供配电系统电能质量的有效控制

摘要：为了提高终端用户配电系统运行的可靠性和供电电能质量，该文在传统低压终端配电自动化方案的基础上提出了一种电能质量集散控制系统方案。该控制系统方案的集中控制部分不仅继承了传统配电自动化的功能，而且将传统被动的电能质量监测分析功能增强为主动的电能质量拉制功能;分散控制部分由集成在标准的抽屉式配电开关桓中的若干个电力电子变流器子模块组成，不仅能在终端配电支路处降低负荷间的电能质量影响，同时也改善了电网入口处的电能质量。最后，实验结果也证明了所提方蒙是可行的。

关键词：配电自动化;电能质量;集散控制;非线性控制

1 前言

电能的实用性在世界各个领域的发展中都起到举足轻重的作用，清洁能源在电能的使用中主要体现在电压电流的谐波、频率、无功及不平衡度等指标上。对于公用电网络系统而言，电力电子设备及各种类型的非线性负载的投切会产生大量的电能污染，可导致停电、电能利用率低及损坏精密仪器和设备等问题，对人们的生活产生不利影响并可能带来经济上的严重损失。因此，电能质量的分析和研究对生活工作及经济发展等各方面均有着重要意义。

2 电能质量的定义

电能质量就是对电网中电压、电流品质的衡量，对于正常情况下供配电系统中存在的电压、电流的频率均为50Hz，为对称的三相正弦波形，理想状态下电压、电流波形均为平滑的正弦曲线，三相电流或电压的幅值相等。电压或电流曲线的平滑程度、幅值平衡程度及相位对称程度等指标决定了电网系统的电能质量。

3 控制系统介绍

3.1集中控制器硬件结构

首先通过信号调理电路提取相关模拟信号，再经模数转换芯片AD7606转换成数字信号送入1#FPGA芯片(EP2C20Q240C8)，此芯片将数据再送入ARM芯片(STM3F105)和DSP芯片(320F2835) 进行分析和计算。ARM芯片主要析所采集到的电参量信息从而实现有效的数据统计、保护、预警等传统配电自动化的功能;DSP芯片主要负责计算入口处的剩余谐波、无功、不平衡电流以及分析各分散控制器的运行数据，合理地决策出将剩余谐波和无功补偿量分配给具有剩余容量的子模块。2#FPGA芯片(EP2C20Q240C8)负责光纤端口的扩展，与每台分散控制器以串口的方式进行高速点对点通信，速度可达10Mbs，将所需的补偿量等数据及时发送至变流器子模块。

3.2集中控制器的协调控制方法

采用额定输出电流的有效值表示分散子模块的补偿容量，集中控制器与子模块的通信数据格式，在集中控制器的FPGA内模拟多个独立的串行通信口，各子模块作为通信主机每半个工频周期发送一次本机的运行状态和各种数据，包括本机是否补偿正常、通信接收是否正常以及剩余容量、温度数据、经DF计算的本地负载各次谐波值、基波无功值等。集中控制器作为通信从机在接收到子模块发来的数据后应立即进行分析与计算，在半个工频周期后将计算好的数据下发到对应的子模块进行补偿，发送的数据应包含本控制器运行是否正常、通信接收是否正常、补偿参数、设置参数以及配电开关柜总人口处经DF计算的需要对应子模块补偿的各次谐波、基波无功值等数据。如果子模块能接收到集中控制器发来的补偿数据并且本子模块运行正常，此时可输出相应的补偿容否则本子模块不参与集中控制器的协调控制。

3.3分散子模块的结构及控制算法

由电力电子变流器组成的分散式电能质量控制器子模块。变流器采用三电平拓扑结构，与两电平结构相比体积更小、功率密度更高，方便标准的抽屉式开关柜结构集成化。关于有源滤波器的控制器设计已经有诸多研究，如比例谐振控制、重复控制、无差拍控制、鲁棒控制、无源控制等。其中无源控制本质上是一种非线性控制，其控制思想是一种基于能量的控制方法，具有物理含义明确、控制简单等优点但是传统的控制存在收敛误差等缺点，为此，本文提出一种基于无源控制的新型控制方法。

