还比较单一，不具备综合分析和判断功能，一般也不具备异常报警功能，致使电能异常现象不能及时被发现，产生严重的后果。由此可见，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、安装简单、使用方便的电能质量综合监视装置，是十分必要的，对提高电力系统供电的安全性、可

12、靠性和经济性，保证用电设备的正常工作和工农业生产的持续高效，都有十分重要意义。（二）电能质量检测的目的以及检测内容电能质量检测的基本内容电能质量的检测通常包括主干电力网电能质量检测和特殊用电户的电能质量检测两种。主干电力网的检测装置安装在系统的枢纽变电站中，主要对系统母线电压进行监测，检测的目是了解整个电网的电能质量情况。特殊用户的电能质量检测装置可以安装在用户变电站的电源进线侧，也可以安装在向该用户供电的系统变电站的出线侧，主要监视装置安装处的母线电压和线路中的电流，检测的目的是了解被监视用户对电网产生污染的情况。装置测量计算的电气量主要有:三相电压、电流的有效值；电网的频率；电压、电流中各

13、次谐波的含量及谐波总含量；各次谐波的功率及畸变功率；波形及波峰因数；电压、电流中的负序和零序分量；在出现电压闪变的情况下，对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形。在检测的上述各量出现异常时,装置应能够根据要求给出声光报警信号，并能够记录异常发生的时刻、持续的时间等信息。（三）电能质量检测装置的硬件配置及要求与常规的微机式电气测量装置类似，电能质量检测装置的硬件电路主要包括输入变换电路、模拟预处理电路、数据采集与变换电路、微处理机电路、人机接口电路等几部分组成。其中，输入变换电路、模拟预处理电路和人机接口电路的构成和电路结构均与常规的微机式测控系统类似。数据采集与变换电路的结构与采

14、样频率的高低、输入信号动态范围的大小、以及测量的精度等诸多因素有关。由于在本应用中需要进行谐波量的计算和测量波形中的暂态信息，所以要求有较高的采样速度。 微处理机是构成整个检测装置的核心,它的优劣对装置的性能有决定性的影响。与一般的微机式测控系统相比，电能质量检测系统的主要特点是要求采样的速率较快，需要计算的量较多，计算的方法比较复杂，微机的运算工作量很大。常规的单片机系统处理能力较差，难以胜任如此繁重的计算任务，一般不宜采用。较好的选择是采用一个控制、接口能力较强的主CPU （ 如In tel80088、80c188、8031等） 和一个运算处理能力较强的专用数字信号处理器DSP （如T I

15、公司的TM S320系列或A nalog Devices 的ADSP2100系列等） 构成主从式的微机系统，由主CPU 负责系统的管理和控制、人机接口等任务，而由DSP 专门负责数据采集管理和分析计算。（四）影响电能质量的几个要素的检测、计算方法（1）电压值的检测为检测电压的合格率，需要进行电压有效值的计算。考虑到输入信号中含有谐波分量，输入电压的瞬时值可用下式表示:（1）式中U k表示第k 次谐波电压的峰值；k为其初相角；N 为所含谐波的最高次数，现取为16。电压有效值（即均方根值） 的定义为: （2）由该定义式可以导出有效值的两种计算方法。然后直接把（1） 代入（2） 式中，可以求出:而各

16、次谐波的峰值U k可以由FFT 算法求出。（2）三相不平衡度的检测电网中三相不平衡度的检测是通过计算三相电力系统中的负序分量和零序分量的方法来实现的。由于在计及谐波的情况下序分量的计算十分复杂，此处仅考虑对基波信号进行序分量计算。以基波电压信号为例，负序分量和零序分量的定义公式分别为:由FFT 算法计算出各相电压的实部和虚部，代入上式，即可求出负序和零序量，求它们与正序量的比值，即为负序和零序分量的含量。（3）谐波的检测若假定计算谐波的最高次数为16次，每周波采样32点，则谐波含量可用如下的方法进行计算。首先利用32点FFT 算法1， 计算出基波和各次谐波的实部和虚部，进而可以求出其幅值和相位

17、，幅值求出后，就可以求出各次谐波的含量和谐波总含量。以电压量为例，若用FFT 算法计算出的第K 次谐波（K= 216）的实部和虚部分别为U r （k ） 和U i （k ）， 则第K次谐波电压的幅值U k 和相位角k分别为: 基波电压的幅值和相位也可以用类似的方法算出。电力系统中，通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该次谐波的含量，即:而用总谐波畸变THD （Total Harmonic Distortion） 来反应总的谐波含量，其定义为:式中N 为谐波的最高次数，此处假定为16。除U K%和THD 外，电力系统中有时还可以用波形系数（Form Factor） 和波峰因数（Cres

