张济韬，高志伟

（国网江苏省电力有限公司响水县供电分公司，江苏 响水 224600）

0 引言

在电力系统中电能质量问题存在已久，电力系统发展起初评价电能质量主要通过电压偏移和频率偏移这两个指标。随着用户对电能质量要求提高，动态电能质量已成为专家学者的重点研究方向，主要包括电压跌落、电压波动与闪变、电压瞬时中断等。国外学者在20世纪90年代初已经对电能质量展开研究，美国较早的展开了美配电系统电能质量普查研究工作，积累了早期电能质量研究资料，对于提高美国电能质量具有重大意义。国内学者研究电能质量起步较晚，但随着国内电网技术快速发展，逐步缩小了与欧美国家的差距。近年来大量分布式能源接入电网，但由于分布式能源发电的不确定性，给电网电能质量造成了影响。因此，电力公司已将确保用户电能质量作为重要管理指标之一。

1 电能质量

1.1 电能质量概念

目前世界各国对电能质量的定义还没有完全统一。IEEE协调委员会对电能质量的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的[1]。电能质量的本质问题就是电压质量问题，电压质量问题主要有频率偏差、电压中断、电压跌路、电压暂升、瞬时脉冲、电压波动、电压切痕、谐波、间谐波、过电压、欠电压等。

1.2 电能质量分类

电能质量问题依据发生、持续时间长短分为稳态和动态两种。稳态电能质量问题的主要特征是：电压、电流波形会发生畸变，并且持续时间大于1分钟，具体表现为谐波、欠电压、电压不平衡等。动态电能质量主要特征为持续时间短，持续时间不超过1分钟，具有暂态性质。具体表现为电压跌落、电压骤升、电压闪变等。

1.3 电能质量问题产生原因

电能质量问题产生的原因有很多种，但是归纳起来主要有两种[2]：① 冲击性负荷的用电设备。这类设备用电变化幅度大，通常会引起电网三相不平衡、电压暂降等问题。② 电源部分的非线性和电力负荷的非线性。这可能导致谐波的产生，从而影响电能质量。另外，随着分布式能源大量接入电网，可能引起电压偏差，导致电压波动及闪变等问题更加严重[3]。

1.4 电能质量问题危害

电能质量问题可能对敏感负荷造成伤害，谐波可能引起断路器误动，设备损坏等。动态电能质量问题对计算机，自动化装置，医疗设备和通讯设备产生重大影响。电能质量对用户影响，如图1所示。

图1 电能质量对用户的影响Fig .1 Effect of power quality on users

在所有电能质量问题中，80%是电压跌落引起的，电压跌落对居民影响较小，对工业用电影响较大。电压跌落对工业的影响程度见表1，电压跌落造成影响见表2。

表1 电能质量与供电可靠性对工业生产的影响Table 1 Effect of power quality and supply reliability on industrial production

表2 电压跌落对各行业的影响Table 2 Effect of voltage dips on distribution system

2 电能质量的分析及治理方法

2.1 电能质量的分析方法

解决电能质量问题的关键是对电能质量问题相关特征进行提取分析，将其特性准确分析，才能针对电能质量问题采取有效治理措施。

目前稳态电能质量问题通常采用时域分析方法，主要包括谐波分析、对称分量等方法。时域分析方法能够较好的分析谐波、电压偏差等特征量，对于解决稳态电能质量问题具有重要作用。同时，在电能质量分析中应用较多的是傅里叶变换，特别在谐波治理方面，快速傅里叶变换、离散傅里叶变换已经成为谐波分析的重要手段[4]。但傅里叶变换对分析变化较快的谐波效果不够明显。有专家学者提出了采用小波分析能够准确分析提取变化较快的谐波[5]，此方法实时性更强。

动态电能质量问题具有时间暂态性、随机性等特点，时域分析方法已不再适用，因此，对动态电能质量分析要采用新的方法。目前，分析方法有基于快速S变换，小波分析，短时傅里叶变换等方法[6]。在对动态质量问题进行分析时大都采用小波分析方法[7]。小波分析适合应用于突变特征量、不平稳特征量。与傅里叶变换相比，小波变换分析电压跌落，电压闪变、电压骤升等动态电能质量具有较大优势。因为小波分析具有对函数或特征量进行多尺度分析的优点，弥补了傅里叶变换不足之处。

