单相型UPQC对谐波与电压暂降的补偿技术研究.docx

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1、单相型UPQC对谐波与电压暂降的补偿技术研究 处于信息社会的现代高新技术产业及信息设备要求高可靠性及高动态品质的电能供应。在新世纪运用柔性输电及用户电力技术来改造传统的电力工业，使之更好也为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作，也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。人类已经进入信息时代，信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，它们对系统的干扰较机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高，即不论系统是处于正常稳态还是故障状态，均需保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性。即使几个周波的供电中断和电压跌落，都将影响这些设备的

2、正常工作，造成控制失误（如计算机丢失数据或死机，通信信号中断）、设备损坏、产品报废（尤其是微电子器件及有关材料制造，据国外统计，一次幅值低于90，持续时间超过35ms的电压骤降可造成半导体芯片工厂的直接损失约为100万美元）。国际上已有大量关于动态电压质量问题对各种用户造成损失的研究报告。各种电能质量问题的产生原因、规律、特点及其控制手段是目前研究与开发的热点课题。随着我国经济的快速发展，高新技术在我国也得到了长足的进展，对电能质量敏感的负荷也日益增加，电能质量问题造成的危害也日益突出。图1为我国某航天基地实际测量到的动态电压跌落，这样的电压跌落将对敏感的高技术设备造成严重影响，因此引起了军事

3、科学部门及电力部门的高度重视。图2为某精密制造企业监测到的动态电压跌落，该电压跌落造成了该企 业制造流水线停电跳闸，导致约30万元的经济损失，这样的跌落每年都要发生多次。国内其他的半导体制造企业也发生过类似的电压跌落问题，并引起过停电。因此，电能质量问题已经成为高新技术发展非常关注的因素，直接影响国民经济建设。针对电能质量问题及其引起的巨大经济损失，国内外研究工作者提出了各种电能质量的控制措 施，本文将对这些控制技术进行简单的介绍，以期对国内电能质量控制技术的研究工作者有所裨益。基于电力电子技术的电能质量的控制技术为了保证用户的供电质量，一方面要加强输电系统的输送能力和运行安全性，保证对配电系

4、统的供电可靠性，另一方面应抑制或消除各种（包括来自系统侧的和用户侧的）干扰对电能质量的污染。用户电力技术（也称DFACTS技术或定制电力技术）已成为改善电能质量的有力工具。近年来配电系统电能质量控制技术得到了长足的进步，其中最有代表及最有影响的有不间断电源（UPS），配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM），有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），动态电压调节器（DVR），统一电能质量控制器（UPQC），固态切换开关（SSTS），分布式发电系统（DG）等等。1配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM）配电系统中存在大量的快速冲击负荷，如电弧炉负荷，会引起电压闪变，引

5、起系统电流与电压的不平衡。传统上人们采用静止无功补偿器（SVC）来抑制电弧炉引起的电压闪变，现在全世界大约有600台用于抑制电压闪变的SVC在运行。但由于SVC装置的响应速度慢（几十毫秒以上），SVC装置抑制闪变难以达到50。与SVC装置相比，采用PWM控制的与电力系统并联的电压源变流器即配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM）具有动态响应速度快（响应时间小于10ms），补偿电流不依赖于系统电压，谐波抑制能力强，抑制电压闪变效果好（抑制电压闪变可达20以下）以及占地面积仅为同容量SVC装置的50，有功损耗可比SVC低两个百分点等优点，因此DSTATCOM装置逐渐取代SVC装置在配电系统中获得

6、越来越广泛的应用。19861999年，三菱至少投入运行了200台DSTATCOM，容量从0.160Mvar不等，应用场合包括钢铁公司、电气化铁路、水电站、风电站和变电站等。西门子从1995年宣布要开发DSTATCOM，1998年在美国得州的SMI投运了一套土80Mvar的装置，与60Mvar的FC并联。主要用于电弧炉负荷的闪变、谐波和功率因数校正，顺便解决不平衡，采用三单相桥结构，三相电容共用。ABB的30Mvar以上的DSTATCOM至少有6台，3台用于抑制电弧炉负荷的电压闪变，最大一套0164Mvar。采用三电平三相桥，开关器件采用IGBT，开关频率在1000Hz以上。国内清华大学和河南省

