電能質(zhì)量治理的發(fā)展趨勢(shì)

　　近年來(lái)，電能質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展非常迅速，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

　　1.電能質(zhì)量控制的基礎(chǔ)理論研究方面

　　(1) 畸變波形下電能質(zhì)量含義的研究。

　　(2) 電能質(zhì)量的界定方法與評(píng)價(jià)體系的研究。

　　(3) 各功率成分的定義及物理意義的研究。

　　2.電能質(zhì)量的檢測(cè)及應(yīng)用儀器和設(shè)備方面

　　(1) 研究不同干擾條件下電能質(zhì)量的科學(xué)測(cè)量方法及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備。

　　(2) 針對(duì)各種電能質(zhì)量指標(biāo)均應(yīng)有合理的計(jì)算分析方法，特別是針對(duì)不同干擾源的預(yù)測(cè)計(jì)算方法及其誤差的估算等。

　　(3) 建立電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算分析程序和數(shù)據(jù)庫(kù)，及建立電能質(zhì)量控制裝置的系統(tǒng)仿真模型。

　　3.采用數(shù)字化控制技術(shù)方面

　　(1) 可實(shí)現(xiàn)程序控制，改變控制方法或計(jì)算方法不必改變控制電路。

　　(2) 可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，同時(shí)系統(tǒng)一般可不受溫度影響。

　　(3) 數(shù)字化控制裝置的重復(fù)性好、調(diào)試方便、便于批量生產(chǎn)。

　　(4) 易于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行和智能化控制。

　　4.柔性交流輸電技術(shù)與柔性交流配電技術(shù)的發(fā)展與融合方面

　　基于電力電子技術(shù)的柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)與直接服務(wù)于用戶的柔性交流配電技術(shù)(DFACTS)相融合，不僅能加強(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力，而且能加強(qiáng)供電的可靠性和提高電能質(zhì)量。

　　5.非電力電子技術(shù)電能質(zhì)量控制器的發(fā)展方面

　　采用非電力電子技術(shù)手段提高電能質(zhì)量，包括應(yīng)用新的拓?fù)涓倪M(jìn)電路結(jié)構(gòu)，采用新的材料開(kāi)發(fā)新器件等。

　　二、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)應(yīng)用趨勢(shì)和前景展望

　　STATCOM是一種基于大容量變流器技術(shù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，結(jié)合自身技術(shù)特點(diǎn)與輸電系統(tǒng)的需求，STATCOM在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用有如下趨勢(shì)。

　?。?） 開(kāi)關(guān)器件以IGBT為主。從使用的開(kāi)關(guān)器件來(lái)看，已由最初的強(qiáng)迫換相晶閘管、GTO發(fā)展到IGBT、IGCT等高性能復(fù)合器件。IGBT 器件近年來(lái)發(fā)展最快，雖然存在著器件串聯(lián)等技術(shù)難題，但良好的性能已成為IGBT器件應(yīng)用的顯著優(yōu)勢(shì)。

　　(2) 主回路向鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)發(fā)展。雖然目前的STATCOM工程仍以多重化結(jié)構(gòu)為主，但其承受系統(tǒng)不平衡能力有限，無(wú)法滿足輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，限制了它在輸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用;而鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM具有分相可控，有利于解決系統(tǒng)的相間不平衡，無(wú)需多重化變壓器，避免復(fù)雜的IGBT串聯(lián)技術(shù)，易實(shí)現(xiàn)模塊化等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大容量STATCOM結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一。

　　(3) 采用壓接IGBT串聯(lián)技術(shù)。

　　采用壓接IGBT串聯(lián)技術(shù)可大幅提高STATCOM裝置的集成度。與目前常用的焊接IGBT不同，壓接IGBT結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)，特別是使用中一旦出現(xiàn)損壞失效呈現(xiàn)短路特性，無(wú)需復(fù)雜的旁路技術(shù)，不會(huì)影響其他器件的運(yùn)行，非常適合工程應(yīng)用。該技術(shù)的突破為高集成度大容量STATCOM裝置的開(kāi)發(fā)提供了可能。

　　(4) 方案設(shè)計(jì)向可移動(dòng)化方向發(fā)展。與同容量SVC相比，STATCOM更便于做成移動(dòng)式，可以向系統(tǒng)緊急需要無(wú)功的地點(diǎn)快速轉(zhuǎn)移、安裝和投入運(yùn)行，滿足系統(tǒng)重新布置無(wú)功補(bǔ)償裝置的要求，這也成為STATCOM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

　　(5) STATCOM技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。目前，STATCOM技術(shù)領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。STATCOM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化是工程化的必然趨勢(shì)。

