电能质量控制技术综述

电能质量控制技术综述随着科技的进步，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变而引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”。电网中正面对越来越多的电能质量问题，这使得电能质量的研究十分紧迫。传统的电能质量包括两个方面：频率偏移和电压偏移。但随着工业的发展，仅靠频率偏移和电压偏移两个指标来衡量电能质量己远远满足不了用户对电能质量的要求。首先因为大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，他们的性能对电压质量非常敏感。其次大量调速电机和无功补偿装置投入运行，这些设备的大量增加导致了系统谐波水平的不断上升，从而对电力系统的容量和安全运行产生影响。另外，电力用户不断增长的电能质量意识迫使电力公司提高供电质量，设法解决诸如失去电压、电压跌落和开关暂态等电能质量问题。而且国外对电能质量问题越来越重视，目前，美国电气电子工程师协会工业应用协会(IEEEIAS)和电力工程协会(IEEEPES)、国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)等学术组织都设立了专门的工作小组对这些问题进行专门的研究。电能质量定义及评价标准从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但是迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。由于电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应占有优先的位置。IEC里面对电能质量作如下定义：电能质量是指描述电能特性的参数的集合，与供电的连续性和电压特性相关。在此电能质量的定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降或短时间中断以及供电连续性等。电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性3个方面。IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会最新采用11种专用术语来说明电压质量的主要扰动：电压中断(断电，interruption，outage):在一定时间内，一相或多相完全失去电压(低于0.8标幺值)称为断电。按持续时间长短分为瞬时断电(0.5周期一3s)、暂时断电(3s—60s)和持续断电(大于60s)。频率偏差(frequencydeviation)：率偏移是电能质量的一个重要指标，它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的程度。大容量电力负荷和发电设备的投切及控制设备的不完善都有可能导致频率偏移。我国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏移不得超过土0.2Hz，一些工业发达国家规定频率偏移不得超过土0.1Hz。电压下跌(sag)(电压跌落，dip):持续时间为0.5周期一1min，幅值为0.1一0.9(标幺值)，系统频率仍为标称值。电压上升(电压隆起，swell):电压(或电流)持续时间为0.5周期〜1min，幅值为1.1〜1.8(标幺值)，系统频率仍为标称值。瞬时脉冲(impulse):在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的电压(或电流)变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第1个尖峰。电压波动(fluctuation)与闪变(flicker):电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9〜1.1电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。电压切痕(notch):电压切痕是一种持续时间小于0.5周期的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难检测出来，这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。谐波(harmonics):含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。间谐波(inter-harmonics):含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波会使照明装置引发视觉闪变。过电压(overvoltage):电压(或电流)持续时间为大于1min,幅值为1.1〜1.2(标幺值)，系统频率仍为标称值。欠电压(undervoltage):电压(或电流)持续时间为大于1min，幅值为0.8〜0.9(标幺值)，系统频率仍为标称值。电能质量问题及其危害电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等;暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下几个方面。谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量3次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。引起电网谐振。这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来经济损失。谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产工效和产品质量，直接造成经济损失。重要的电能质量控制技术改善电能质量的装置和措施很多，以大功率电力电子器件为核心单元的新型装置可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动，而常规措施则很好地适用于稳态电压调整。电能质量控制装置按功能可分为以下三大类：无功补偿装置、滤波器和着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质量调节器(UPQC)。要想使电能质量控制装置充分发挥其设计功能，采用准确高效的分析与控制方法是至关重要的。首先要获得及时、准确的有关“源”信息，如三相电压、三相电流、中线电流及中线对地电压等，然后对这些源信息进行实时、快速的分析，得到所需的控制信息，控制装置根据这些控制信息，采用适当的控制方法产生相应的动作，最终才能得到理想的补偿效果。(1).不问断电源(UPS)不问断电源是接在供电电源与重要负荷之问的电力电子装置，其基本功能是当供电电源出现中断时，由不问断电源给重要负荷供电，保证重要负荷供电不中断，因此UPS装置对保证重要负荷的持续供电及改善电能质量具有重要的作用。