7、电力局联合研制的我国最大的（20Mvar新型静止无功发生器（STATCOM）已于1999年3月在洛阳朝阳变电站投入运行，是我国第一台工业级的STATCOM装置。该装置的结构原理图如图3所示。图4是该装置的动态响应特性，其响应时间约为20ms。该STATCOM装置的成功运行为DSTATCOM装置的应用打下了坚实的基础，目前国内已经对DSTATCOM装置应用于配电系统抑制电压闪变，补偿负荷不平衡进行了广泛深入的研究，正在推进DSTATCOM装置在配电系统中的工业应用。2动态电压调节器（DVR）UPS虽然能保证敏感负荷持续供电，但大容量UPS装置价格过于昂贵，限制了其应用。而根据统计，电力系统中供电

8、问题大部分都是时间在几毫秒到500ms的电压动态跌落与升高，而不是电压完全中断，因此没有必要采用UPS装置。为了防止这种类型的动态电压质量问题对敏感负荷造成的影响，人们研制了动态电压调节器装置。它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，是DFACTS家族中的重要成员之一。该装置能在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。它主要由储能 单元、DCAC逆变器模块、连接变压器等部分组成，如图5所示。由图可以看到DVR装置只补偿系统电压中因干扰而缺失的部分，无需承担负荷所需的全部电压，因此与UPS相比容量可以更小，通常只需负荷容量的1513，因此造价可以大大下降。

9、决定DVR成本的是补偿电压的最大值和负荷电流，而该值可根据用户电压跌落统计数据确定；逆变器模块一般采用由IGBT构成三相全桥结构，采用PWM调制方式，这种结构控制灵活，便于分相补偿。目前DVR的最大容量已达8MVA，在消除电压跌落、提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果。为了进一步降低DVR装置的成本，国内外的电力工作者都在研究如何采用新型的控制算法，尽量降低DVR装置直流侧储能装置的容量，目前关于DVR装置的研究重点主要在电压跌落的快速检测以及新型的补偿控制算法。国内清华大学研制的低压动态电压调节装置已经较成熟，图6为清华大学研制的DVR装置抑制系统动态电压跌落的波形图。由图中

10、可见DVR装置可以在3ms的时间内产生合适的补偿电压，保证敏感负荷供电电压不受系统电压故障的影响。高压大容量的动态电压调节装置国外已经推出，国内也正在研制之中。另外，GE公司推出基于超导的动态电压调节装置。随着国内高新技术企业的发展，对动态电压质量问题越来越重视，动态电压调节器的应用也将越来越广泛。3有源电力滤波器（APF）随着大量非线性负荷特别是电力电子装置在电力系统中的大量应用，其产生的谐波已经成为电力系统中的公害。但由于常规滤波器容易改变系统参数并导致谐振，补偿谐波时容易产生过剩的无功功率以及时间久了后容易出现失谐等问题。国外从20世纪80年代就开始研制有源电力滤波器。目前各种有源电力滤

11、波器在日本等国获得了广泛的应用，已经有较成熟的产品，图7为有源滤波器的原理图。由于有源滤波器可以看作可控的电流源，因而可以主动快速（响应时间可在5ms以下）补偿负荷的谐波、无功功率或不平衡电流，而且这些不同的电流成分可以按需要分别补偿，从而使非线性负荷流入系统的电流为基波电流、基波正序电流或纯基波正序有功电流。由于有源滤波器具有完全主动的补偿能力，可以不受系统阻抗特性的影响，因而受到青睐。有源滤波器的关键技术主要有：谐波的快速检测，变压器的选择，有源滤波器的控制方法等。其中谐波快速检测方法经历了近20年的发展，已经逐步形成了瞬时无功功率方法，快速傅里叶分析方法，自适应检测方法等，其中基于瞬时无

