Abstract:  Power  quality  and  its  control  technique  is  the  important  research  area  in  electrical engineering  nowaday.  On  the  base  of  introduce  the  international  latest  of technical  terms  be  used  to describe  main  power  quality  disturbances,  in  this  paper  the  development  power  quality  and  its  control technique and device are discussed.

 

 

      随着现代科学技术的发展 ，一方面 ，造成电能质量问题的因素不断增长， 如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用，各种大型用电设备的启停等 ； 另一方面，各种复杂的、精密的、对电能 质量敏感的用电设备不断普及 ，如高性能家用电器、办公设备、精密实验仪器、连续、精密生产过程的自动控制设备等。人们对电能质量及可靠性的要求越来越 高。上述问题的矛盾愈来愈突出。这使得电能质量问题，对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大。电能质量的好坏，直接 关系到国民经济的总体效益。

      对供电质量及可靠性的要求日益提高，是和用户的工艺过程水平的发展相联系的[1]，在电力发展的初期，电力负荷主要是照明，人们知道停电后马上点燃油灯或 蜡烛，并无多大怨言。但当主要电力负荷逐渐为工、农业生产和商业所代替后，一停电就会造成相当大的损失。因此就出现了双电源、备用电源、重合闸装置等技术 措施来提高供电可靠性。近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化， 对电能质量提出了更高更新的要求。一个计算中心失去电源 2s 就可能破坏几十小时的数据处理结果或上百万元的经济损失；在大型机器制造厂0.1s 的电压突降，就可能造成异常的生产状况和质量破坏；当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可 能在工 厂内部造成混乱 ，其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有 1~2 周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。而谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及。无人值守变电站中，计算机系统突然出现的死机现象，大多 属于电能质量问题。

      在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出， 而且，由于各种原因 ，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上， 我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解 决的重要课题之一。

      改善和提高电能质量的主要措施是采用电力电子技术，由于配用电系统量大面广， 随着电力用户的工艺过程的不断进步，对供电可靠性和质量的要求越来越高。而电力市场的竞争日益激烈，这使得世界各国电力界对这项新技术更加重视，有关电能 质量控制的研究具有巨大的经济和社会效益。它对于大大减少用电设备的故障，从而保证生产和生活的正常进行，对于减小电网内部因电能质量问题造成的损耗， 从而提高电能的使用效率。对于供电企业树立强烈的竞争意识从而有力地促进电力市场的孕育与形成。对于开辟和带动电力电子产业的发展，从而推动整个电力产业 的革新与进步都具有极其重要的意义。

 

      IEC(1000-2-2/4)标准对电能质量是这样定义的 ：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落 sags 和电压完全中断。

针对过去对各种扰动引起的电能质量问题干扰的提法不一，IEEE第22标准统筹委员IEEE

Standards Coordinating Committee 22(电能质量)和其它国际委员会推荐如下几种术语来描述主要的电能质量干扰各术语的定义如下 ：

      电压跌落（sags）：电压或电流有效值降至额定值的10%~90%，持续时间为0.5个周期至一分钟 。

     电压中断(interruptions)：在一相或多相线路中完全失去电压低于额定值的10%一段时间。持续时间0.5个周期至3s，为瞬时中断。持续时间3s至60s，为暂时中断。持续时间大于60s，为持续中断。 

      电压上升（swells）：电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110%~180%，持续时间为0.5个周期至一分钟。 

      电压瞬变（transients）：指在一定时间间隔内，两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任意极性的，单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 

      过电压（overvoltage）：电压为额定值的110%~120%，持续时间大于1分钟。 

      欠电压（undervoltage）：电压为额定值的80%~90%，持续时间大于1分钟。 

      谐波（harmonics）：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流，由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变，可分解为基波和谐波之和 。

      间谐波（interharmonics）：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍间谐波，主要由静止变频器、周波变频器，感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。 

      电压缺口(notches)：持续时间小于0.5个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时，参与换相的电路瞬时短路，造成的与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。 

