論電能質(zhì)量的測量和控制

1、XXXXXXXXXXXXX學(xué)院畢業(yè)論文題 目 論電能質(zhì)量的測量和控制 教 學(xué) 點 專 業(yè) 年 級 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期： 年 月 日XXXXXX學(xué)院畢業(yè)論文任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級論文題目接受任務(wù)日期年 月 日完成任務(wù)日期年 月 日指導(dǎo)教師（簽名）指導(dǎo)教師單位論文內(nèi)容目標(biāo) 1。通過畢業(yè)論文時間教學(xué)環(huán)節(jié)，使我們所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識、基本技能得到不同的鞏固、深化、提高，學(xué)會用文獻(xiàn)檢索、調(diào)查研究、綜合分析等方法編寫報告，寫作能力、口頭表達(dá)能力得到一定的提高。 2。培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想、理論聯(lián)系實際的工作能力和工作態(tài)度。進(jìn)一步訓(xùn)練和提高學(xué)生的設(shè)計能力、技能能力、使用計算機的能力和文字的表達(dá)能

2、力。論文要求1。字?jǐn)?shù)要求：專科論文不少于4000字，設(shè)計3000字以上；本科論文不少于5000字，設(shè)計4000字以上。2。論文或設(shè)計由：題目、摘要、關(guān)鍵字（詞）、目錄、正文、結(jié)論（結(jié)語）、參考文獻(xiàn)、致謝、附錄等幾部分構(gòu)成。參考資料書：著者。書名。版本，出版地：出版者，出版年：頁次期刊：著者，題（篇）名。刊名，出版年；卷號（期號）：頁次目 錄摘要4一、電能質(zhì)量的概念4 （一）電能質(zhì)量的定義4 （二）電能質(zhì)量的主要指標(biāo)4（三）電能質(zhì)量指標(biāo)研究的目的和意義5二、電能質(zhì)量的測量、計算方法5（一）電能質(zhì)量檢測的必要性5 （二）電能質(zhì)量檢測的目的以及檢測內(nèi)容6（三）電能質(zhì)量檢測裝置的硬件配置及要求6（四）

3、影響電能質(zhì)量的幾個要素的檢測、計算方法6三、電能質(zhì)量的控制方法和手段8（一）SVC 8 （二）STATCOM 9（三）有源電力濾波器（APF） 9（四）電能質(zhì)量控制策略9結(jié)語 10參考文獻(xiàn) 10致謝 10論電能質(zhì)量的測量和控制摘要：電能質(zhì)量（Power Quality），從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。其可以定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。近年來，由于高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用和大量變頻器、整流器

4、、電弧爐等非線性負(fù)載的接入，電網(wǎng)中的諧波污染情況日趨嚴(yán)重，諧波含量不斷增加；由于個別超高壓輸電線路不循環(huán)換位和電動機車等大容量非對稱負(fù)載的接入，局部電網(wǎng)的不對稱度比較嚴(yán)重；由于大容量軋鋼機等沖擊性負(fù)載的接入，部分電網(wǎng)的暫態(tài)干擾較大，電壓閃變現(xiàn)象時常發(fā)生。電能質(zhì)量一直是變電站和用電企業(yè)所關(guān)心的一個焦點，電能質(zhì)量的問題也將隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展表現(xiàn)得越來越突出。而電能質(zhì)量的超標(biāo)會嚴(yán)重污染供電的環(huán)境，嚴(yán)重時更會危及供電網(wǎng)絡(luò)以及供電設(shè)備的安全、穩(wěn)定的運行，這些將會嚴(yán)重的影響電力企業(yè)的安全供電以及廣大用電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文首先簡要的介紹了電能質(zhì)量的理論基礎(chǔ)，以及電能質(zhì)量的指標(biāo)與分類，并介紹了電能質(zhì)量的檢測

5、和計算方法，和它們工作原理和組成。以及電能質(zhì)量的相關(guān)控制策略和技術(shù)，并對該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了初步探討。關(guān)鍵字：電能質(zhì)量 一、電能質(zhì)量的概念 （一）電能質(zhì)量的定義 電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對用戶供電。在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相互對稱且互差120°。但由于供配電系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設(shè)備非線牲或不對稱，用電負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不夠完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，理想的供、配、用電態(tài)并不存在，因此產(chǎn)電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電等環(huán)節(jié)中的各種問題，從而產(chǎn)生了電能質(zhì)量

