现代电能质量问题与Ｄ－ＦＡＣＴＳ技术

[摘要] 文章介绍了电能质量的相关概念和基本分类，结合实际分析电能质量的几种改善方法与措施；无源滤波器、有源滤波器、静止型无功补偿装置，可以有效地解决稳态电压质量问题，讨论了解决电能质量问题的新技术—D—FACTS技术中几种主要电能质量补偿装置的功能：动态电压调节器、静止无功发生器、有源滤波器、固态断路器、统一电能质量控制器、超导磁能装置等，它们是动态电压质量问题的有效解决方案。文章得出结论：运用电力电子的相关新技术对电能质量进行系统地综合补偿，将是电能质量问题研究与开发的方向和有效解决途径。

[关键词] 稳态电能质量　动态电能质量　D—FACTS

0　引言

电能质量，即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，电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称。一般地，电能质量也可描述为导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，这样描述简单明晰，概括了电能质量问题的成因和后果。

电能质量问题包括稳态电能质量和暂态电能质量两个方面，直接影响电力系统的供电安全及用电设备的正常运行。传统的电能质量研究都是基于系统稳态而言的，如三相不平衡、高次谐波等。随着工业自动化和电力系统的深入发展，一方面，配电网中非线性负荷对电网电能质量构成了严重的威胁；另一方面，配电网中如计算机等设备对系统干扰更加敏感，对电能质量提出了高可靠性、高可控性的要求，因此，暂态的与短持续时间的电能质量问题成为当前研究的热点。

1　电能质量问题及其分类

1.1　暂态电能质量

暂态电能质量问题主要包括脉冲型的和振荡型的暂态电能质量问题。脉冲型暂态电能质量问题是指电压、电流在稳态情况下发展突然、非工频且单方向性质的变化，例如雷击电流脉冲暂态过程造成的电能质量问题；振荡型暂态电能质量问题是指电压、电流在稳态情况下发生突然、非工频且正极性和负极性方面的变化，容易发生振荡型暂态电能质量的场合主要有电容器投入过程、配电系统的铁磁谐振和变压器充电过程、串联电容器(变压器)涌流等。

1.2　短持续时间电能质量

短持续时间电能质量问题主要有电压骤降、电压骤升和电压中断。电压骤降是指在工频情况下电压或电流的有效值降低至0.1～0.9p.u.且持续时间在0.5个周波到1min，易发生电压骤降的场合有：系统故障、启动重负荷或大容量的电动机等。

电压骤升是指在工频情况下电压或电流的有效值升高至1.1～1.8p.u.且持续时间在0.5个周波到1min，易发生电压骤升的场合有：系统故障(如单相对地故障情况下的非故障相电压)、切除大容量负荷或对大容量电容器充电。

电压中断是指供电电压或负荷电流降低至0.1p.u以下且持续时间不超过1min。易发生电压中断的场合有：系统故障、设备故障、控制误动、电压骤降发展等。

1.3　长持续时间电能质量

长持续时间电能质量问题主要包括：高电压、低电压和持续失电。

高电压现象通常由切除大容量的负荷、投入电容器、电压控制不合理、变压器分接头位置设置不合理等造成。

低电压现象通常由投入大容量的负荷、切除电容器、线路过载等造成。

持续失电与停电的区别，在于持续失电是一种特定的现象，用于电能质量的监视，而停电一般与供电可靠性相联系。根据IEEE1008的定义，停电不与现象相联系，它表示电力系统中设备不能正常发挥功能的一种状态。

1.4　三相电压不平衡

三相电压不平衡是指三相电力系统中三相不平衡的程度，三相电压不平衡通常因为负荷不平衡(包括单相或两相熔丝熔断)情况产生，当单相负荷较重时，三相不平衡比较严重。

1.5　谐波与畸变

波形畸变包括直流偏移、谐波、间谐波、波陷和噪声。

直流偏移是指交流电力系统中存在直流电压、电流的现象，它产生的原因有地磁干扰、半波整流(调光灯)等，交流系统中直流偏移造成的危害有使变压器铁心工作点偏移、接地网和其他连接体电解腐蚀等。

谐波是指在以基波方式运行的电力系统中存在频率为基波整数倍的正弦波方式的电压或电流，其危害主要有造成谐振、增加损耗，产生振动、破坏绝缘、影响测量和计量的精度、影响继电保护和自动装置动作、干扰通信等。

间谐波是指以基波方式运行的电力系统中存在的频率为基波非整数倍的正弦波方式的电压或电流，间谐波存在各个电压等级的电网中，它主要由静止频率转换器、回旋转换器、感应电动机等产生。