　　目前STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)在于模塊化多電平變流器和靜止同步補(bǔ)償器與變壓器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)方面。控制算法研究熱點(diǎn)主要在于鏈?zhǔn)酵負(fù)涞碾妷浩胶饪刂?、非理想電網(wǎng)情況下的控制策略以及在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　三、靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)應(yīng)用趨勢(shì)和前景展望

　　近20年來(lái)，世界各地發(fā)生的由電壓不穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國(guó)的高度重視，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

　　采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)是解決上述問(wèn)題的有效措施之一。SVC技術(shù)在全世界的輸配電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，它在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性以及改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用，是目前各國(guó)普遍采用的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，可作為電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略防御手段。

　　基于TCR的SVC，雖然能夠快速抑制電壓波動(dòng)，節(jié)約能源，平滑的控制無(wú)功負(fù)荷的允許波動(dòng)，但波形呈鋸齒形，是一個(gè)很大的諧波源，而且還必須和FC同時(shí)運(yùn)行，這些缺點(diǎn)限制了它的發(fā)展。

　　近幾年，俄羅斯、烏克蘭、中國(guó)和巴西開(kāi)始使用磁控電抗器(Magnetically

　　Controlled Reactor-MCR)。磁控電抗器與TCR不同，可控硅元件的功率和工作電壓僅為電抗器額定功率和電壓的0.5%左右，與普通雙繞組變壓器相似?，F(xiàn)代電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，正向著優(yōu)化、動(dòng)態(tài)和平滑調(diào)節(jié)方向發(fā)展，用基于MCR的SVC改造和建設(shè)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，是提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，降低線損，提高電網(wǎng)穩(wěn)定水平的積極、有效、可行的措施，有著廣闊的發(fā)展前景。

　　四、無(wú)源濾波器(PPF)應(yīng)用趨勢(shì)和前景展望

　　無(wú)源濾波器是目前應(yīng)用最為廣泛的電網(wǎng)諧波治理裝置，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，由無(wú)源濾波器和有源濾波器結(jié)合組成的混合型濾波器(Hybrid Active Power Fiher 簡(jiǎn)稱HAPF)也慢慢進(jìn)入到實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，它兼顧了無(wú)源濾波器成本低和有源濾波器性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

　　并聯(lián)型APF和并聯(lián)LC濾波器組合成的并聯(lián)混合型APF，由Takeda等人于1987年提出。該結(jié)構(gòu)中，LC濾波器承擔(dān)大部分諧波和無(wú)功電流補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，APF的作用是改善整個(gè)系統(tǒng)的性能以及抑制LC與電網(wǎng)阻抗之間可能發(fā)生的諧振。H.Fiijita等人于1990年提出的APF與LC濾波器串聯(lián)，再并聯(lián)到電網(wǎng)的并聯(lián)混合型APF。該結(jié)構(gòu)中，諧波和無(wú)功電流主要由LC濾波器補(bǔ)償，而APF通過(guò)注入諧波電壓使得LC支路對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，從而改善LC濾波器的濾波特性，克服LC濾波器易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的缺點(diǎn)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在的不足是補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流將通過(guò)稱合變壓器流入APF，故不適用于同時(shí)補(bǔ)償大容量無(wú)功和諧波的場(chǎng)合。F.Z.Peng等人于1988年提出的串聯(lián)混合型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，APF對(duì)基波呈現(xiàn)低阻抗，但對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗，迫使諧波電流流入LC濾波器。

　　注入式并聯(lián)混合型APF是為降低APF容量而提出的另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)因具有能降低裝置有源部分基波分壓、減少有源部分容量等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)得到了較大的關(guān)注。

　　除了上述幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了幾種混合型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些方案將不同變流器進(jìn)行組合，其中一個(gè)主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償無(wú)功，而另一個(gè)主要負(fù)責(zé)補(bǔ)償諧波，從而充分發(fā)揮不同器件所構(gòu)成的裝置的特點(diǎn)。

　　在工程實(shí)踐中，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器的，沒(méi)有對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。近年來(lái)，有一些學(xué)者提出了基于多目標(biāo)遺傳算法的無(wú)源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，這種方法比較全面的考慮了無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和影響因素，以無(wú)源濾波器的初始投資、無(wú)功補(bǔ)償容量、濾波效果等作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)出的無(wú)源濾波器具有較好的綜合性能。

　　五、有源濾波器(APF)應(yīng)用趨勢(shì)和前景展望

　　有源濾波器(APF)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，仍然面臨電力電子器件的價(jià)格與高壓場(chǎng)合下應(yīng)用這兩方面的挑戰(zhàn)。

　　IGBT作為功率半導(dǎo)體器件的首選器件，廣泛地應(yīng)用于可再生能源發(fā)電、智能配電與控制、分布式發(fā)電、電力牽引等領(lǐng)域，成為節(jié)能技術(shù)和低碳經(jīng)濟(jì)的主要支撐。