6、的概念。 現(xiàn)代電能質(zhì)量的概念不僅要保證頻率、電壓和供電可靠性，還要適應(yīng)和滿足大型算機系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)流水線、微電子調(diào)速系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等對電壓暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)與頻率質(zhì)量極為嚴(yán)格的電能要求。園內(nèi)外對電能質(zhì)量確切的定義至今尚沒有形成共識，但這些定義雖然文字?jǐn)⑹錾杂胁顒e。 但是基本意義都是一樣的。都是指：導(dǎo)致用戶的設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或者是頻率的偏差。（二）電能質(zhì)量的主要指標(biāo) 雖然電能質(zhì)量的定義沒有統(tǒng)一，但是對其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)同。主要包括一下： （1）斷電（interruption）。在一定的時間內(nèi)，一相或多相完全失去電壓，（電壓幅值低于0.1.p.u）。斷電按其持續(xù)時間可分

7、為瞬時斷電、暫時斷電和持續(xù)斷電。 （2）電壓偏差（包括電壓凹陷voltage sags和電壓凸起voltage swells）電壓偏差概念：又稱電壓偏移，指供配電系統(tǒng)改變運行方式和負(fù)荷緩慢地變化使供配電系統(tǒng)各點的電壓也隨之變化，各點的實際電壓與系統(tǒng)的額定電壓之差稱為電壓偏差。 （3）三相不平衡度（imbalance）。是指三相電力系統(tǒng)中三相電壓不對稱的程度。造成三相不平衡的原因主要有2類：一類是大容量不對稱負(fù)荷的介入；二類是電網(wǎng)中的諧波。 （4）諧波（harmonic）。一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。 （5）間諧波（interharmonic）。間諧波是指非工頻頻率整數(shù)

8、倍的諧波。間諧波往往由較大的電壓波動或沖擊性非線性負(fù)荷所引起，所有非線性的波動負(fù)荷，如電弧焊、電焊機、各種變頻調(diào)速裝置、同步串級調(diào)速裝置及感應(yīng)電動機等均為間諧波波源，電力載波信號也是一種間諧波。 （6）電壓波動和閃變（voltage fluctuation & flicker）：這種電壓值在一定范圍內(nèi)（通常是額定值的90%-110%）有規(guī)律或者隨機的變化，即稱為電壓波動。電壓波動常引起許多電器設(shè)備不能正常工作，如：影響電視畫面質(zhì)量、使白熾燈發(fā)生閃爍等。由于許多設(shè)備的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白熾燈，由此選擇人對白熾燈的主觀視感，即“閃變”作為衡量電壓波動危害程度的評價指標(biāo)。（三）電能質(zhì)量指標(biāo)研究的

9、目的和意義 電能質(zhì)量對電力部門、用戶以及電力負(fù)荷設(shè)備制造廠商有著重要的經(jīng)濟(jì)影響，電能質(zhì)量備受關(guān)注的根本原因在于它的經(jīng)濟(jì)價值，進(jìn)行電能質(zhì)量研究的目的是改善和提高電能質(zhì)量。 在能輸送過程中，電力系統(tǒng)將受到各種因素的影響，到達(dá)用戶的電能波形往往發(fā)生畸變。隨著不對稱負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷的容量和數(shù)量的不斷增大，電網(wǎng)將不斷受到干擾，電能質(zhì)量也會不斷惡化。另外，電能質(zhì)量不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也將對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，降低了配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。電能質(zhì)量的惡化將會給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來嚴(yán)重危害。不難看出，在當(dāng)代電力系統(tǒng)，深入了解和認(rèn)識能電能質(zhì)量，高度重視電能質(zhì)量

10、下降對供用電系統(tǒng)運行的危害和影響、甚至對社會經(jīng)濟(jì)的作用和影響，對全面研究和管理電能質(zhì)量問題具有極其重要的意文。二、電能質(zhì)量的測量、計算方法（一）電能質(zhì)量檢測的必要性由于電能質(zhì)量關(guān)系重大，已引起世界各國的廣泛重視，其中美、日等發(fā)達(dá)國家已進(jìn)行了多年的研究，取得了許多重要的理論和應(yīng)用成果。一方面采取種種可能的技術(shù)措施，抑制電能質(zhì)量的惡化，使其盡量得到改善，另一方面在系統(tǒng)中的特殊點處裝設(shè)專門的電能監(jiān)視裝置，準(zhǔn)確及時地檢測出電能質(zhì)量方面存在的問題。長期以來，我國的電力供應(yīng)一直比較緊張,人們關(guān)注的焦點主要在電力供應(yīng)量方面,對電能質(zhì)量關(guān)心不多，通常只對電壓、頻率兩個指標(biāo)進(jìn)行考核。近年來，隨著電力供應(yīng)緊張局面