12、功功率的方法及其改进型是目前应用最为普遍的方法。但这些方法还存在一定的问题，如谐波的检测还是存在延时（一般为几个毫秒），系统三相电压不对称、存在谐波时这些方法都存在较大的误差，因此理论上更加完善，在系统电压不是纯基波正序的情况下，能够快速准确检测谐波的理论和方法一直处于研究之中。有源滤波器的控制方法也是目前研究的重点之一。虽然一般的滞环比较方法能满足大部分场合的需要，但是滞环比较方法需要开关频率高，增加了APF装置的损耗。为了改善补偿效果，人们一直在研究基于空间矢量的PWM方法及多维PWM控制方法。目前国内各大学已经开展了较深入的APF的研究。有源滤波器由于价格高，因此混合式滤波器成为研究的重

13、点，图8为混合型有源滤波器的原理图，它既利用了无源滤波器（可以按要求选择单调谐，双调谐或高通滤波器等）又有有源滤波器，可以降低有源滤波器的容量，降低整个装置的造价，因此是研究的重点也是将来发展的方向。另外串联型有源滤波器，用于三相四线制系统的有源滤波器等也处于研制之中。由于大功率电力电子器件的开关频率越来越高，因而电力系统中谐波的次数也在升高，现在人们逐渐关注更加高次的谐波污染（如某钢厂60次以上的谐波引起变压器啸叫），因而更高次数谐波电流的治理也逐渐引起人们的重视。经过近年来的努力，国内清华大学、西安交通大学和华北电力大学等都研制出了有源滤波器工业样机，下一步将朝着控制算法更好，效率更高，成

14、本更低，可补偿谐波频率更高的方向发展，并推出，国内也正在研制之中。另外，GE公司推出基于超导的动态电压调节装置。随着国内高新技术企业的发展，对动态电压质量问题越来越重视，动态电压调节器的应用也将越来越广泛。3有源电力滤波器（APF）随着大量非线性负荷特别是电力电子装置在电力系统中的大量应用，其产生的谐波已经成为电力系统中的公害。但由于常规滤波器容易改变系统参数并导致谐振，补偿谐波时容易产生过剩的无功功率以及时间久了后容易出现失谐等问题。国外从20世纪80年代就开始研制有源电力滤波器。目前各种有源电力滤波器在日本等国获得了广泛的应用，已经有较成熟的产品，图7为有源滤波器的原理图。由于有源滤波器可

15、以看作可控的电流源，因而可以主动快速（响应时间可在5ms以下）补偿负荷的谐波、无功功率或不平衡电流，而且这些不同的电流成分可以按需要分别补偿，从而使非线性负荷流入系统的电流为基波电流、基波正序电流或纯基波正序有功电流。由于有源滤波器具有完全主动的补偿能力，可以不受系统阻抗特性的影响，因而受到青睐。有源滤波器的关键技术主要有：谐波的快速检测，变压器的选择，有源滤波器的控制方法等。其中谐波快速检测方法经历了近20年的发展，已经逐步形成了瞬时无功功率方法，快速傅里叶分析方法，自适应检测方法等，其中基于瞬时无功功率的方法及其改进型是目前应用最为普遍的方法。但这些方法还存在一定的问题，如谐波的检测还是存

16、在延时（一般为几个毫秒），系统三相电压不对称、存在谐波时这些方法都存在较大的误差，因此理论上更加完善，在系统电压不是纯基波正序的情况下，能够快速准确检测谐波的理论和方法一直处于研究之中。有源滤波器的控制方法也是目前研究的重点之一。虽然一般的滞环比较方法能满足大部分场合的需要，但是滞环比较方法需要开关频率高，增加了APF装置的损耗。为了改善补偿效果，人们一直在研究基于空间矢量的PWM方法及多维PWM控制方法。目前国内各大学已经开展了较深入的APF的研究。有源滤波器由于价格高，因此混合式滤波器成为研究的重点，图8为混合型有源滤波器的原理图，它既利用了无源滤波器（可以按要求选择单调谐，双调谐或高通滤