      电压波动(fluctuations)：闪变电压波动，闪变是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化，其电压幅值的变化通常为额定值的90%~110%，这种电压波动常称为电压闪变。闪变一词是从电压的波动引起电灯的闪动得来的。在输电和配电系统中电压闪变主要是由电弧炉引起的。 

 

2、电能质量控制技术及装置的研究现状 

 

      从技术上看，影响电能质量的因素主要有三方面：一、自然现象如：雷击、暴风雨等；二、电力设备及装置的正常使用和自动保护。如大型电力设备的启停，自动开关的跳闸及重合等；三、用户终端的非线性负荷冲击性负荷的大量使用。 

 

      电能质量的控制主要从两方面采取措施：一方面，提高发电供电配电系统的电能质量和可靠性；另一方面，提高用户终端设备容许干扰的能力。提高电能质量应该是用户电力部门公司电气设备制造商三方面共同的责任。 

 

       电能质量控制是一个复杂的系统工程，主要涉及电力系统、电工理论、电力电子技术、自动控制理论等学科，包括电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量的实时检测与控制等技术还与国家政策和管理机制有关。 

 

 

      国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查监测，到用户终端电气环境的定 义。各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术(custom power)等，电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议ICHPS，更名为电力谐波 与电能质量学术会议，ICHQP把电能质量提高到一个新的高度来认识。 

 

2-1-1．理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究[3]

 

      如何评价电能质量的好坏，通常使用的几种定量评价电能质量的指标，如总谐波畸变率THD、功率因数等。但当波形为非周期信号，频率为分数次谐波频率时，上 述评价指标就有不协调的问题，这涉及到如何处理畸变不平衡现象的功率定义问题，这方面国外已作了大量研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。 

 

2-1-2．针对上述的电能质量问题, 国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置[2]    

      包括有源电力滤波器(APFActive Power Filter)和无源滤波器(TFTuned Filter)、电池贮能系统(BESSBattery Energy Storage System)、配电用静态同步补偿(DSTATCOMDistribution Static Synchronous  Compensator)、配电用串联电容器(DSCDistribution Series Capacitor)、动态电压恢复器(DVRDynamic Voltage Restorer)、功率因数校正电容器(PFCCPower Factor Correction Capacitor)、避雷器(SASurge Arrester)、超导磁能贮存系统(SMESSuperconducting Magnetic Energy Storage System)、静态电子分接开关(SETCStatic Electronic Tap Changer)、固态转移开关(SSTSSolid-State Transfer Switch)、固态断路器(SSCBSolid-State Circuit-Breaker)、静止无功补偿器(SVCStatic Var Compensator)、晶闸管开关电容器(TSCThyristor Switched Capacitor)、不间断电源(UPSUninterruptible Power Supply)等，这些装置主要是采用电力电子技术，一些装置已相当成熟。其产品开始进入大量实用化阶段，如日本的有源电力滤波器使用很普遍。并联型有源 电力滤波器最大容量达50MVA，采用的是GTOSCR器件用于抑制电弧炉引起的闪变。 

 

      它可快速补偿供电电压中的突升、或突降波动和闪变、谐波电流和电压 各相电压的不平衡，以及故障时的短时电压中断等，是一项具有综合功能的电能质量控制器[4][5]。西门子公司已系列生产出的PQC装置SIPCON它是 基于IGBT的PWM换流器，是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合，为众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的PQCSIPCON与 系统联接有三种方式：并联时，主要防止非正常负荷对系统的影响（谐波、无功补偿负、荷不平衡和闪变）。串联时，则用于防止系统对负荷的影响（电压突升或突 降、电压畸变或不平衡）。而当串并联接入时，则将具有双向补偿的功能。 

 

      它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术，运用 于中低压配电系统和用电系统中，以减小谐波畸变、消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。 用户电力技术概念的提出，它有助于供电部门、电力公司提供高可靠性和高质量的电力、也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求，用户电力技术控制器 包括上面介绍的动态电压恢复器(DVR)、 固态断路器(SSCB) 、统一电能质量调节器UPQC等。 

