对电能质量治理技术及发展趋势的探讨

尤鸿

摘要：随着现代生产工艺的提高，大量精密设备、自动化生产线与智能设备得到了大量应用，而这些设备对供电质量要求高，容易因电能质量问题而发生故障或误动作，轻则影响单个设备运行，重则造成整个生产线停止运行，造成产品质量低下甚至出现停工。我国近年来因电能质量造成的损失也越来越大，本文将对电能质量治理技术及其发展趋势进行简单的介绍，可作为电能质量治理时的参考。

关键词：电能质量；治理技术；发展趋势

1并联型电能质量治理技术

1.1无功补偿技术的现状与发展

电力系统中各种感性负载消耗大量的无功功率，而无功功率会增加线路压降，占用设备的容量，增加输电系统的损耗。因此我国制定了对各种负荷功率因数的要求，如果功率因数达不到国家规定的标准，电网公司将对用户处以罚款。因此无功功率补偿技术一直以来受到用户的重视，无功功率补偿技术的发展可以分为三代。第一代为固定式或利用机械开关投切的电容器或电抗器以及同步调相机。目前基本上已经退出应用。为此，人们采用电力电子开关代替机械开关，实现对电容器、电抗器的快速投切（TSC、TSR）或电抗器的快速控制（TCR），这就是第二代的无功补偿装置，一般称为静止无功补偿器（SVC）。为了实现无功功率的连续平滑调节，人们还发明了TCR即晶闸管控制的电抗器，通过控制晶闸管的导通时间将电抗器全部或部分投入，从而实现无功功率的连续平滑调节。SVC装置可以实现无功的快速调节，整体响应时间可以达到30ms以内，因此是一种动态无功补偿装置。经过几十年的发展，SVC补偿装置获得了大量应用，但SVC装置占地面积大、系统电压低时无功功率下降较大、TCR工作时存在较大的谐波、损耗偏大。

1.2谐波治理技术

谐波是最常见的电能质量问题。随着我国对于节能的重视，电力电子装置得到了广泛的应用，大量电动机采用加装变频器的办法实现节能，基于变频器的空调等也获得了大量应用，因此谐波问题更加凸显，主要表现为谐波范围变宽、高次谐波突出、谐波产生机理更加复杂。谐波对系统危害巨大，系统中的谐波分量不但造成附加损耗降低功率因数，导致系统发热，而且会产生系统振荡和电磁干扰等问题。因此谐波治理技术研究急需加强。谐波治理主要有三种措施即无源滤波器、有源滤波器与混合滤波器。无源滤波器简单、成本低、运行可靠，但也具有如下的缺点：

（1）占地面积大，会产生无功功率，对快速变化的谐波滤波效果差；

（2）元器件参数决定了其谐振频率，但电抗器、电容器参数漂移会导致滤波性能改变，使滤波特性不稳定，无法有效补偿谐波波动性较大的负荷；

（3）滤波特性同样依赖于电网参数和负载状况，而电网的系统阻抗和谐振频率随着电力系统运行工况随时改变，导致电抗器和电容器组成的串联谐振网络设计困难；

（4）电网系统参数会与无源滤波器产生串、并联谐振而放大电网谐波电压或电流，使电网供电质量下降，甚至导致电网崩溃；

（5）对高次谐波补偿效果不佳。

由于有源滤波器响应速度快（可达5ms以内），因此即使负荷谐波电流快速变化（如电弧炉负荷），APF装置也能快速补偿负荷的谐波电流而防止谐波电流流入系统造成谐波污染。APF占地面积小、运行灵活、补偿效果好；但造价比较高，运行损耗较大，尤其是在高电压场合。为此，人们提出了混合型滤波器，即将无源滤波器与APF结合起来的一种滤波器。混合滤波器最大的好处是其充分利用了无源滤波器和APF的优点，即在满足用户需求的情况下，成本最低、损耗最小。

1.3负序治理技术

负荷三相不平衡造成负序电流流入电力系统，引起系统三相电压不对称，会引起三相电动机震动并增加损耗。负序电流注入发电机甚至会引起发电机保护动作，负序电流也是引起风力发电机跳闸的重要原因之一。电力系统中主要的负序源为电气化铁路中采用单相供电的电力机车、三相不平衡的电弧炉等。根据斯坦麦兹理论，可以通过在不平衡负荷接入处并联三相无功补偿装置实现负序电流、无功电流的完全补偿。目前对于负序的补偿主要通过在不平衡负荷处安装SVC 或STATCOM 装置来实现。关于负序的补偿已有成熟的理论与工程实际案例。由于负序补偿需要较大的补偿容量，因此，如何降低补偿装置的容量是研究的重点，为此，人们提出了根据系统短路容量及公共连接点（PCC）负序电压的允许值而优化负序补偿容量的方法。今后主要针对动态负序电流补偿及容量优化进行研究。

2串联型电能质量治理技术

大量的电能质量问题是因负荷的非线性、不平衡以及冲击性造成的，这些电能质量问题基本上可以采用并联补偿技术进行治理。而另一类电能质量问题是因系统电压受到扰动而造成的，其中最为典型的是电力系统出现故障后引起电压暂降或暂升引起的。对于系统电压偏离规范而造成的电能质量问题，如果采用并联型补偿技术进行治理，从理论上而言是不太合理的，而且需要的补偿容量非常大。对于这种电能质量问题，一般需要在系统与受影响的负荷之间串联接入电能质量补偿装置。串联补偿装置可以对系统受扰动后的电压进行修复，这样负荷侧就感受不到系统电压的扰动了。随着连续高危作业敏感负荷的增加，电压暂降问题已经越来越受到企业的重视，电能质量问题按生产和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。

固态切换开关是当系统电压出现故障时通过电子开关将负荷快速切换到备用电源上，避免重要负荷供电中断。现代敏感负荷要求在几十毫秒甚至20ms 内切换电源，普通机械开关是不可能做到的。另外，机械开关在接通或断开负载时，会发生触头震动、起弧现象而造成触头蚀损、电磁干扰与电能损失，这不但限制了其使用

范围，而且使其电气寿命低于机械寿命。而以晶闸管为代表的半导体器件的导通时间可以达到微秒级，且在开关过程中不产生电弧。因此利用基于半导体器件的电力电子开关SSTS 代替或改造传统的机械切换开关，将有效解决传统机械开关的固有问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，满足敏感和关键负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

3综合型电能质量治理技术及其发展

负荷引起的电能质量问题一般在负荷端并联补偿装置，系统电压受干扰引起的电能质量问题一般在系统与负荷之间串联补偿装置。但在很多情况下，对电压敏感的负荷往往既是电力系统的污染源也容易受到系统电压干扰的影响，因此既需要加装并联型电能质量补偿装置，也需要加装串联型电能质量补偿装置。

总之，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术与控制技术的快速发展，在电力电子装置中人们可以采用更为复杂的拓扑结构、更加优异的调制算法与控制策略，因此必将能够实现补偿性能更为优越、运行更加节能、占地面积更小、成本更低的电能质量补偿方案。

4参考文献

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