17、波器等）又有有源滤波器，可以降低有源滤波器的容量，降低整个装置的造价，因此是研究的重点也是将来发展的方向。另外串联型有源滤波器，用于三相四线制系统的有源滤波器等也处于研制之中。由于大功率电力电子器件的开关频率越来越高，因而电力系统中谐波的次数也在升高，现在人们逐渐关注更加高次的谐波污染（如某钢厂60次以上的谐波引起变压器啸叫），因而更高次数谐波电流的治理也逐渐引起人们的重视。经过近年来的努力，国内清华大学、西安交通大学和华北电力大学等都研制出了有源滤波器工业样机，下一步将朝着控制算法更好，效率更高，成本更低，可补偿谐波频率更高的方向发展，并通过产业化推出工业级产品。4统一电能质量补偿装置（UP

18、QC）APF可以解决负荷的动态电流质量问题，而DVR可以解决系统的动态电压质量问题，如果把APF和DVR组合起来，则可构成能同时补偿电压趺落、瞬时电压中断、谐波电流和谐波电压、电压闪变、系统不对称等电能质量问题的综合补偿装置，称为统一电能质量控制器（UPQC）。UPQC的主电路结构如图9所示，分为串联单元、并联单元、直流储能单元三个部分。两个脉宽调制（PWM）逆变单元分别构成串联单元和并联单元的主要部分，直流储能装置则是两个逆变单元公用的，这三个部分共同组成一个完整的用户电力装置。这种结构的统一电能质量控制器既可用于三相系统，也可用于单相系统，给电压和电流波形都很敏感的重要负荷提供电源， 还可

19、以消除非线性负荷和冲击性负荷对系统的影响，相当于在负载和系统之间进行了隔离。UPQC结合了电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两者的功能：a在供电电压出现暂态或是稳态故障的时候，UPQC可以维持负载侧的电压为标称值。bUPQC可以提供非线性负载需要的谐波电流，从而保证系统电流的质量。cUPQC可以提供负载所需要的无功，使系统电流和电压同相，提高负载的功率因数，不需要额外的功率因数校正装置。d并联单元可为串联单元直流侧提供能量，因此不会对系统电流产生额外的干扰。由于UPQC的串联和并联两部分共用直流单元，因此电网和装置之间必须进行隔离，否则会出现电容直通、相间短略等情况。现有UPQC采用的

20、隔离方法基本上都是在并联或者是串联单元接入系统的地方增加隔离变压器。变压器的接入不仅为装置和系统提供了隔离还可以扩大装置的容量，使得器件的选择更加灵活。但由于变压器的非线性，它的引入也带来很多不利的因素，如增加损耗，谐波通过频带窄以及移相等影响UPQC装置的性能。为此清华大学提出了一种新型的单相UPQC结构，直流隔离UPQC，其主电路如图10所示。利用中间电容通过开关的切换在并联侧与串联侧之间传递能量，可以省略变压器。一方面可以降低UPQC的造价，另一方面又可以提高补偿性能。目前UPQC器还在发展中，虽然国内已经研制出实验样机，但离实用还有一定的距离。目前UPQC研究的重点为并联部分与串联部分

21、的协调控制，即并联部分为串联部分提供良好的功率支撑，维持直流侧电压的稳定。最终使并联部分能保证负荷向系统注入的电流为纯基波正序有功电流，而串联部分则确保为敏感负荷提供三相平衡，动态波形质量良好的电压。5固态切换开关（SSIS）对于敏感负荷，为了保证可靠供电，一般需要供给两路独立的电源。一路运行，一路作为备用。一旦运行的电源出现故障，将敏感负荷迅速切换到另一路备用的电源是提高供电可靠性的重要措施。固态切换开关就是完成这种工作的，图11为固态切换开关的原理图。主电源供电正常时，负荷通过主电源及快速机械开关1供电，固态开关1断开，固态开关2及快速开关2都处于断开状态，这样可以大大减小运行时的损耗。一