波陷是指由电力电子元件换相过程中造成的周期性电压扰动，其特征是连续发生并可以用频谱来表示，且各个分量的频率非常高，一般情况下无法用谐波测试设备测量，相对于谐波一般将它作为特殊情况来处理。

噪声是指附加在相线、中线和信号线上，频带低于200kHz的非正常电气信号称为噪声。噪声可以由电力电子元件、控制回路、电弧设备、带固态整流的负荷等造成，噪声会对电子设备产生干扰。噪声可以通过滤波器、隔离变压器和线路电力调节器来消除。

1.6　电压波动和闪变

电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。急剧的电压波动或闪变，可能引起同步电动机产生震荡，影响产品的质量，使电子设备和测试仪器无法准确工作，电视机和电子计算机的工作不正常。

2　基于D—FACTS技术的改善方法

现阶段用来改善电能质量的常见措施主要包括：有载调压变压器，串联或并联电容器组与无源滤波器。其中无源滤波器由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，无源滤波器是现有的抑制谐波和无功补偿的主要手段，具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点。广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

D-FACTS技术，即配电网中的FACTS技术，将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等新技术运用于中低压配用电系统，形成了一系列的电能质量补偿控制设备，可解决谐波畸变、电压波动和闪变、电压不对称、电压暂降等问题，从而提高电能质量。该技术以IGBT、IGCT等器件为基础的三相电压源，具有更快的开关频率，因此具有很快的响应特性。

2.1　SVC装置

静止型无功补偿装置(SVC)可以抑制由于电炉无功冲击引起的电压波动和闪变、高次谐波，可以提高功率因数，还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率平衡，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿。SVC由可控支路和固

定(或可变)电容器支路并联而成，主要有四种型式：可控硅控制空芯电抗器型(TCR型)、可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型)、可控硅开关控制电容器型(TSC型)、自饱和电抗器型(SSR型)等。

其基本结构如图1所示。其中TCR型具有反应时间快(5～20ms)、运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、使用范围广、价格便宜等优点。因此工业系统中应用最广。

2.2　动态电压恢复器

动态电压调节器(DVR)是串联在线路上的，DVR通过串联变压器在馈线上以电压叠加的方式注入配电系统，用于消除系统对负荷侧的不利影响。DVR使用低耗的IGBT或IGCT等固态可关断器件，其示意见图2。

当系统电压出现突然下降(或上升)时，DVR能快速反应，通过串联变压器向系统注入3个与系统同频的单向交流电压分量，其幅值为正常电压与故障电压之差。通过控制注入电压分量的幅值和相位来实现DVR与系统间的有功、无功双向交换，并将其控制在预设的范围之内，其响应速度可在几毫秒之内。根据电压相位的不同，DVR控制分为同相电压补偿控制和最小能量补偿控制。而且，DVR与配电系统间的无功交换是在DVR内部发生的，无需交流无功装置，如电抗器、电容器等。与DVR交流侧所交换的有功功率必须在其直流侧配备外部电源或储能装置。

2.3　静止无功发生器(D—STATCOM)

D-STATCOM用以调节电压和系统功率因数，用于动态非线性负载，如电弧炉等。它是采用IGBT(或IGCT)构成的自换相变流器，它把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源，控制补偿器基波电压大小与相位可改变基波无功电流的大小与相位。当逆变器基波电压比交流电源电压高时，逆变器就会产生一个超前无功电流。反之，当逆变器基波电压比交流电源电压低时，则会产生一个滞后无功电流，因此它能与系统进行无功功率的交换，故俗称其为“无功发生器”(SVG)。

与现阶段常用来抑制电压波动与闪变的SVC相比，SVG有以下优势：SVC进行双向补偿时，需同等容量的电容和电感，而SVG可以实现双向调节；SVG容量除了电压太低时是只与电压呈比例下降，它有短时过载能力，在满足同样的无功要求下，SVG的容量可比SVC小15％～20％；SVC输出感性无功时，用晶闸管控制电感时会产生高次谐波，SVG一般采用多重逆变器方式，基本上无有谐波“污染”；SVG占地比SVC小，SVG的维护量也较小。

随着多电平技术、多重化技术、SHEPWM技术在控制策略中的应用，SVG的调节性能更加优越，SVG将成为改善电能质量的优选方式，除了对电压波动与电压闪变有明显的抑制效果外，其对电压暂降、骤升与电压中断均具有良好的补偿作用。