11、的初步緩解、電能質(zhì)量的日益惡化和用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提高，這一問題也已引起了各級電力部門的高度重視，國家已頒布了有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。專門監(jiān)視記錄電壓合格率的自動裝置已在一些電力部門投入實際運行，不少的微機式故障錄波器、變電站自動化系統(tǒng)等裝置中也考慮了兼顧電能質(zhì)量監(jiān)視的問題。然而，到目前為止，這些裝置在電能質(zhì)量監(jiān)視方面的功能還比較單一，不具備綜合分析和判斷功能，一般也不具備異常報警功能，致使電能異?，F(xiàn)象不能及時被發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。由此可見，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用精確合理的計算方法，研制功能齊全、性能優(yōu)良、安裝簡單、使用方便的電能質(zhì)量綜合監(jiān)視裝置，是十分必要的，對提高電力系統(tǒng)供電的安全性、可

12、靠性和經(jīng)濟(jì)性，保證用電設(shè)備的正常工作和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)高效，都有十分重要意義。（二）電能質(zhì)量檢測的目的以及檢測內(nèi)容電能質(zhì)量檢測的基本內(nèi)容電能質(zhì)量的檢測通常包括主干電力網(wǎng)電能質(zhì)量檢測和特殊用電戶的電能質(zhì)量檢測兩種。主干電力網(wǎng)的檢測裝置安裝在系統(tǒng)的樞紐變電站中，主要對系統(tǒng)母線電壓進(jìn)行監(jiān)測，檢測的目是了解整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量情況。特殊用戶的電能質(zhì)量檢測裝置可以安裝在用戶變電站的電源進(jìn)線側(cè)，也可以安裝在向該用戶供電的系統(tǒng)變電站的出線側(cè)，主要監(jiān)視裝置安裝處的母線電壓和線路中的電流，檢測的目的是了解被監(jiān)視用戶對電網(wǎng)產(chǎn)生污染的情況。裝置測量計算的電氣量主要有:三相電壓、電流的有效值；電網(wǎng)的頻率；電壓、電流中各

13、次諧波的含量及諧波總含量；各次諧波的功率及畸變功率；波形及波峰因數(shù)；電壓、電流中的負(fù)序和零序分量；在出現(xiàn)電壓閃變的情況下，對閃變的性質(zhì)進(jìn)行分析，并記錄閃變暫態(tài)過程中的電壓波形。在檢測的上述各量出現(xiàn)異常時,裝置應(yīng)能夠根據(jù)要求給出聲光報警信號，并能夠記錄異常發(fā)生的時刻、持續(xù)的時間等信息。（三）電能質(zhì)量檢測裝置的硬件配置及要求與常規(guī)的微機式電氣測量裝置類似，電能質(zhì)量檢測裝置的硬件電路主要包括輸入變換電路、模擬預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集與變換電路、微處理機電路、人機接口電路等幾部分組成。其中，輸入變換電路、模擬預(yù)處理電路和人機接口電路的構(gòu)成和電路結(jié)構(gòu)均與常規(guī)的微機式測控系統(tǒng)類似。數(shù)據(jù)采集與變換電路的結(jié)構(gòu)與采

14、樣頻率的高低、輸入信號動態(tài)范圍的大小、以及測量的精度等諸多因素有關(guān)。由于在本應(yīng)用中需要進(jìn)行諧波量的計算和測量波形中的暫態(tài)信息，所以要求有較高的采樣速度。 微處理機是構(gòu)成整個檢測裝置的核心,它的優(yōu)劣對裝置的性能有決定性的影響。與一般的微機式測控系統(tǒng)相比，電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的主要特點是要求采樣的速率較快，需要計算的量較多，計算的方法比較復(fù)雜，微機的運算工作量很大。常規(guī)的單片機系統(tǒng)處理能力較差，難以勝任如此繁重的計算任務(wù)，一般不宜采用。較好的選擇是采用一個控制、接口能力較強的主CPU （ 如In tel80088、80c188、8031等） 和一個運算處理能力較強的專用數(shù)字信號處理器DSP （如T I