22、旦检测到主电源电压异常，快速开关1迅速断开（一般为4毫秒以内），固态开关2等快速开关1断开后立即触发导通，然后再合上快速开关2，等快速开关2合上后，断开固态开关2，正常情况下让负荷通过快速开关2供电，减小损耗。由备用电源切换到主电源的过程类似。由固态切换开 关的工作原理可以看到，为了保证负荷的连续供电，要求快速开关能快速切断（一般要求几个毫秒以内），快速开关合上时速度不要求很快，因为固态开关由晶闸管构成，具有很快的速度（微秒级），因此由固态开关完成快速供电的过程。固态切换开关中最关键的技术是快速断开的开关。一旦检测到工作电源出现故障，快速开关应该快速断开，而通过晶闸管投切的另一路备用电源能够快

23、速投入。我国上海NEC华虹电子有限公司就安装了日本三菱公司生产的固态切换开关。目前国内正在开展这方面的研究，但由于缺乏快速关断的机械开关，因此SSTS研制还处于起步阶段。由于现代电网都是紧密联系在一起的，因此SSTS要求的 双路独立电源通常难以满 足。除非安装另一套独立的发电系统，否则SSTS切换对电能质量的改善是有限的。6分布式发电技术分布式发电技术可以较好地利用新的可再生能源发电并提高发电的效率，因此作为公用电网供电的补充，具有较大的发展潜力。特别是对于偏远地区，分布式发电系统更是具有独特的优点，不但可以避免远距离送电网路建设的巨大费用，而且可以提供可靠的绿色电力。分布式发电系统与互联电力

24、系统互为备用，互联电力系统运行正常时负荷接在互联电力系统上，一旦互联电力系统出现故障，分布式发电系统快速投入（几毫秒），保证负荷的可靠供电，对于现代精密制造等敏感负荷具有重要的意义。如美国内布拉斯加州奥马哈第一银行在其信 用卡计算机系统安装了4台燃料电池发电的800kW的分布式发电系统，使该计算机系统的供电可靠性大大提高达到每年的停电时间小于3s。图12为分布式发电系统的原理图，负荷既可通过公用配电网供电也可由分布式发电部分供电，一旦公用电网出现故障，可以切换到完全由分布式发电部分供电。所以分布式发电系统成为公用电网供电的补充与备用，除可以提高运行效率外还可以大大提高供电的可靠性。虽然有上述优

25、点，但建立真正经济可靠、供电质量优良分布式发电系统还存在一系列问题需要解决。其中最主要的问题是在系统受到干扰或有非线性、敏感负荷时如何保证分布式发电系统能提供安全可靠、质量优良的电能。这主要是因为分布式发电系统的容量通常在几千瓦几十兆瓦之间，因此受到小的干扰后就容易出现工作不稳定，如大型负荷的突然投入，可能造成电压很大的波动。其次分布式发电系统负荷分支较少，发电部分与负荷部分联系紧密距离短，非线性负荷产生的谐波电流不象在互联电力系统之中被各分支分流，而会直接流入发电部分，轻则在发电部分内阻抗上产生谐波电压，使负荷电压谐波含量增加，降低供电质量，严重情况下谐波与不对称导致发电部分出现设备损坏。如

26、发电部分通常有变流器和直流储能设备（如蓄电池），谐波与不对称均在变流器直流侧产生大的谐波，严重影响蓄电池的寿命。其三，分布式发电系统为了利用新能源，因此有多种发电形式，而其中许多发电形式无法供给稳定持续的电能，因此势必引起供电电压质量问题，如电压跌落等等问题。因此如何保证小容量的分布式发电系统提供稳定、安全、质量优良的电能是其面临的最大的技术问题。国外对分布式发电系统的研究很多均集中于电能质量控制及分布式发电系统本身的安全稳定可靠运行方面。针对分布式发电技术，IEEE制定了标准，并在IEEE期刊上出版了专辑（2004年9月，IEEETransonPowerElectronics），研究了分布式

27、发电中遇到的问题以及如何与现有发电系统的协调控制问题，具有一定的参考价值。文献预言在2010年，分布发电系统产生的电能将占国外电能的25。分布式发电系统研究在我国虽然刚起步，但随着技术的发展及对新能源的研究，预计分布式发电系统将具有较大的发展潜力。附表对各种基于电力电子的电能质量控制技术进行了简单的对比。在对电能质量治理时可以根据需要加以选择。改善电能质量问题是一项系统工程改善电能质量问题是一项系统工程，从电能质量问题现状的调研，电能质量的监测、评估，污染源的定位，合理的控制和补偿方案的设计，工程实施，到政策法规的制订等，有大量系统的配套的研究和开拓工作需要进行。电能质量问题范围很广，其中因非