 

 

      为了保证我国的电能质量，自1990年以来, 我国相继发布了五项电能质量国家标准:GB12325-90电能质量 供电电压容许偏差；GB12326-90电能质量 电压容许波动和闪变； GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波；GB/T15543-1995电能质量 三相电压容许不平衡度；GB/T15945-1995电能质量  电力系统频率容许偏差；以上电能质量标准分别从发电供电用电端对电能质量提出了要求。这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。 

 

     目前国内在电能质量控制方面的研究，大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器 APF，动态无功补偿装置SVC，电能质量综合补偿装置即统一电能质量调节器UPQC，以及动态电压恢复器DVR等。与国外的差距是非常明显的。 

 

      在我国有源电力滤波器方面的研究，仍处于起步阶段，有关有源电力滤波器的研究，主要集中在并联型混合型。也开始研究串联型研究。最成熟的是并联型，而且主 要以理论研究和实验研究为主，理论上涉及到了功率理论的定义，谐波电流的检测方法，有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。采用多重化技术，西安交通大学 已研制出120kVA并联型有源滤波器的试验样机。我国虽然在理论上取得了一定的进展，但由于多方面条件的限制，使得至今未有并联型有源电力滤波器正试产 品用于实际。 

 

 

近年来, 电能质量控制技术及装置的发展非常迅速,在如下几方面的发展动向应给予重视。 

 

     包括统一的畸变波形下电能质量的含义，电能质量的界定方法，评价体系 的研究，各功率成份的定义及物理意义研究等。目前为适应不同需要，提出了许多功率成份的定义方法，在其数学表达式、物理意义及实施方面，各有所长。但距离 理论上和实践上的统一的，并易于接受的表达式尚有一定的差距。 

 

      各种电能质量指标均应有合理的计算分析方法，特别是针对不同干扰源的预测计算方法及其误差估计等。建立电能质量指标计算分析程序和数据库，同时还应建立起电能质量控制装置的系统仿真模型。 

 

 3.3积极采用数字化控制技术

      随着高速数字信号处理器DSP为基础的，实时数字信号处理技术的迅 速发展并得到广泛应用。采用模拟量控制的电能质量控制装置正用数字量控制代替。这有如下优点；可以程序控制改变控制方法或算法，不必改变控制电路。提高了 系统稳定性、可靠性和灵活性，系统不受温度影响可重复性好，易调试和批量生产，易实现并联运行和智能化控制。随着DSP性能的不断改善，用DSP来作实时 信号处理，已成为当今和未来技术发展的一个新热点。 

 

3.4FACTS技术CusPow技术的融合[5]

      柔性交流输电技术FACTS和用户电力技术CusPow，是快速发展的姊妹型新式电力技术。采用FACTS的核心，是加强交流输电系统的可控性和增大其电 力传输能力；发展CusPow的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高电能质量。FACTS和CusPow的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制 器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，二者的融合是一种趋势。有人认为CusPow技术就是配电系统中的FACTS技术。 

 

3.5非电力电子技术的电能质量控制器的发展[5]

      采用非电力电子技术手段,如提出新的拓扑改进电路结构，采用新材料、开发新器件提高电能质量的发展也非常讯速。电力系统中已应用多种新材料的电器，如合成 材料制成的绝缘子避雷器等部件。最近又将高分子聚合物或复合材料研制成一些性能优良的新型控制器，并在实用中显示出广阔的应用前景。如聚合物型故障电流限 制器（polymer-based fault current limiter）, 缩写为PCL，是研究高分子聚合物的化学专家和电力工程师合作研制出的一种具有突破性意义的电器装置，可显著改善电网和供电系统的控制能力。当PCL承受 过负荷或故障电流时其电阻将突然增大100多万倍，从而立即使电路断开以消除过负荷或故障条件。当事故消除后，PCL因冷却又会恢复到原导体状态。因此用 PCL作新型熔断器比常规熔断器性能更好而且可以反复使用。