电能质量及其治理新技术

电能质量及其治理新技术

摘要：高新技术产业的发展对电能质量提出了新的要求。电能质量的研究与控制问题由此引起了人们的关注。文章概括介绍了与之有关的电能质量的定义及其等级划分的问题，并简要分析了干扰电能质量的原因，提出了在电能质量检测与控制中需要深入研究的问题。

关键词:电能质量；补偿装置；检测；控制策略

1 引言

信息技术的发展，使基于微处理器控制的设备得到迅速普及和发展。未来不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换或控制。这些装置给人们的生产、生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加，谐波污染加重，从而导致矛盾的局面：系统一方面要承受电力电子装置带来的污染，又要用它来消除这种污染，提高电能质量。

就全球范围而言，从80年代末开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开放电力市场成为世界潮流。在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益。为了适应这种需求，1988年美国的N.G.Hingorani博士提出了Custom Power（用户电力技术）的概念，这是一种应用现代电力电子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质量控制的技术。我国一些学者称Custom Power为DFACTS[1]，认为是FACTS技术在配电系统应用的延伸，并做了大量的研究。1996年，日本北海道大学和茨城大学的学者正式提出了与上述概念相似的FRIENDS（Flexible, Reliable and Intelligent Electric eNergy Delivery System），并组织“FRIENDS研究会”。两者目的都是为了建立灵活、可靠的电力供应系统，更好地满足用户需求。

目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题难以解决或达成共识。其中较为突出的问题有：电能质量的定义及以此为基础的电能质量等级的划分；对各瞬变量的实时检测及有效补偿；为改进电能质量问题，电站、用户及装置生产厂家之间的合作与协调；合理的电能质量评估体系的建立等。为解决这些难题，科研工作者通过不懈的努力，对一些问题提出了独到的见解，研制出一些新型试验装置。日本、美国、德国等发达国家投入运行的试验装置已取得了预期的效果。

2 电能质量及其等级划分

虽然人们不断地提及“电能质量”这个术语，但是对电能质量的定义仍未能达成共识。文献[2]认为“电能质量”是“任何明显引起电压、电流或频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电能问题”。IEC （1000-2-2/4）标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”。IEEE Std.1100-1999将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。文献[1]则简明地表示为“电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差”。

不论如何表达，“电能质量”的概念中应包括电能供应中所要考虑的一切方面，这些方面可以分成如下三类：

（1）电压和频率的偏差：过电压、欠电压、频率偏差。

（2）电压和电流的波形：电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称。

（3）供电连续性：瞬时断电，暂时断电，持续断电。

每一项的定义，按照IEEE Std．1159-1995，如图1所示。我国在参考IEC EMC-61000系列标准和IEEE Std 标准后，已经颁布的电能质量系列国家标准有《供电电压允许偏差》、《电压允许波动和闪变》、《公用电网谐波》、《三相电压允许不平衡度》和《电力系统频率允许偏差》等五项标准。

电能质量等级的划分是以电能质量的定义为基础，以用户的要求为根据，以变电站的承受能力为条件所制订的。每个变电站所连接的负荷类型是各不相同的，而不同的负荷必然会对电能质量提出不同的要求。在这些要求高于电站所能达到的水平时，电站就要进行代价利益分析：或者低于用户提出的标准，或者采取措施，提高本身的供电质量，满足用户的要求。权衡折衷之后，对上面提到的各个方面规定出不同的补偿目标，制定出合适的电能质量等级。一般而言，常将电能质量分为常质（normal quality）、优质（premium quality）、高质（high quality）电力三个级别[4]。

3 干扰原因及对策

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[1]。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[5]。

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[6]~[12]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[13]：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