28、线性负荷而引起的问题以及谐波、不对称等稳态电压质量问题已较为人们所熟悉，我国在这一方面也有多年的研究，并已取得很大的进展。但是系统异常情况下的电压跌落、瞬时供电中断等动态电压质量问题还不为人们所熟知，国内还未见相关的文献报道，因此对这些问题还需进行深入的调研，这也是解决电能质量问题的前提。如美国EPRI对电压跌落也进行了长期、广泛的实测调研，结果表明许多电压跌落的幅值是变化的，且有的还伴随着相位的突变、不对称以及波形的畸变，另外绝大多数的电压跌落幅值小于40额定值，且持续时间不足10个周波，因此如果能够持续200ms补偿30的负荷容量，则估计可以消除95以上的电压跌落扰动。这些调研结果无疑为解

29、决动态电压质量问题提供了重要的参考。类似的调研对我国电能质量问题的研究也具有重要的意义。动态电能质量问题是近些年随着高新技术的发展而暴露出来的新问题，研究电力用户对电能质量的敏感性问题可为选择恰当的补偿方式提供重要的依据，同时也为今后制定电能质量标准提供重要的参考。国外的研究结果表明电子类用电设备、自动化程度高的设备以及工序复杂的生产过程对电压跌落比较敏感，并且版本越新的电子产品对供电质量越敏感。因此，随着高新技术的不断发展，电能质量问题对不同用户的试验研究将不但成为确定用户保护方案或补偿方式的一项重要内容，而且也为设备制造商确定设计方案提供重要的参考。由于电能质量问题与供电系统、用户及其用电

30、设备特性都有关，尤其是动态电能质量问题，无论是供电部门，还是用户、敏感设备制造商，都无法独自解决，所以由此而造成的损失也不可能由其中的任何一方来承担：另外，谐波问题的根源主要位于非线性负荷侧，而系统自身产生的谐波含量很小。因此，为了更好地改善电能质量，需要建立系统、合理的电能质量评估体系，并依此建立有效的经济杠杆以激发各方对电能质量问题的重视。随着电力市场化和电能质量法规化，供电质量将引起越来越多的重视，开发出考虑电能质量监测的新的SCADA系统是配电能量管理系统的新研究方向。这一领域的难点将是对电流、电压的高采样率的同步测量，数据量大，因此需要开发强大的数据库辅助以先进的数据压缩技术来进行有

31、效管理，同时还需要开发相应的分析软件来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提供指导。最后，在国家法律法规服务部门，电能质量评估咨询部门，供电部门，电力用户以及提供电能质量治理技术的科研部门的合作下，解决现代信息社会所面临的电能质量问题。结 语随着高新技术产业的发展，信息设备的在社会各个领域的渗透应用，电能质量问题将日益引起人们的广泛关注。当今威胁电能质量的主要干扰是动态电能质量问题：进行深入广泛的调研是解决电能质量问题的前提，对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径；进行电能质量问题对不同行业用户影响的试验研究是确定电能质量补偿方式的重要依据：运用柔性输电及用户电力技术对电能

32、质量进行系统化地综合补偿是解决电能质量问题的最终途径。电能质量及其控制技术的研究进展 - 作者：肖国春 刘进军 王兆安 | 转贴自：本站原创 | 更新时间：2007-2-16alibaba 摘要: 电能质量及其控制技术是当前电工领域的研究热点 。本文在详细介绍了国际上最新的有关电能质量干扰指标的定义的基础上，论述了目前电能质量及其控制技术控制装置的研究进展。 Abstract: Power quality and its control technique is the important research area in electrical engineering nowaday. On

33、the base of introduce the international latest of technical terms be used to describe main power quality disturbances, in this paper the development power quality and its control technique and device are discussed.关键词 电能质量, 电能质量控制Key words: power quality, power quality control, 0 电能质量及其控制技术的研究意义 随着现