但UPS装置需要储能装置，目前通常采用蓄电池，根据电池容量的不同，UPS通常只可维持对负载供电几十分钟至几小时。另外，考虑到对于高压设备、变流装置带来的损耗以及维护复杂，价格昂贵，如果负荷容量较大，该方案就不再经济可行。⑵.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，引起系统电流与电压的不平衡。传统方法是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技术、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装置具有动态响应速度快(响应时问小于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越来越广泛的应用。⑶.动态电压调节器(DVR)动态电压调节器装置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，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，DVR装置可以在3ms的时问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。它主要由储能单元、DCPAC逆变器模块、连接变压器等部分组成°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，只需负荷容量的1P5—1P3，因此造价可以大大下降。目前DVR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。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。⑷.统一电能质量控制器(UPQC)APF可以解决负荷的动态电流质量问题，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跌落、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的主电路分为串联单元、并联单元、直流储能单元三个部分，它既可用于三相系统，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。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、相问短路等情况。现有UPQC采用的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。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，谐波通过频带宽窄以及移相等影响UPQC装置的性能。目前UPQC研究的重点为并联部分与串联部分的协调控制，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。⑸.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。为了消除谐波的影响，通常采用常规L-C滤波器。但由于常规滤波器容易改变系统参数可能导致谐振，补偿谐波时容易产生过剩的无功功率以及时问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，APF作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。APF按电路拓扑结构，可分为并联型、串联型、串一并联型和混合型。APF按电源类型，可分为单相、三相三线制、三相四线制及有源线路调节器(APLC)等。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。但由于有源滤波器价格高，因此混合式滤波器成为研究的重点。国内APF研发远落后于国外，除少数几台APF已投入工业试运行外，其它大部分尚处于研制阶段。(6).固态电子转换开关(SSTS)虽然机械开关也有导通稳定，带负载能力强的特点，但也有非常突出缺点，如断开时常有电弧产生，触头易烧损，在运行中有噪声，机械电气寿命受到开断次数的限制，开断时间长，难以满足一些电力用户对电能质量的要求。固态电子转换开关是为了快速检测电压跌落，并转换电源达到治理电压跌落的目的。主要用于双回线路的切换，克服传统的机械开关反应慢的弊端，保证对重要用户可靠供电。SSTS的切换速度和检测精度是一个主要的设计指标。动态电压跌落识别方法按照扰动特征量提取方法大致可分为单一特征值法和变换法两类。其中单一特征值法主要包括如下几种方法：有效值法，如：三相平方和法、90度法，电压均方根法；变换法分为p-q变换和小波变换。现在用的比较多的是电压均方根法和改进p-q变换法，工程应用比较简单，准确和快速。表格1各种电能质量控制方式的比较电能质量控制技术防停电补偿稳态电压补偿动态电压节能消除谐波防灾害容量成本稳压电源无有无无无无大高无源滤波无无无无有无大低自启动电源有有无无无无大高普通UPS有有无无无无大高有动态补偿UPS有有有无有无大高DVR无有有有无小低DATATCOM无无无有有有大低APF无无无有有有小低UPQC有有有有有有小较高SSTS有无有无无有大低分布式发电有有有有有有大高电能质量控制技术的发展趋势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、电能质量的监测及评估、污染源的定位和合理的控制，以及补偿方案的设计、工程实施，到政策法规的制订等，都有大量系统的配套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熟知，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，其影响还需深入调研，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突变、不对称以及波形畸变，另外绝大多数的电压跌落幅值小于40%额定值，且持续时问不足10个周波，因此如果能够持续200ms补偿30%的负荷容量，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，电了类用电设备、白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，并且版本越新的电了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。结合目前国内外电能质量的研究现状以及社会发展对电能质量提出的新要求，应在以下3个方面对电能质量控制技术进行研究和完善：基础理论研究:电能质量评价指标的科学界定以及各项指标的合理计算方法，新的分析与控制方法的研究，新的电能质量控制装置并网运行对系统可能产生的影响(包括稳态与动态性能)等。积极采用其他领域的新技术，为电能质量控制技术带来新的活力:采用基于高速数字信号处理器(DSP)的数字化控制装置取代传统的用模拟量控制的电能质量控制装置，用固态电子开关取代常规高压开关以实现同步开断，利用燃料电池和微型燃汽轮机等分布式清洁能源提