15、公司的TM S320系列或A nalog Devices 的ADSP2100系列等） 構(gòu)成主從式的微機系統(tǒng)，由主CPU 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理和控制、人機接口等任務(wù)，而由DSP 專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集管理和分析計算。（四）影響電能質(zhì)量的幾個要素的檢測、計算方法（1）電壓值的檢測為檢測電壓的合格率，需要進(jìn)行電壓有效值的計算。考慮到輸入信號中含有諧波分量，輸入電壓的瞬時值可用下式表示:（1）式中U k表示第k 次諧波電壓的峰值；k為其初相角；N 為所含諧波的最高次數(shù)，現(xiàn)取為16。電壓有效值（即均方根值） 的定義為: （2）由該定義式可以導(dǎo)出有效值的兩種計算方法。然后直接把（1） 代入（2） 式中，可以求出:而各

16、次諧波的峰值U k可以由FFT 算法求出。（2）三相不平衡度的檢測電網(wǎng)中三相不平衡度的檢測是通過計算三相電力系統(tǒng)中的負(fù)序分量和零序分量的方法來實現(xiàn)的。由于在計及諧波的情況下序分量的計算十分復(fù)雜，此處僅考慮對基波信號進(jìn)行序分量計算。以基波電壓信號為例，負(fù)序分量和零序分量的定義公式分別為:由FFT 算法計算出各相電壓的實部和虛部，代入上式，即可求出負(fù)序和零序量，求它們與正序量的比值，即為負(fù)序和零序分量的含量。（3）諧波的檢測若假定計算諧波的最高次數(shù)為16次，每周波采樣32點，則諧波含量可用如下的方法進(jìn)行計算。首先利用32點FFT 算法1， 計算出基波和各次諧波的實部和虛部，進(jìn)而可以求出其幅值和相位

17、，幅值求出后，就可以求出各次諧波的含量和諧波總含量。以電壓量為例，若用FFT 算法計算出的第K 次諧波（K= 216）的實部和虛部分別為U r （k ） 和U i （k ）， 則第K次諧波電壓的幅值U k 和相位角k分別為: 基波電壓的幅值和相位也可以用類似的方法算出。電力系統(tǒng)中，通常用某次諧波幅值相對于基波幅值的百分?jǐn)?shù)來反應(yīng)該次諧波的含量，即:而用總諧波畸變THD （Total Harmonic Distortion） 來反應(yīng)總的諧波含量，其定義為:式中N 為諧波的最高次數(shù)，此處假定為16。除U K%和THD 外，電力系統(tǒng)中有時還可以用波形系數(shù)（Form Factor） 和波峰因數(shù)（Cres

18、t Factor） 來反應(yīng)電網(wǎng)諧波污染的情況,它們的定義和計算公式分別為:式中U rm s為均方根值，即有效值；U aav為平均絕對值；Um ax為最大瞬時值。（4）電壓閃變情況的檢測電壓閃變可以通過求電壓突變量的辦法來進(jìn)行檢測。其計算公式為:式中u （ t）為當(dāng)前時刻的采樣值；u （ t）為突變量值；n 可以選1，2， 為自然數(shù)。當(dāng)由該式算出的突變量值大于整定值時，即判為電壓閃變，此時將對閃變前后的波形進(jìn)行存儲記憶。 以上介紹了電網(wǎng)中常出現(xiàn)的幾種影響電能質(zhì)量的幾個方面的檢測以及計算的方法。三、電能質(zhì)量的控制方法和手段電能質(zhì)量問題受到人們越來越多的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)盼發(fā)展，近年來國內(nèi)外有關(guān)

19、單位就電能質(zhì)量綜合治理問題進(jìn)行了廣泛的研究和試驗，提出了許多方案，其中有的方案已在現(xiàn)場實施投運。治理方案主要分為兩大類：（1）基于晶閘管的靜止無功補償器（SVC），（2）基于可關(guān)斷器件的靜止同步補償器（STATCOM）和有源電力濾波器（APF）。（一）SVCSVC在應(yīng)用主要有兩種形式，一種采用晶閘管相控電抗器（TCR）與固定電容器（FC）相結(jié)合，一種是晶閘管投切電容器（TSC）。（1）FC+TCR型靜止無功補償裝置圖1為兩相形式的FC+TCR型靜止無功補償裝置原理圖，在牽引母線上投入FC和TCR。TCR控制器根據(jù)牽引網(wǎng)電壓“及電流i綜合給出控制角Ot，通過Ot改變相控電抗器中的電流，從而實現(xiàn)平

