電能質量技術

電能質量技術是給人們的生產、生活帶來方便和效率的一門技術實時準確地檢測。能夠求得補償信號的參考值後，快速準確地驅動變流器，產生補償信號。

基本介紹

• 中文名：電能質量技術
• 外文名：Power quality technology
• 偏差：過電壓、欠電壓、頻率偏差
• 干擾原因：系統本身接有電弧爐
• 外因：雷電、外力破壞

需求介紹

信息技術的發展，使基於微處理器控制的設備得到迅速普及和發展。未來不少用戶對電能的利用都要經過電力電子裝置的轉換或控制。這些裝置給人們的生產、生活帶來方便和效率的同時，使電力系統的非線性負荷明顯增加，諧波污染加重，從而導致矛盾的局面：系統一方面要承受電力電子裝置帶來的污染，又要用它來消除這種污染，提高電能質量。

就全球範圍而言，從80年代末開始電力工業放鬆管制，引入競爭機制，開放電力市場成為世界潮流。在電力市場條件下，用戶與供電企業都在追求自己的最大利益。為了適應這種需求，1988年美國的N.G.Hingorani博士提出了CustomPower（用戶電力技術）的概念，這是一種套用現代電力電子技術、計算機技術和控制技術，按用戶特定要求提供電力供應並實現對電能質量控制的技術。我國一些學者稱CustomPower為DFACTS，認為是FACTS技術在配電系統套用的延伸，並做了大量的研究。1996年，日本北海道大學和茨城大學的學者正式提出了與上述概念相似的FRIENDS（Flexible,ReliableandIntelligentElectriceNergyDeliverySystem），並組織“FRIENDS研究會”。兩者目的都是為了建立靈活、可靠的電力供應系統，更好地滿足用戶需求。

目前，各國在電能質量問題的研究方面，取得了一些進展，但仍有很多問題難以解決或達成共識。其中較為突出的問題有：電能質量的定義及以此為基礎的電能質量等級的劃分；對各瞬變數的實時檢測及有效補償；為改進電能質量問題，電站、用戶及裝置生產廠家之間的合作與協調；合理的電能質量評估體系的建立等。為解決這些難題，科研工作者通過不懈的努力，對一些問題提出了獨到的見解，研製出一些新型試驗裝置。日本、美國、德國等已開發國家投入運行的試驗裝置已取得了預期的效果。

等級劃分

雖然人們不斷地提及“電能質量”這個術語，但是對電能質量的定義仍未能達成共識。文獻認為“電能質量”是“任何明顯引起電壓、電流或頻率偏移並由此導致用戶裝置故障或誤動作的電能問題”。

IEC（1000-2-2/4）標準將“電能質量”定義為“供電裝置正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性”。IEEEStd.1100-1999將“電能質量”定義為“滿足電子裝置的運行條件，並能夠以一種與主布線系統及其它相關裝置相協調的方式驅動、保護電子裝置”。

不論如何表達，“電能質量”的概念中應包括電能供應中所要考慮的一切方面，這些方面可以分成如下三類：

（1）電壓和頻率的偏差：過電壓、欠電壓、頻率偏差。

（2）電壓和電流的波形：電壓跌落、電壓突升、電壓波動和閃變、諧波、三相不對稱。

（3）供電連續性：瞬時斷電，暫時斷電，持續斷電。

每一項的定義，按照IEEEStd．1159-1995。我國在參考IECEMC-61000系列標準和IEEEStd標準後，已經頒布的電能質量系列國家標準有《供電電壓允許偏差》、《電壓允許波動和閃變》、《公用電網諧波》、《三相電壓允許不平衡度》和《電力系統頻率允許偏差》等五項標準。

電能質量等級的劃分是以電能質量的定義為基礎，以用戶的要求為根據，以變電站的承受能力為條件所制訂的。每個變電站所連線的負荷類型是各不相同的，而不同的負荷必然會對電能質量提出不同的要求。在這些要求高於電站所能達到的水平時，電站就要進行代價利益分析：或者低於用戶提出的標準，或者採取措施，提高本身的供電質量，滿足用戶的要求。權衡折衷之後，對上面提到的各個方面規定出不同的補償目標，制定出合適的電能質量等級。一般而言，常將電能質量分為常質（normalquality）、優質（premiumquality）、高質（highquality）電力三個級別。

干擾原因

影響電能質量的原因各種各樣，大體可以分為：

（1）內因。系統本身接有電弧爐、整流器、單相負荷、大功率電動機等干擾性負荷。這些負荷對電網產生負面影響，如諧波、無功衝擊、負序等，而且這些負面影響可能通過公共連線點（PCC）波及其它終端用戶。因此，系統中必須安裝相關裝置，以及時緩解這些問題，而且還應根據電能質量評估體系，利用經濟槓桿約束此類用戶對電能質量的影響。