D-STATCOM，又称为并联型动态电压恢复器，也能有效防止非线性负荷的快速无功电流变化所引起的电压闪络及电压骤降对配电系统造成的影响，为敏感负荷提供完全的电压支撑。

2.4　有源滤波器(APF)

现时研究表明，谐波及其抑制已经转向有源电力滤波器(APF)，APF是一种向系统输入补偿电流，幅值与负荷注入电网谐波电流的大小相等，相位差180°，抵消负荷所产生的谐波电流，具有高度可控性和快速响应性，即不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功等特点；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗或负载发生串联或并联谐振的危险；不会发生过载问题；具有自动跟踪补偿变化的谐波。

有源滤波器已开始陆续在配电网投入运行，混合型有源滤波器是现阶段有源滤波器研究和应用的主要方案，即将有源滤波器和无源滤波器相结合，结合两者的优点，共同达到良好的补偿目的，其优势在于：

(1)有源部分相当于一个谐波隔离器，既能阻止负载的谐波电流串入电网，又能防止电网的谐波电压影响负载，电网公共连接点上其它负荷的谐波电流流入无源滤波器。

(2)逆变器只需承担谐波电流和谐波电压，从而极大地降低了有源部分的容量，继而明显地降低投资，非常适合于大功率谐波负载的补偿。

(3)损耗低，由于逆变器只流通谐波电流，它只占电网电流中很小的一部分，所以逆变器的损耗将极大地降低。

(4)电网和负载适应性好，在控制方法中考虑电网不平衡和负载不平衡对滤波性能的影响，并采取有效的控制策略。

2.5　统一电能质量控制器(UPQC)

UPQC的主电路由一串联逆变器和一并联逆变器组成，两者通过电容耦合，并联逆变器采用PWM电流控制技术，进行非线性负载谐波电流及无功补偿，并起调节电容直流电压作用。串联逆变器采用PWM电压控制技术，通过控制其输出电压达到抑制电源电压谐波，减少电源电压波动对敏感负荷的影响。因此，该装置综合了串联和并联补偿器的优点，是一种综合电能质量补偿器，能解决绝大多数的短时与暂态电能质量问题。

除了以上装置外，还有：

固态断路器(SSCB) SSCB充分利用了晶闸管动作速度快和无触点的特点，实现组合开关的快速无电弧投切，因此可有效抑制电网电压的跌落和大故障电流带来的一系列危险后果。在稳态导通过程中，它又充分利用了电气触点接触电阻小的优点，不仅提高了效率，而且省去了复杂的散热装置。用GTO清除非常大的故障电流是不经济的，所以，SSCB在配电系统中的配置需要与常规的机械断路器配合使用，以节约投资。

超导磁能(SMES) 其原理是将电网交流电源转换成直流后利用超导线圈以磁能的形式储存起来，在需要时，再将储存的磁能转变为电能送回电网，其返回效率极高，可达90％～95％。SMES通过大功率电力电子设备和电网连接，响应速度极快，能适应高电能质量的要求。SMES一般由4个部分组成，包括超导线圈和与电网联接的电力调节系统两个主要部分，以及冷却系统和控制管理系统两个辅助部分，以并联方式与电网连接。用于改善电能质量的主要是小型SMES，其容量为0.5～10MJ，主要功能是抑制闪变、电压骤降和瞬时断电保护。

不间断电源(UPS)可以有效地来抑制电压中断与电压暂降，当UPS采用在线方式时，暂降就从本质上得到抑制，采用离线方式时，只要转换速度足够快(采用快速固态开关，切换时间可控制在10ms之内)，电压暂降几乎不会对设备造成影响。

3　结语

随着电力电子与信息技术在社会各个领域的渗透应用，一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高。当今威胁信息电力质量的主要干扰除了谐波、不平衡等稳态电能质量外，更多为人们所关注的是电压波动、电压闪变、电压骤降、电压中断等暂态电能质量，分析与实践证明，运用电力电子新技术对电能质量进行系统化地综合补偿将是解决电能质量问题的最根本途径。

针对电能质量问题，国家相继颁布了六项电能质量国家标准，涉及到电压偏移、公用电网谐波、三相不平衡、电压波动与闪变、频率偏差、瞬态与暂态过电压等，对相关允许值作了规定。电压骤降及其相关暂态电能质量问题日益受到关注，至今没有一个关于电压骤降等暂态质量问题的专用标准，其测量统计方法与可靠性指标日益受到关注，应该加快电压骤降、电压中断、电压骤升等电能质量国家标准的制定，为暂态电能质量的深入研究创造条件。

4　参考文献

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