电力系统中的电能质量监测与控制技术研究

电力系统中的电能质量监测与控制技术研究

李政1 李拥腾2

（1广东工业大学自动化学院21级，广东 广州，510000

2广东电网汕头供电局，广东 汕头，515000）

摘要：电能质量问题日益严峻，涉及电压偏差、谐波畸变等多个方面，产生原因错综复杂。电能质量监测技术包括基于傅里叶变换的频谱分析法和基于小波变换的时频分析法。频谱分析法适用于分析稳态信号，但难以刻画时变和非线性特点。小波变换能够提供时间－频率的多分辨率分析，更适用于非平稳信号。电能质量控制技术有有源电力滤波器（APF）和动态无功补偿器（DSTATCOM）。APF利用电力电子技术实现谐波抑制和无功补偿，DSTATCOM则通过动态调节无功电流改善电压质量。

关键词：电能系统；电能质量；监测与控制技术

引言：电能质量监测与控制技术是指针对电力系统中电能质量问题，通过监测电压、电流等参数，分析和评估电网中谐波、电压暂降、电压闪变等质量问题，并采取控制措施，以保证电力系统稳定运行、提高供电质量的技术手段。通过对电能质量进行监测和控制，可以有效避免电力设备损坏、提高电能利用率，保障用户设备的安全稳定运行。

1 电能质量问题的成因

电能质量问题涵盖了电压偏差、电压波动和闪变、谐波畸变、三相不平衡等多个方面。产生这些问题的原因错综复杂，既包括电源侧的因素，如发电设备和输电线路的故障或异常运行，发电机励磁系统失稳导致电压波动，输电线路不对称故障引起三相不平衡，以及风电、光伏等新能源的间歇性和随机性给电网电能质量管理带来的挑战。也包括负载侧的原因，特别是大量使用的变频器、整流器等非线性负载。这些设备在运行过程中会产生大量的谐波电流，注入电网后导致电压和电流波形畸变，功率因数下降，设备过热等一系列问题，从而对电能质量产生严重的负面影响。此外，电弧炉、电阻焊机等冲击性负载会引起电压闪变，其频繁的启动和停止导致电网电压剧烈波动。大功率单相负载，如牵引供电所、电气化铁路，其不对称接入可能导致三相电流和电压不平衡，给电力系统的安全稳定运行带来隐患。

2 电能质量监测技术

2.1基于傅里叶变换的频谱分析法

基于傅里叶变换的频谱分析法是电能质量分析领域的经典方法。傅里叶变换能够将时域信号转化为频域信号，通过对电压、电流信号进行变换，可以清晰地展示信号在各个频率点上的幅值和相位特性。这为分析电能质量问题提供了有力工具。对于周期性的稳态信号，如基波及其谐波，傅里叶变换能够给出准确的频谱描述。通过计算各次谐波分量的幅值和相位，可以定量评估谐波污染的严重程度，为谐波治理提供依据。传统的电能质量频谱分析仪大多基于傅里叶变换原理，利用硬件电路或DSP实现快速傅里叶变换（FFT）运算。然而，傅里叶变换也存在一定局限性。由于其本质上是将信号分解为不同频率的正弦波叠加，因此适用于分析线性时不变系统的稳态响应。但电能质量问题往往具有时变和非线性特点，如瞬态扰动、阻尼振荡等，其频谱特性随时间动态变化。傅里叶变换难以准确刻画信号的瞬时频率特性，在时间分辨率上存在不足。此外，受采样频率和数据长度限制，傅里叶变换对于分析持续时间极短的瞬态扰动效果有限。电压暂降、短时中断等故障通常在半个周波到数个周波内发生，若采样频率不够高，则可能错失故障发生的关键时刻。而提高采样频率必然带来数据量急剧增加和计算负担加重的问题。