（2）外因。雷電、外力破壞、樹枝影響、配電設備故障、電容器投切、線路切換等都可能幹擾系統，造成斷電或電壓變動，甚至影響到相鄰線路，導致有害影響蔓延。現在採取的措施，一是減少故障發生的次數和改變排除故障的方式，目前配電系統中的線路主保護是電流保護，該保護最大的缺陷是線路中相當大部分區域上的故障不能無時延地予以切除，此外即使無時延保護，從檢測出故障到斷路器開斷故障，最快也需要3~6個周波。若是永久性故障，多次重合閘則導致電壓的不斷波動。二是降低裝置對電能質量問題的敏感性，主要是用戶側在敏感負荷或關鍵負荷處安裝補償裝置，這種方法對單個負荷可有直接和明顯的效果，但是受限於補償裝置的容量和價格，套用範圍也受到限制。

質量技術

目前在電能質量檢測與控制中，有兩個重要環節需要深入探討：

（1）實時準確地檢測。檢測值可能是要濾除的諧波、要補償的無功或要平衡的不對稱值等。已經出現的檢測方法很多，大多數的檢測方法在信號平穩時，能準確地檢測出干擾值。而這裡的“實時檢測”主要是指當信號被干擾時，檢測電路的實時跟蹤速度，目前大多數的常規檢測方法很少能做到這一點，而實時性對於持續時間較短的電壓跌落、突升、閃變、諧波等尤為重要。但這些檢測方法在改進的同時也帶來了新的問題，如要選擇合適的數學函式、變換結果的相位與幅值會出現偏差等，所以它們的有效性還有待進一步研究。

（2）求得補償信號的參考值後，要快速準確地驅動變流器，產生補償信號。目前出現的控制方法有：滯環比較控制、空間矢量控制、無差拍控制等。這些方法各有優點，可根據實際情況靈活選用。

無論是檢測還是控制，存在的主要問題都是如何減小以至消除時滯，使補償偏差最小。

電能質量控制器（或有源濾波器）的結構一般是：靠近源側（或負荷側）連線一併聯逆變器，靠近負荷側（或源側）連線一串聯逆變器，兩逆變器通過公共的直流電容結合在一起。串聯部分的功能為補償各種干擾，並聯部分的功能為有源濾波、動態補償無功、為直流電容提供能量等。當在直流側並聯能量儲存裝置時，還能使負載不受瞬時停電的干擾。整個電路的三個主要組成部分為檢測電路、控制電路PWM形成及驅動電路。

例如只取並聯側或只取串聯側；使用三相整流橋或三相PWM整流橋；儲能部分採用蓄電池、超導、飛輪或超級電容器，以供應短時有功電力；不同的補償目標採用不同的控制方法等，就可以製造出不同的設備，實現不同的功能。現在，配電系統中套用的主要補償設備大致可以分為兩類：

（1）綜合功能補償裝置

這類裝置功能比較齊全，可完成電壓控制、動態濾波、緩解閃變、低損耗控制無功、供應有功電力等多項功能，如電能質量控制中心QCC（QualityControlCenter）、靜止同步補償器SATACOM（STATicsynchronousCOMpensator）、統一電能質量調節器PQC等。已有試驗裝置投入實際運行，取得了比較顯著的效果，例如清華大學與河南省電力公司研製的±20MvarSTATCOM已於1999年4月投入現場試運行；西門子已系列生產出基於IGBT的PWM換流器的PQC裝置。

（2）單一功能補償裝置

這類裝置的設計主要針對某一特定電能質量問題，如電壓控制、諧波濾除等，功能單一，因此與綜合功能補償裝置相比，控制也較為簡單。對某一電能質量問題突出的用戶，此類裝置較為實用。如固態斷路器（SSB—Solid-StateBreaker）和固態轉換開關（SSTS—Solid-StateTransferSwitch）、動態電壓恢復器（DVR—DynamicVoltageRestorer）、有源濾波器（APF—ActivePowerFilter）等。

發展前景

隨著高新技術的發展和電力市場的完善，電能質量的重要性不言而喻，這關係到供電企業、用戶和設備生產廠家的利益。目前提出的或正在研製的新型補償裝置為解決電能質量問題創造了條件，但對電能質量問題的認識與研究，在一定意義上講，還剛剛開始，有很多工作要做，如深入認識電能質量的含義、制定統一的電能質量評估體系以及研製完善的電能質量補償裝置等。