　　雖然國(guó)外的IGBT產(chǎn)業(yè)取得了很大進(jìn)展，但令人嘆惋的是，我們國(guó)家目前并未形成自己的IGBT產(chǎn)業(yè)，目前我們使用的IGBT管子全部是進(jìn)口購(gòu)買(mǎi)的。我國(guó)只能進(jìn)口國(guó)外IGBT芯片，自己進(jìn)行少量封裝。進(jìn)口期件過(guò)高的價(jià)格也成為了抑制電力電子設(shè)備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素之一。_

　　APF的補(bǔ)償模式比較靈活，如僅僅補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波分量、同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功分量、補(bǔ)償電網(wǎng)電壓中的諧波等等。當(dāng)然，較大的系統(tǒng)容量使得APF比PPF的成本高，接入高壓電網(wǎng)時(shí)需要使用升壓變壓器也限制了APF在高壓大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，市場(chǎng)上現(xiàn)有的APF產(chǎn)品主要應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)。

　　隨著諧波污染的惡化，國(guó)家將加強(qiáng)對(duì)諧波污染的處罰力度，并出臺(tái)更為明確的法規(guī)。受此推動(dòng)，APF的市場(chǎng)需求將會(huì)顯著增加。

　　未來(lái)有源濾波器技術(shù)的發(fā)展將主要依賴于電力電子器件的發(fā)展、新的諧波檢測(cè)算法與控制算法。

　　電力電子器件方面，超大功率、超快速、模塊化、智能化是IGBT發(fā)展的方向。同時(shí)，伴隨著IGBT國(guó)產(chǎn)化的加速推進(jìn)，其性價(jià)比也將得到大幅的提升。

　　諧波電流檢測(cè)算法方面，為了解決瞬時(shí)無(wú)功功率理論在單相系統(tǒng)中難以應(yīng)用的問(wèn)題，出現(xiàn)了所謂的自適應(yīng)噪聲消除方法(ANC)。此外， [[i]][[ii]][[iii]][[iv]]將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與信號(hào)處理中的自適應(yīng)噪聲對(duì)消技術(shù)相結(jié)合，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)方法。目前這些方法大多處于仿真研究階段。

　　控制算法方面，針對(duì)常用的PI算法，近年來(lái)，有學(xué)者提出了一種針對(duì)非直流信號(hào)的積分器——廣義積分器，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。

　　調(diào)制算法方面，鑒于滯環(huán)控制存在上述缺點(diǎn)，以優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率和減小穩(wěn)態(tài)誤差為出發(fā)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種改進(jìn)的滯環(huán)控制方法。

　　隨著控制理論的發(fā)展，滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制 [[v]][[vi]]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 [[vii]][[viii]][[ix]][[x]]和專家系統(tǒng) [[xi]]等智能控制方法在也被嘗試應(yīng)用在APF控制中，這些智能控制方法很少有單獨(dú)應(yīng)用的，多數(shù)都是與其他控制相結(jié)合，以改善APF的控制性能，是APF控制技術(shù)未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。

　　六、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)技術(shù)分析

　　根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，DVR可分為中壓DVR和低壓DVR。中壓DVR應(yīng)用于三相三線電力系統(tǒng)，而低壓DVR應(yīng)用于三相四線電力系統(tǒng)。對(duì)于不平衡電壓暫降，中壓DVR只需補(bǔ)償正序和負(fù)序電壓，而低壓DVR還需要額外補(bǔ)償零序電壓。

　　動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器可以串聯(lián)在敏感負(fù)荷與系統(tǒng)電源之間，防止系統(tǒng)電壓干擾造成敏感負(fù)荷工作異常。

　　目前對(duì)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的研究主要是軟件的研究，包括：電壓檢測(cè)方法的研究和補(bǔ)償策略的研究。

　　DVR具有良好的補(bǔ)償功能，對(duì)于抑制動(dòng)態(tài)電壓發(fā)生跌落有較好的效果。要使其發(fā)揮功能，需運(yùn)用科學(xué)合理的檢測(cè)方法快速且無(wú)偏差的檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒盘?hào)。按照擾動(dòng)特征量提取方法的不同，可將電壓跌落的檢測(cè)方法分為：缺損電壓法和基波分量法、小波變換法、峰值電壓法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq變換方法，pqr變換法等。

　　DVR的補(bǔ)償策略需要滿足在電網(wǎng)電壓跌落后維持負(fù)載電壓的幅值不變，常用的補(bǔ)償策略有：跌落前電壓補(bǔ)償法、同相電壓補(bǔ)償法和最小能量補(bǔ)償法。

