电能质量控制

现代电能质量控制技术作者：姜齐荣沈斐韩英铎发布时间：2005-12-2015:38:00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（ActivePowerFilter，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越来越广泛的应用。1986~1999年，三菱至少投入运行了200台DSTATCOM，容量从0.1~60Mvar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0~164Mvar。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、DC／AC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1／5~1／3，因此造价可以大大下降。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