34、代科学技术的发展 ，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长， 如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用，各种大型用电设备的启停等 ； 另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及 ，如高性能家用电器、办公设备、精密实验仪器、连续、精密生产过程的自动控制设备等。人们对电能质量及可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾愈来愈突出。这使得电能质量问题，对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大。电能质量的好坏，直接关系到国民经济的总体效益。 对供电质量及可靠性的要求日益提高，是和用户的工艺过程水平的发展相联系的1，在电力发展的初期，电力负荷主要是照明，人们

35、知道停电后马上点燃油灯或蜡烛，并无多大怨言。但当主要电力负荷逐渐为工、农业生产和商业所代替后，一停电就会造成相当大的损失。因此就出现了双电源、备用电源、重合闸装置等技术措施来提高供电可靠性。近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化， 对电能质量提出了更高更新的要求。一个计算中心失去电源 2s 就可能破坏几十小时的数据处理结果或上百万元的经济损失；在大型机器制造厂0.1s 的电压突降，就可能造成异常的生产状况和质量破坏；当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工 厂内部造成混乱 ，其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格

36、到只有 12 周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。而谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及。无人值守变电站中，计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电能质量问题。 在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出，而且，由于各种原因 ，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上， 我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。 改善和提高电能质量的主要措施是采用电力电子技术，由于配用电系统量大面广，随着电力用户的工艺过程的不断进步，对供电可靠性和质量的要求越来越高。而电力市场的竞争日益激烈，

37、这使得世界各国电力界对这项新技术更加重视，有关电能质量控制的研究具有巨大的经济和社会效益。它对于大大减少用电设备的故障，从而保证生产和生活的正常进行，对于减小电网内部因电能质量问题造成的损耗，从而提高电能的使用效率。对于供电企业树立强烈的竞争意识从而有力地促进电力市场的孕育与形成。对于开辟和带动电力电子产业的发展，从而推动整个电力产业的革新与进步都具有极其重要的意义。 1 电能质量干扰指标的定义2 IEC(1000-2-2/4)标准对电能质量是这样定义的 ：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落 sags 和电压完全中断。针对过去

38、对各种扰动引起的电能质量问题干扰的提法不一，IEEE第22标准统筹委员IEEE Standards Coordinating Committee 22(电能质量)和其它国际委员会推荐如下几种术语来描述主要的电能质量干扰各术语的定义如下 ： 电压跌落（sags）：电压或电流有效值降至额定值的10%90%，持续时间为0.5个周期至一分钟 。 电压中断(interruptions)：在一相或多相线路中完全失去电压低于额定值的10%一段时间。持续时间0.5个周期至3s，为瞬时中断。持续时间3s至60s，为暂时中断。持续时间大于60s，为持续中断。 电压上升（swells）：电压或电流有效值升至额定值的

39、110%以上，典型值为额定值的110%180%，持续时间为0.5个周期至一分钟。 电压瞬变（transients）：指在一定时间间隔内，两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任意极性的，单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 过电压（overvoltage）：电压为额定值的110%120%，持续时间大于1分钟。 欠电压（undervoltage）：电压为额定值的80%90%，持续时间大于1分钟。 谐波（harmonics）：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流，由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变，可分解为基波和谐波之和 。 间谐波（interharmonics）：电

40、压和电流的频率不是基波频率的整数倍间谐波，主要由静止变频器、周波变频器，感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。 电压缺口(notches)：持续时间小于0.5个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时，参与换相的电路瞬时短路，造成的与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。 电压波动(fluctuations)：闪变电压波动，闪变是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化，其电压幅值的变化通常为额定值的90%110%，这种电压波动常称为电压闪变。闪变一词是从电压的波动引起电灯的闪动得来的。在输电和配电系统中电压闪变主要是由电