2.2 电能质量控制方法

由于电能质量具有暂态性、快速性。因此，治理电能质量设备要有良好的控制技术。目前，在实际工程应用中大都采用传统PID控制方法，但是传统PID控制方法动态响应能力差、抗负载能力不强，因此难以解决动态电能质量问题。朱思国、唐健[8-9]等采用无差拍控制、滞环比较控制方法，同时结合自适应和模糊逻辑控制，来增强动态响应能力要求。滞环比较控制采用控制量和标准值在一定范围内作差比较，获取对应信号来控制相应开关通断，这种控制方法简单、响应动态能力强，其主要缺点是开关频率不固定。无差拍控制根据系统状态方程和当前状态推出下个周期开关控制量。这种算法能够减少稳态误差，缩短过渡时间，但是存在实时计算能力要求高等缺点。

因上述各种分析和控制方法存在各自的优缺点，可将几种方法相结合应用，发挥各自长处，以满足动态电能质量的要求。

3 电能质量的治理措施

电能质量问题治理方措施可分为两类：一类是从供电侧解决问题，即传统的稳定电压，频率调整的技术。另一类是从用户侧解决电能质量问题，是美国Hingorani博士于1988年提出的定制电力技术。电力公司利用定制电力技术的新设备，可以提高配电网的供电可靠性和供电质量的两个方面[9]。

目前，主要从用户侧治理电能质量，现有的治理装置有静止无功发生器、有源滤波器、统一电能质量调节器和超导磁能系统等。国内科研机构、院校已对静止无功发生器、有源滤波器和动态电压恢复器进行研究，如清华大学、西安交通大学、中国电科院等。其中清华大学和上海供电公司进行了±50 Mvar静止无功发生器工程试验，试验表明可有效治理动态电能质量问题。中国电科院分别在北京、上海某企业投运了10 kV动态电压恢复器。国网电力公司开发的10 kV高压并联式混合型电网高次谐波有源滤波装置已进入工业运行。

谐波治理措施主要采用无源滤波与有源滤波[10-11]。无源滤波器主要由电阻、电抗器和电容器组成。无源滤波系统参数会影响装置性能，并且可能放大某些谐波。由于无源滤波器装置便宜，运输成本低，故广泛应用在实际工程中。研究机构已经研发出通用滤波器UHF，并且成功应用在巴西电力工程，取得了良好效果[12]。随着电子技术的快速发展，有源滤波器已成为重要的研究方向之一。有源滤波器主要具有高度可控性、快速响应等优点。此外，还可以提高无功功率，治理三相不平衡[13]。有源滤波器有出色的滤除谐波的效果，滤波率可以做得很高，同时还可以补偿无功功率。但是有源滤波器不适合高电压大功率的场合，并且价格昂贵，限制了在工程中的应用。

静止无功发生器可治理电网中冲击负荷引起电网电压跌落、电压闪变等电能质量问题[14]。静止无功发生器的组成部件有逆变器、耦合变压器等。通过调节静止无功发生器变压器的圈数比，可适用于不同电压等级补偿器。因此，静止无功发生器可提供电压支持和无功潮流。静止无功发生器动态响应速度快，抑制电压闪变效果好。静止无功发生器装置已在电力系统广泛应用。

不间断电源作为重要负荷的备用电源，能够有效的治理系统电压跌落或瞬时供电中断。在变电站中被广泛的应用。缺点主要是不间断电源容量较小，供电时间有限。动态电压恢复器可有效的治理电压跌落。动态电压恢复器相当于一个电压源串联在被保护线路上，线路电压正常运行时动态电压恢复器不工作，由系统提供电压；当电压跌落时，动态电压恢复器可以在毫秒级内,对电压跌落有效补偿，支撑电压恢复[15-17]。其良好的速度响应能力和较高的性价比使得它成为治理电压跌落问题最经济，最有效的措施。治理电压跌落装置成本及年维护费用见表3，不同装置治理暂降有效性见表4，各种电能质量装置可解决的问题见表5。

表3 治理电压跌落装置成本及年维护费用Table 3 Governance voltage sags and annual maintenance costs

表4 不同装置治理暂降有效性Table 4 Effectiveness of temporary dips for different devices

表5 各种电能质量装置功能对比分析Table 5 Comparison and analysis of functions of various power quality devices

4 结论

稳态电能质量分析方法较为成熟，对电压跌落，电压闪变等动态电能质量分析的方法还略显不足，对其分析方法还需进一步研究。电能质量控制方法在工程中大都采用传统PID控制，相比无差拍控制、滞环比较等控制方法鲁棒性、响应速度较差，但无差拍控制、滞环比较难以在装置中应用。静止无功发生器、有源滤波器等定制电力技术可以快速、动态地补偿用户侧电网中各种电能质量问题,对电力系统运行的影响小，因此用户电力技术是今后的发展趋势。

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