电气工程及其自动化本科毕业论文电能质量

电气工程及其自动化本科毕业论文电能质量内容摘要：

（ 3）分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用； （ 4）多 种 控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。 目前所采用的方法有三种： （ 1）时域仿真方法，该方法在电能质量分析仲应用最为广泛，其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迸行研究。 目前较通用的 时域仿真程序主要有 EMTP、 EMTDC、 NETOMAC、 BPA 等系统暂态仿真程序和 SPICE、PSPICE、 MATLAB、 SABER 等电力电子仿真程序两大类。 由于这些仿真程序在不断发展中，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）频域分析方法，该方式主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描，谐波潮流计算等。 考虑到一些非线性负载的动态特征，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方式，即在常规的谐波潮流计算法基础上，利用 EMTP 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出备 次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流解。 （ 3）基于变化的方法，这里主要指 Fourier 方式方法、短时 Fourier 变换方法，加窗傅里叶变换和小波变换 (WT)方法。 电能质量 治理概述 影响电能质量的原因各种各样，大体可以分为： （ 1） 内因。 系统本身接有电弧炉、整流器、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。 这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点（ PCC）波及其它终端用户。 因此，系统中必须安装相关装置，以 及时缓解这些问题，而且还应根据电能质量 评估体系，利用经济杠杆约束此类用户对电能质量的影响。 （ 2） 外因。 雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。 现在采取的措施，一是减少故障发生的次数和改变排除故障的方式，目前配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无时延地予以切除，此外即使无时延保护，从检测出故障到断路器开断故障，最快也需要 3~6 个周波。 若是永久性故障，多次重合闸则导致电压的不断波动，这在图 2 中可以很明显地看出来。 二是降低装置对电能质量问题的敏感性，主要是用户华南理工大学毕业论文 12 侧在敏感负荷或关键负荷处安装补偿装置，这种方法对单个负荷可有直接和明显的效果，但是受限于补偿装 置的容量和价格，应用范围也受到限制。 目前在电能质量检测与控制中，有两个重要环节需要深入探讨： （ 1）实时准确地检测。 检测值可能是要滤除 的谐波、要补偿的无功或要平衡的不对称值等。 已经出现的检测方法很多，大多数的检测方法在信号平稳时，能准确地检测出干扰值。 而这里的 “实时检测 ”主要是指当信号被干扰时，检测电路的实时跟踪速度，目前大多数的常规检测方法很少能做到这一点，而实时性对于持续时间较短的电压跌落、突升、闪变、谐波等尤为重要。 以谐波检测方法为例，为提高实时性，文献提出了不同的方法，有的是常规方法的改进，更多的是新理论的灵活应用。 但这些检测方法在改进的同时也带来了新的问题，如要选择合适的数学函数、变换结果的相位与幅值会出现偏差等，所以它们的有效 性还有待进一步研究。 （ 2） 求得补偿信号的参考值后，要快速准确地驱动变流器，产生补偿信号。 目前出现的控制方法有 ： 滞环比较控制、空间矢量控制、无差拍控制等。 这些方法各有优点，可根据实际情况灵活选用。 无论是检测还是控制，存在的主要问题都是如何减小以至消除时滞，使补偿偏差最小。 电能质量控制器（或有源滤波器）的结构一般是：靠近源侧（或负荷侧）连接华南理工大学毕业论文 13 一并联逆变器，靠近负荷侧（或源侧）连接一串联逆变器，两逆变器通过公共的直流电容结合在一起。 串联部分的功能为补偿各种干扰，并联部分的功能为有源滤波、动态补偿无功、为 直流电容提供能量等。 当在直流侧并联能量储存装置时，还能使负载不受瞬时停电的干扰。 整个电路的三个主要组成部分为检测电路、控制电路 PWM 形成 及驱动电路，如图 3 所示。 在图 3 的基础上进行改变，例如只取并联侧或只取串联侧；使用三相整流桥或三相 PWM 整流桥；储能部分采用蓄电池、超导、飞轮或超级电容器，以供应短时有功电力；不同的补偿目标采用不同的控制方法等，就可以制造出不同的设备，实现不同的功能。 华南理工大学毕业论文 14 第 二 章 电能质量检测方法 复调制细化谱分析方法 复调制细化谱分析方法，又称为选 带频率细化分析方法，是基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析方法，一般简称为 Zoom FFT（ ZFFT）方法，是信号处理领域 70年代发展起来的一项新技术， FFT 只能分析从零频开始的一个低通频带，且频带分辨率越高， ZFFT 就是设法将感兴趣得那段频带谱移动到零频带附近，在进行常规的 FFT运算。 通常的 FFT 方法在整个分析频带内具有相同的频率分辨率，这无疑是一种浪费。 如果想提高分辨率，在采样频率不变的情况下，只能增加采样点数，但这样会极大地提高运算量，不利于运算的实现。 而降低采样频率，保持采样点数不变，同样可以提高采 样分辨率，但是采样频率降低后有可能造成频谱的混叠，如果将感兴趣得频段移动到原点附近，在进行低通滤波以免频率混叠，然后进行重采样以降低采样频率，这样就可以在不增加采样点数的情况下获得高的多的频率分辨率，该方法即为复调制细化谱分析方法。 复调制细化谱分析方法主要包括以下几个步骤：移频－低通数字滤波－重抽样－FFT 及谱分析－频率成分调整这样一个流程。 经过几个处理步骤分析说最得最终结果，完全能反映出原数字序列在某一频率范围内的频谱特性，幅度绝对值相差－比例常数 D。 与同样点数的直接 FFT 相比折椅细化分析方法所获得的频 率分辨率要高 D倍。 常用的电压波动检测方法 要检测电压波动和闪变，首要的任务就是准确地提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压未载波，起电压的幅值受频率范围在 ～ 35Hz 的电压波动分量调制的调幅波。 因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用于载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。 为使分析简化又不失一般性，通常分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制。 目前常用的电压波动的检测方法有五种，即 牌坊检测法，有效值检测法、整流检测法、小波分解和同步检测法以及补偿迭代检测法。 