41、弧炉引起的。 2、电能质量控制技术及装置的研究现状 从技术上看，影响电能质量的因素主要有三方面：一、自然现象如：雷击、暴风雨等；二、电力设备及装置的正常使用和自动保护。如大型电力设备的启停，自动开关的跳闸及重合等；三、用户终端的非线性负荷冲击性负荷的大量使用。 电能质量的控制主要从两方面采取措施：一方面，提高发电供电配电系统的电能质量和可靠性；另一方面，提高用户终端设备容许干扰的能力。提高电能质量应该是用户电力部门公司电气设备制造商三方面共同的责任。 电能质量控制是一个复杂的系统工程，主要涉及电力系统、电工理论、电力电子技术、自动控制理论等学科，包括电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量的实时检

42、测与控制等技术还与国家政策和管理机制有关。 2-1 国外的研究现状 国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查监测，到用户终端电气环境的定义。各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术(custom power)等，电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议ICHPS，更名为电力谐波与电能质量学术会议，ICHQP把电能质量提高到一个新的高度来认识。 2-1-1理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究3 如何评价电能质量的好坏，通常使用的几种定量评价电能质

43、量的指标，如总谐波畸变率THD、功率因数等。但当波形为非周期信号，频率为分数次谐波频率时，上述评价指标就有不协调的问题，这涉及到如何处理畸变不平衡现象的功率定义问题，这方面国外已作了大量研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。 2-1-2针对上述的电能质量问题, 国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置2 包括有源电力滤波器(APFActive Power Filter)和无源滤波器(TFTuned Filter)、电池贮能系统(BESSBattery Energy Storage System)、配电用静态同步补偿(DSTATCOMDistribution Static Syn

44、chronous Compensator)、配电用串联电容器(DSCDistribution Series Capacitor)、动态电压恢复器(DVRDynamic Voltage Restorer)、功率因数校正电容器(PFCCPower Factor Correction Capacitor)、避雷器(SASurge Arrester)、超导磁能贮存系统(SMESSuperconducting Magnetic Energy Storage System)、静态电子分接开关(SETCStatic Electronic Tap Changer)、固态转移开关(SSTSSolid-State

45、 Transfer Switch)、固态断路器(SSCBSolid-State Circuit-Breaker)、静止无功补偿器(SVCStatic Var Compensator)、晶闸管开关电容器(TSCThyristor Switched Capacitor)、不间断电源(UPSUninterruptible Power Supply)等，这些装置主要是采用电力电子技术，一些装置已相当成熟。其产品开始进入大量实用化阶段，如日本的有源电力滤波器使用很普遍。并联型有源电力滤波器最大容量达50MVA，采用的是GTOSCR器件用于抑制电弧炉引起的闪变。 2-1-3统一电能质量调节器UPQCUni

46、fied power quality conditioner或称电能质量调节器PQC 它可快速补偿供电电压中的突升、或突降波动和闪变、谐波电流和电压各相电压的不平衡，以及故障时的短时电压中断等，是一项具有综合功能的电能质量控制器45。西门子公司已系列生产出的PQC装置SIPCON它是基于IGBT的PWM换流器，是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合，为众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的PQCSIPCON与系统联接有三种方式：并联时，主要防止非正常负荷对系统的影响（谐波、无功补偿负、荷不平衡和闪变）。串联时，则用于防止系统对负荷的影响（电压突升或突降、电压畸变或不平衡）。而当

47、串并联接入时，则将具有双向补偿的功能。 2-1-4用户电力技术（CusPowCustomer Power6） 它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术，运用于中低压配电系统和用电系统中，以减小谐波畸变、消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术概念的提出，它有助于供电部门、电力公司提供高可靠性和高质量的电力、也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求，用户电力技术控制器包括上面介绍的动态电压恢复器(DVR)、 固态断路器(SSCB) 、统一电能质量调节器UPQC等。 2-2 我国的研究现状 为了保证我国的电能质量，自1990年以来, 我国相继发布了五项电能质量国家标准:GB12325-90电能质量 供电电压容许偏差；GB12326-90电能质量 电压容许波动和闪变； GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波；GB/T15543-1995电能质量 三相电压容许不平衡度；GB/T15945-1995电能质量 电力系统频率容许偏差；以上电能质量标准分别从发电供电用电端对电能质量提出了要求。这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。 目前国内在电能质量控制方面的研究，大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量