18、t Factor） 来反应电网谐波污染的情况,它们的定义和计算公式分别为:式中U rm s为均方根值，即有效值；U aav为平均绝对值；Um ax为最大瞬时值。（4）电压闪变情况的检测电压闪变可以通过求电压突变量的办法来进行检测。其计算公式为:式中u （ t）为当前时刻的采样值；u （ t）为突变量值；n 可以选1，2， 为自然数。当由该式算出的突变量值大于整定值时，即判为电压闪变，此时将对闪变前后的波形进行存储记忆。 以上介绍了电网中常出现的几种影响电能质量的几个方面的检测以及计算的方法。三、电能质量的控制方法和手段电能质量问题受到人们越来越多的关注。随着电力电子技术盼发展，近年来国内外有关

19、单位就电能质量综合治理问题进行了广泛的研究和试验，提出了许多方案，其中有的方案已在现场实施投运。治理方案主要分为两大类：（1）基于晶闸管的静止无功补偿器（SVC），（2）基于可关断器件的静止同步补偿器（STATCOM）和有源电力滤波器（APF）。（一）SVCSVC在应用主要有两种形式，一种采用晶闸管相控电抗器（TCR）与固定电容器（FC）相结合，一种是晶闸管投切电容器（TSC）。（1）FC+TCR型静止无功补偿装置图1为两相形式的FC+TCR型静止无功补偿装置原理图，在牵引母线上投入FC和TCR。TCR控制器根据牵引网电压“及电流i综合给出控制角Ot，通过Ot改变相控电抗器中的电流，从而实现平

20、滑地调节无功功率的目的。TCR的无功功率随负载无功功率的变化而变化，且两者之和总维持为常数，为感性无功功率，与FC的容性无功功率相抵消。最终使电网的功率因数保持在较高的水平，同时使接触网电压保持在规定的范围内。为减轻机车负荷、抑制由相控电抗器产生并注入系统的谐波电流，FC一般设为单调谐滤波器 J。FC+TCR型静止无功补偿装置对无功电流的补偿效果很好，使用较大容量的装置并采用合适的控制方式对负序有较好的抑制作用，但这类装置滤波效果有限，不能很好地抑制注入系统的谐波。图1 FC+TCR型静止无功补偿装置原理图 TCR 3次滤波器5次滤波器 TCR 3次滤波器5次滤波器（2）TSC型静止无功补偿装

21、置在补偿母线上设置几组合适的电容器支路(实际应用中一般设置成单调谐滤波器)，TSC控制器根据牵引网电压u及电流i来计算需投入的电容器支路数量，按一定的寻优模式，通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投入与切除，实现有级调节无功功率的目的，最终使得系统的功率因数保持在较高的水平。为节约投资，实际应用中是将牵引母线电压通过协调变压器降到一定的电压水平。TSC型静止无功补偿装置响应速度快，对无功电流有很好的补偿效果，但滤波效果不太理想，不能很好地抑制注入系统的谐波，对负序也没有抑制作用。（二）STATCOM同SVC不同，STATCOM采用全控型器件。由于工作在电压源变流器模式，它不需要大容量的电抗器和电

22、容器等储能元件。改变控制方法可使其发出的无功功率呈电容性，也可使其吸收的无功功率呈电感性，且可实现连续调节。采用PWM控制或多重化的结构，使其输出电流接近正弦波，不需附加额外的滤波器。STATCOM补偿装置同SVC一样，具有两相和三相两种结构。此类装置自上个世纪9O年代中期以来，已在日本新干线上使用。除了这些常规的作为无功补偿器的用法以外，还有一些特殊的使用方式，如三/单相平衡变换器、功率调整器（RPC）等。（三）有源电力滤波器（APF）SVC抑制谐波所采取的措施主要是将固定电容器支路设置为滤波器，滤除牵引负荷产生的3、5、7次谐波电流。应该看到，此措施对抑制谐波有一定的效果，但为了防止系统产

23、生谐振，在实际应用中滤波器不能完全调谐，因此，效果有限，不能很好地滤除注入系统的谐波。抑制谐波的一种趋势是使用APF 。这种滤波器同STATCOM一样采用全控型器件，工作在电压源变流器模式，通过实时控制，对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，已在日本、欧美等国家获准广泛应用，并取得良好的效果。（四）电能质量控制策略（1）PID控制：这是应用最为广泛的调节器控制规律，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，易于在工程中实现。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。其缺点是：响应有超调，对系统参数摄动和抗负载扰动能力较差。（2）空间矢量控制：空间矢量控制也是一种较为常规的控制方法。其原理是：将基于三相静止坐标系（abc）的交流量经过派克变换得到基于旋转坐标系（dq）的直流量从而实现解耦控制。常规的矢量控制方法一般采用DSP进行处理，具有良好的稳态性能与暂态性能。也可采用简化算法以缩短实时运算时间。（3）模糊逻辑控制：知道被控对象精确的数学模型是使用经典控制理论的"频域法"和现代控制理论的“时域法”设计控制器的前提条件。模糊控制作