华南理工大学毕业论文 15 国际电工委员会 (IEC)推荐平方解调检测法，即将工频电压平方，然后利用借调带通滤波器检测出调幅波。 如果利用 ～ 35Hz 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，并且考虑手机上的调制指数 m＜＜ 1，存在的调幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计。 这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现，也为 IEC 推荐的闪变测量原理框图所采用。 优点：简单，便于数字化实现。 缺点：忽略了波动量中的倍 频分量。 有效值检测法是利用 RMS/DC 变换器将波动的输入交流电压变换成脉动的直流电压，再经解调带通滤波器后获得的波动信号。 RMS/DC 变换器输出的直流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分即反映了输入电压方均根值的变化。 这种方法，就实现而言，要将方均根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当困难的，而且其元件参数整点较为困难。 另外，该方法可去除直流分量和二倍工频分量等，只保留调幅波，但其中不会完全没有直流分量，仍需隔直和滤波。 优点：可以很好地检测出波动电压信号。 缺点：就 实现而言，要将均方根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当困难的。 Z 变换的闪变测量方法 考虑到平方检波法简便易行，并且不需要同步采样，这里用减去平均值的方法代替隔直滤波器，在进行截至频率为 35Hz 的低通滤波，即刻得到波动分量，如果平方后的信号不进行隔直和低通滤波而直接进行频谱分析，由于其中的波动的分量较小，而直流分量和高频分量大，检测结果容易受到干扰。 利用 CZT 变换对 0~35Hz 之间的频谱进行细化分析，得到各个波动分量的频率以及幅值。 进行 CZT 变换时其中的卷积可以利用 FFT来进行计算，大大的提高运行速度，因此，应当使 CZT 变换的点数满足 2 的 n 次方关系。 由于进行高精度频谱分析的判断是固定的，这就使的 A 和 W 成为常量，可以事先计算出来，以查表的形式存储，节省运算时间。 按照 IEC 的规定对瞬时闪变视感度进行分级，分级数不得小于 64，生成 CPF曲线。 华南理工大学毕业论文 16 第 三 章 电能质量在线监测系统 简述 电能质量在线监测系统概述 电网由 “发、输、变、配、用 ”五个环节组成，作为用户侧的 “配、用 ”电环节消耗着总电能的 80%。 随着社会经济发展，电气化铁路、电弧炉、变频器等冲击性 、非线性、不平衡度负载在电力应用中越来越多，谐波、负序、闪变、电压暂态等电能质量问题直接影响着电力系统的供电安全。 电能是一种商品，其质量问题是供应商和客户共同关注的问题。 用电企业有必要建立电能质量监测系统，实现对整个配电电网电能质量的实时监控。 电能质量在线监测系统 组成 电能质量在线监测系统主要有现场监测层，通讯传输层和数据管理层组成，系统拓扑结构见图 1。 组网方式有网线、光纤、无线三种模式。 现场监测层 现场安装各类电能及电能质量监测设备，要求具有通讯功能。 可以选择安科瑞的 ACR330ELH、 ACR320ELH、 ACR230ELH、 ACR220ELH 等电力仪表，主要功能： LCD 显示、全电参量测量（ U、 I、 P、 Q、 PF、 F、 S）；四象限电能计量、复费率电能统计； THDu， THDi、 231 次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流 K 系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量； 4DI+3DO， RS485 通讯接口、 Modbus 协议。 通信传输层 为了将监测层设备采集的数据传送到服务器而负责数据通讯传输的设备，主要有通讯管理机、串口服务器、网络交换 机等。 数据采集终端通过串口与监测层设备通讯，读取其中数据，并进行初步分析、整理，将数据保存在本地 SD卡中，之后将数据传输给无线通讯模块。 无线通讯模块采用射频技术，在现场组成无线局域网络，将各点数据采集终端整理的数据收集并传输到后台服务器，也可用网线或光纤的方式传输数据。 数据管理层 对采集数据进行存储、解析及应用的过程，包括服务器架设、各种软件的应用。 华南理工大学毕业论文 17 电能质量在线监测系统功能 标准的监测系统 标准的监测系统具有 CAD 一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画 面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。 主画面可直接显示各回路的运行状态，并具有回路单点、非带电及故障着色的功能。 主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。 用户管理 可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性，如对某重要回路的和 /分闸操作，需操作员级用户输入操作口令，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成操作。 数据采集处理 通过安科瑞 Acrel2020 型电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态（包括三相电 压、电流、功率、功率因数、频率、谐波、不平衡度、电流 K 系数、电话波形因子、电压波峰系数、电能、温度、开关位置、设备运行状态等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），并对重要信息量进行数据库存储。 趋势曲线分析 系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。 如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。 系统的历史趋势即系统对所有已存储数据 均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。 报表管理 系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动设计。 可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表，操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。 随着社会经济的发展及电力的广泛应用，电 能质量分析管理已成为电网用户侧配电系统建设的必然选择，以上介绍的电力质量分析仪，可以实现对电能的在线监测，实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能及电能质量报表、分析曲线、图形等，便于电能的分析、研究。 华南理工大学毕业论文 18 第四章 电能质量 治理方式 电能质量的检测通常。