20、滑地調(diào)節(jié)無功功率的目的。TCR的無功功率隨負(fù)載無功功率的變化而變化，且兩者之和總維持為常數(shù)，為感性無功功率，與FC的容性無功功率相抵消。最終使電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在較高的水平，同時使接觸網(wǎng)電壓保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為減輕機車負(fù)荷、抑制由相控電抗器產(chǎn)生并注入系統(tǒng)的諧波電流，F(xiàn)C一般設(shè)為單調(diào)諧濾波器 J。FC+TCR型靜止無功補償裝置對無功電流的補償效果很好，使用較大容量的裝置并采用合適的控制方式對負(fù)序有較好的抑制作用，但這類裝置濾波效果有限，不能很好地抑制注入系統(tǒng)的諧波。圖1 FC+TCR型靜止無功補償裝置原理圖 TCR 3次濾波器5次濾波器 TCR 3次濾波器5次濾波器（2）TSC型靜止無功補償裝

21、置在補償母線上設(shè)置幾組合適的電容器支路(實際應(yīng)用中一般設(shè)置成單調(diào)諧濾波器)，TSC控制器根據(jù)牽引網(wǎng)電壓u及電流i來計算需投入的電容器支路數(shù)量，按一定的尋優(yōu)模式，通過晶閘管電子開關(guān)控制電容器支路的投入與切除，實現(xiàn)有級調(diào)節(jié)無功功率的目的，最終使得系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在較高的水平。為節(jié)約投資，實際應(yīng)用中是將牽引母線電壓通過協(xié)調(diào)變壓器降到一定的電壓水平。TSC型靜止無功補償裝置響應(yīng)速度快，對無功電流有很好的補償效果，但濾波效果不太理想，不能很好地抑制注入系統(tǒng)的諧波，對負(fù)序也沒有抑制作用。（二）STATCOM同SVC不同，STATCOM采用全控型器件。由于工作在電壓源變流器模式，它不需要大容量的電抗器和電

22、容器等儲能元件。改變控制方法可使其發(fā)出的無功功率呈電容性，也可使其吸收的無功功率呈電感性，且可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。采用PWM控制或多重化的結(jié)構(gòu)，使其輸出電流接近正弦波，不需附加額外的濾波器。STATCOM補償裝置同SVC一樣，具有兩相和三相兩種結(jié)構(gòu)。此類裝置自上個世紀(jì)9O年代中期以來，已在日本新干線上使用。除了這些常規(guī)的作為無功補償器的用法以外，還有一些特殊的使用方式，如三/單相平衡變換器、功率調(diào)整器（RPC）等。（三）有源電力濾波器（APF）SVC抑制諧波所采取的措施主要是將固定電容器支路設(shè)置為濾波器，濾除牽引負(fù)荷產(chǎn)生的3、5、7次諧波電流。應(yīng)該看到，此措施對抑制諧波有一定的效果，但為了防止系統(tǒng)產(chǎn)

23、生諧振，在實際應(yīng)用中濾波器不能完全調(diào)諧，因此，效果有限，不能很好地濾除注入系統(tǒng)的諧波。抑制諧波的一種趨勢是使用APF 。這種濾波器同STATCOM一樣采用全控型器件，工作在電壓源變流器模式，通過實時控制，對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補償，補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，已在日本、歐美等國家獲準(zhǔn)廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。（四）電能質(zhì)量控制策略（1）PID控制：這是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，易于在工程中實現(xiàn)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。其缺點是：響應(yīng)有超調(diào)，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和抗負(fù)載擾動能力較差。（2）空間矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規(guī)的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標(biāo)系（abc）的交流量經(jīng)過派克變換得到基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）的直流量從而實現(xiàn)解耦控制。常規(guī)的矢量控制方法一般采用DSP進(jìn)行處理，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能。也可采用簡化算法以縮短實時運算時間。（3）模糊邏輯控制：知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的"頻域法"和現(xiàn)代控制理論的“時域法”設(shè)計控制器的前提條件。模糊控制作