　　七、固態(tài)切換開(kāi)關(guān)(SSTS)技術(shù)分析

　　傳統(tǒng)的SSTS系統(tǒng)由一組電力電子器件組成，可以快速實(shí)現(xiàn)電能的傳輸由一路電源向另一路電源的轉(zhuǎn)換。但是，電力電子器件不是單純的傳導(dǎo)元件，電流的持續(xù)流過(guò)必然導(dǎo)致大量的能量損耗以及對(duì)附加冷卻設(shè)備的需求，從而致使了綜合效率的降低和成本的提高。

　　為此引入混合型開(kāi)關(guān)的概念，通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)無(wú)中斷供電。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電能由機(jī)械開(kāi)關(guān)輸送給用戶;當(dāng)執(zhí)行動(dòng)作指令時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電力電子器件同時(shí)動(dòng)作，電能由電力電子開(kāi)關(guān)輸送給用戶，電流過(guò)第一個(gè)零點(diǎn)時(shí)，利用電子器件的特性將其截?cái)啵瑒?dòng)作時(shí)間不超過(guò)1/4周期。

　　這樣，就可以通過(guò)幾路由混合開(kāi)關(guān)控制的輸電路徑構(gòu)成的SSTS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)中斷供電，保護(hù)用戶的用電質(zhì)量。這種全新的SSTS系統(tǒng)不僅保證了向用戶的高質(zhì)量供電，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝面積小、綜合效率高的特點(diǎn)，適用于有較高供電質(zhì)量要求的用戶。SSTS的研究勢(shì)必彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)SSTS系統(tǒng)的空白，使其成為解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段。

　　八、微網(wǎng)電能質(zhì)量治理技術(shù)分析

　　微網(wǎng)的電能質(zhì)量受到自身和大電網(wǎng)的雙重影響，并且因電力電子裝置的大量使用，使得微網(wǎng)的電壓和電流波形出現(xiàn)畸變。其中，最突出的問(wèn)題在于諧波電流的污染和電壓的波動(dòng)閃變。微電源之所以會(huì)給大電網(wǎng)帶來(lái)許多諧波，一方面由于某些微電源自身構(gòu)成諧波源，另一方面是微電源需要通過(guò)電力電子裝置接入大電網(wǎng)。若微電源直接發(fā)出基頻交流電，則其直接與系統(tǒng)相聯(lián);若微電源發(fā)出直流電或高頻交流電，則通過(guò)逆變器與系統(tǒng)相聯(lián)。

　　鑒于微網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波大多數(shù)是因?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)的逆變整流單元和某些非線性負(fù)荷引起，而治理諧波污染的本質(zhì)在于降低或者濾除流經(jīng)系統(tǒng)的諧波電流，從而將其控制在電力系統(tǒng)容許的范圍內(nèi)，因而對(duì)諧波的治理從諧波源處考慮有兩種方法：其一，在產(chǎn)生諧波的地方將諧波電流進(jìn)行就地吸收處理;其二，在源頭處抑制諧波電流的產(chǎn)生。

　　微網(wǎng)中出現(xiàn)的諧波問(wèn)題一定程度上要求通過(guò)電力濾波裝置來(lái)處理，抑制諧波的手段一般分為 LC 無(wú)源濾波器和有源濾波器(APF-Active Power Filter)以及二者的組合混合濾波器(HPF-Hybrid Power Filter)。

　　電力系統(tǒng)的無(wú)功平衡需要電壓來(lái)維持，因而要改善微網(wǎng)中的電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題，主要依靠各種無(wú)功補(bǔ)償措施。常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)和靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)。

　　對(duì)諧波諧振現(xiàn)象的抑制措施除了安裝有源濾波器及補(bǔ)償設(shè)備的一般性方法以外，還可以從改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的角度入手。所有微電源的逆變器應(yīng)該都具備2種功能：消極的“諧波電壓阻尼”(harmonic voltage damping)功能與積極的諧波電流補(bǔ)償(harmonic current compensation)功能。前者通過(guò)控制回路的約束讓逆變器在所有階次的諧波電壓面前都表現(xiàn)為強(qiáng)電阻性阻抗，后者則在檢測(cè)到附近的設(shè)備發(fā)出諧波電流時(shí)啟動(dòng)。通過(guò)這2個(gè)改進(jìn)可以使微網(wǎng)整體表現(xiàn)為對(duì)諧波的強(qiáng)阻尼環(huán)境，從根本上消除諧波諧振現(xiàn)象的產(chǎn)生條件。

　　[i]高大威,孫孝瑞. 基于自適應(yīng)線性神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的三相畸變電流檢測(cè)方法及實(shí)現(xiàn). 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2001,21(3): 49~52

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　　[x]J R Vazquez, P Salmeron. Active Power Filter Control using Neural Network Technologies. Electric Power Applications, IEEE Proceedings, 2003,150(2):139~145

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