2.2基于小波变换的时频分析法

小波变换是一种强大的时频分析工具，特别适用于处理电能质量领域的非平稳信号。与傅里叶变换相比，小波变换最大的优势在于能够同时提供信号的时间和频率信息，实现时间－频率的多分辨率分析。通过选取合适的母小波函数，小波变换可以将信号分解为一系列不同尺度的小波基函数，每个基函数对应着信号在特定时间和频率范围内的局部特征。这种多尺度分解使得小波变换能够有效捕捉信号的瞬时特性，精确定位电压暂降、谐波畸变等电能质量扰动发生的时间点。针对电能质量分析的特定需求，研究人员开发了多种改进的小波变换方法。如二元小波变换采用两个母小波对信号进行分解，能够更灵活地刻画信号的奇异特性；复小波变换引入复数基函数，可同时得到幅值和相位信息；小波包变换通过对小波系数进一步分解，提高了频率分辨率；消噪小波变换结合了小波阈值处理，能够有效抑制背景噪声的影响。这些改进方法扩展了小波变换的适用范围，提升了电能质量特征提取和识别的精度。在实际应用中，小波变换已成为电能质量监测和分析的重要手段。基于小波变换的电能质量检测装置能够实时捕捉电网中的各类扰动事件，并自动生成报警和诊断信息，为故障定位和原因分析提供数据支持。小波变换也被广泛应用于电能质量评估和控制领域，如基于小波分解的谐波检测、基于小波阈值的暂降检测、基于小波包的电压闪变分析等。这些应用有效提升了供电可靠性和电能利用效率。

3 电能质量控制技术

3.1有源电力滤波器（APF）

有源电力滤波器（APF）是一种高性能的电能质量治理装置，利用现代电力电子技术实现了谐波抑制和无功补偿的有效统一。APF的核心是电压源逆变器（VSI），它通过IGBT等全控型器件的高频开关，将直流侧电容器的能量转化为幅值和相位可控的补偿电流。同时，APF配备了高速实时控制单元，根据负载电流中提取的谐波和无功分量，实时计算出精确的补偿电流指令，驱动VSI输出与之相等、相反的补偿电流，注入电网与负载电流叠加，从而实现谐波消除和功率因数校正。与传统的 LC 无源滤波器相比，APF具有响应速度快、滤波精度高、补偿特性灵活等优点。它能够动态跟踪负载电流的变化，实时调整补偿电流，保证在各种工况下都能有效抑制谐波，而不会出现谐振放大的风险。同时，APF还可兼顾无功功率补偿、不平衡补偿等多种功能，通过灵活设置补偿电流的无功分量，既可提供感性无功，又可提供容性无功，实现了电网无功优化和平衡管理。

3.2动态无功补偿器（DSTATCOM）

动态无功补偿器（DSTATCOM）是一种基于电压源换流器（VSC）的并联型电力电子设备，通过动态调节无功电流，实现快速、平滑的电压调节和电能质量改善。与传统的静止无功补偿器（SVC）相比，DSTATCOM采用了先进的全控型器件和脉宽调制（PWM）技术，可在更大的调节范围内连续动态地产生感性或容性无功电流，且没有机械开关产生的谐波问题。DSTATCOM的主要功能是抑制电压闪变、提高电压质量。当系统电压发生波动时，DSTATCOM可根据实时检测到的电压偏差，快速注入与之幅值相等、相位相反的补偿电流，从而抵消电压波动，维持电压稳定。特别是对于电弧炉、轧钢机等冲击性负载引起的低频闪变，DSTATCOM具有明显的抑制效果，可大幅改善敏感用户的供电质量。除了电压闪变补偿，DSTATCOM还具有谐波抑制和不平衡负载补偿的功能。通过合理设计VSC的控制策略，DSTATCOM可同时注入基波无功电流和各次谐波电流，实现综合治理。针对三相不平衡问题，DSTATCOM可独立控制三相电流，平衡负序电流，减轻不平衡度。

结束语：

电能质量问题是电力系统面临的重大挑战，其成因复杂，涉及电力系统的多个环节。为有效解决这一问题，必须采用先进的监测和控制技术。频谱分析法和小波时频分析法是两种重要的电能质量监测手段，分别适用于稳态和瞬态扰动分析。在控制方面，有源电力滤波器可快速、高精度地抑制谐波和补偿无功，而动态无功补偿器则专注于抑制电压闪变、提高电压质量。未来，电能质量监测和控制技术的不断发展，将为构建安全、高效、优质的现代电网提供坚实保障。

参考文献：

[1]翟建强.电力系统自动化中的电能质量监测与控制[J].模具制造,2024,24(04):216-218+221.

[2]金伟民,王执宇.基于智能开关的配电网电能质量监测及负荷控制技术[J].电气技术与经济,2024,(02):125-127.

[3]娄国娇.基于大数据的电能质量分析应用研究[D].长春工业大学,2019.