4 供配电系统智能监控及治理

4.1系统化监测

电能质量的监测点分布在电力系统的不同区域，选择相应的测量点以获取不同的测量信息及数据，将数据通过远程通信发送到中转处理中心进行集中处理。不同的电能质量特性采用不同的监测装置，用上位机远程设置不同的采集和计算模式，以便更快速地获取现场的电能状态，并及时做出合理反应。电压闪变及不平衡度处理对电力系统产生短时的干扰和影响，可能存在非周期性，无法提前以智能控制训练获取相应的变化趋势，需要设定直接返回指令以面对不同区域的不同数据信息。谐波及无功的变化治理是根据负载的长期稳定运行得到的，根据负载现场的运行特性，采用系统化的归类和治理方案选取自动匹配不同特性的供配电系统，以满足不同指标的用电需求，提用电可靠性和稳定性。此外，故障特性及数据整理将自动存储到用户端，以便查看不同时刻的用电情况。

4.2就地监测由于诸多客观因素的制约，部分区域无法实时处理在线数据，需要对电能质量进行就地监测治理。电能质量的治理需要现场的采集数据进行计算和分析，才能得出最为合适的治理方案。便携式测量装置能直接到现场进行数据采集和测量，这样使数据的提取变得十分便捷并能与现场的供配电情况相结合，综合地反馈到治理中心进行处理或经验积累，以备后续进行综合电能质量治理。这种方式适用于各个供配电范畴，对于系统化治理的电能质量问题也可结合局部就地监测治理，按照月或季的方式进行重新拟合，以获得最佳的治理效果。这种方式的治理是针对负载特性较稳定的场合，需要对负载的变化进行定时间的测量后进行类推治理，对实时性要求高或负载变化非周期性情况不适合。

5 提高电能质量的方法

电能质量问题的处理决定了用电设备的使用效率和安全性，必须采取有效、稳定的治理方案才能达到理想效果，主要分为以下几种:

5.1电压偏差治理

控制枢纽的调控决定了电压的整体趋势，在源头处进行调整会起到直接作用。中枢点的调压方式一般分为逆调压、顺调压和常调压三种。发电幅值的调节在不同变压器输出端口进行分压处理，改变相位即调整功率因数，或使用无功补偿装置。

5.2频率偏差治理

电力系统的频率很难去改变，调速器可对电网频率进行校准。

5.3谐波治理

谐波治理主要分为以下几种：(1)对于非线性负载或其他谐波发生装置的内部进行改进，减少谐波的输出。(2)无源滤波处理，采用电容和电抗器等装置对谐波进行吸收，为谐波提供吸收通路，减少流人到用电端的谐波含量。(3)有源滤波处理，如有源电力滤波器(APF SREAPF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。在谐波源处就近安装有源电力滤波器，是在谐波源设备已经确定的情况下防止谐波电流注入电网的有效措施。靠近谐波源吸收谐波电流，是安装滤波器的基本原则。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波。

5.4无功和三相不平衡治理

无功和不平衡的治理均可采用无源的方式，但由于无源治理方式无法治理动态变化的环境，采用静止无功发生器及电能质量综合治理装置进行治理，以达到精度和响应速度的治理需求，为智能建筑的推进提供保障。

6 结束语

配电自动化的目的是综合运用先进技术和管理手段提高配电系统的可靠性，保障供电连续性，监视并分析电能质量问题，降低故障风险，通过有效的诊断分析故障原因，提高电力系统管理效率，降低运行成本。现代配电网中电能质量问题不仅会引起高耗能，而且会导致诸多事故和隐患，所以结合配电自动化解决好电能质量问题具有深远的意义。

参考文献

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