電氣工程講座電能質(zhì)量問題和治理方法

電能質(zhì)量關鍵技術的研究羅安教授湖南大學電氣與信息工程學院電話:8823700(O)8823710(L)電能質(zhì)量研究的意義和必要性電能質(zhì)量基本概念主要內(nèi)容電力電子技術概述12456電能質(zhì)量控制與補償技術研究電能質(zhì)量研究的前景電能質(zhì)量的檢測與分析3電能質(zhì)量研究的意義和必要性我國諧波超標現(xiàn)狀冶金礦山鐵路二次諧波60%50%10%五次諧波85%64%70%七次諧波76%24%46%十一次諧波30%10%25%電流畸變波形FFT基波二次諧波五次諧波背景及意義

2009年我國電能損耗達2143億千瓦時，相當于2.3個三峽發(fā)電站的年發(fā)電量；工業(yè)企業(yè)電耗占總電耗78%以上，線損率高達12%。工業(yè)企業(yè)電能損失嚴重：我國電能損失嚴重，配電網(wǎng)損失比輸電網(wǎng)更加嚴重我國大型工業(yè)企業(yè)電耗居高不下的主要原因：我國單位GDP電耗是世界平均水平的3.34倍，是德國的5.14倍，日本的7.3倍，英國的6.54倍，電能利用效率比發(fā)達國家落后約20年。工業(yè)企業(yè)電能利用率低：配電網(wǎng)線路長；功率因數(shù)低；諧波污染嚴重；三相負荷不平衡；電機與所帶負荷不匹配；電能管理制度不夠完善；電能監(jiān)控水平低。>1000億元背景及意義配電網(wǎng)節(jié)能迫在眉睫，效益巨大中國電力聯(lián)合會統(tǒng)計顯示：中國節(jié)能促進辦指出：

建設1千瓦發(fā)電能力需要投資7000元，節(jié)約1千瓦電力僅需投資2000元，不到1/3，而且不需要增加煤的投入，也無環(huán)境污染。

2007年大型企業(yè)電能損失1614億千瓦時，約790億元。2008年大型企業(yè)電能損失1968億千瓦時，約963億元。

2009年大型企業(yè)電能損失2143億千瓦時，約1048億元。電能質(zhì)量研究的意義和必要性電能質(zhì)量基本概念主要內(nèi)容電力電子技術概述12456電能質(zhì)量控制與補償技術研究電能質(zhì)量研究的前景電能質(zhì)量的檢測與分析3電能質(zhì)量的基本要求電能質(zhì)量的基本要求

為保證電能安全經(jīng)濟地輸送、分配和使用，理想供電系統(tǒng)的運行應具有如下基本特性：（2）始終保持三相交流電壓和負荷電流的平衡。（3）向電力用戶的供電不中斷。（1）以單一恒定的電網(wǎng)標稱頻率(50hz）、規(guī)定的若干電壓等級（如配電系統(tǒng)一般為110kv、35kv、10kv、380v/220v）和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電，并且這些運行參數(shù)不受用電負荷特性的影響。供電系統(tǒng)運行與電能質(zhì)量的關系電能質(zhì)量的特征(1)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量始終處在動態(tài)變化中電能量的流動始終處于動態(tài)平衡之中，并且隨著電網(wǎng)結構的改變和負荷的變化，不要時刻、不同公共連接點，電能質(zhì)量現(xiàn)象和指標往往是不同的。(2)電力系統(tǒng)是一個整體，其電能質(zhì)量狀況相互影響電氣連接將供電雙方構筑成一個整體，不論哪個環(huán)節(jié)引起電能質(zhì)量問題，都會對相關配電網(wǎng)絡與設備以及電力用戶的安全正常運行構成威脅。電能,除了具有其他工業(yè)產(chǎn)品的基本特征(如可以對產(chǎn)品的質(zhì)量指標分級、檢測和預估，可以確定相應的質(zhì)量標準和實施必要的質(zhì)量控制)之外，由于其生產(chǎn)、輸送與消耗的全過程獨具特色，因此在引起電能質(zhì)量問題的原因上、在劣質(zhì)電能的影響與評價等方面與一般產(chǎn)品的質(zhì)量問題不同，具有以下顯著特點：供電系統(tǒng)運行與電能質(zhì)量的關系電能質(zhì)量的特征(3)電能質(zhì)量擾動的潛在危害與廣泛傳播電能質(zhì)量下降造成的對電力系統(tǒng)和用電設備的損害有時并不立即顯現(xiàn),其危害與影響具有潛在性。電力線為擾動提供了最好的傳導途徑,且傳播速度快,電氣環(huán)境污染波及面大,影響域廣。(4)有些情況下，用戶是保證電能質(zhì)量的主體部分。電能質(zhì)量的下降往往是受到使用者的影響。(5)對電能質(zhì)量指標進行綜合評估非常困難。目前尚無一個準確的和普遍認可的定量綜合評估計算方法。(6)控制和管理電力系統(tǒng)電能質(zhì)量是一項系統(tǒng)工程，要求設備制造廠商、電力部門、電力用戶、標準制定部門、監(jiān)督管理部門等系統(tǒng)合作。供電系統(tǒng)運行與電能質(zhì)量的關系電能質(zhì)量的定義電能質(zhì)量（PowerQuality）國際電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)標準化協(xié)調(diào)委員會已正式通過采用“PowerQuality”(電能質(zhì)量)術語的決定。IEEE定義

TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)dictionary[page807]：合格的電能質(zhì)量是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)均是適合該設備正常工作的。

powerqualityistheconceptofpoweringandgroundingsensitiveequipmentinamatterthatissuitabletotheoperationofthatequipment.IEC定義

TheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)definitionofpower

quality

inIEC61000-4-30[page15]：

供電裝置正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性。

Characteristics

oftheelectricityatagivenpointonanelectricalsystem,evaluatedagainstaset

ofreferencetechnicalparameters.電能質(zhì)量概念、定義及分類電能質(zhì)量的具體概念從工業(yè)實用角度出發(fā)，將電能質(zhì)量概念具體分解為：電壓質(zhì)量，電流質(zhì)量，供電質(zhì)量，用電質(zhì)量。從普遍意義上講，電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。長期以來，電能質(zhì)量概念和電力供應可靠性幾乎是等同的。電力部門可能把電能質(zhì)量定義為電壓、頻率的合格率以及連續(xù)供電的年小時數(shù)，并且用統(tǒng)計數(shù)字就(以“9s”表示，如99.9%等)來說明電力系統(tǒng)是可靠運行的。電力用戶則可能把電能質(zhì)量簡單定義為是否向設備提供了電力。設備制造廠家則可能定義電能質(zhì)量就是指電源特性應當完全滿足電氣設備的正常工作需要。什么是電能質(zhì)量？基本概念與定義電壓質(zhì)量電流質(zhì)量給出實際電壓與理想電壓間的偏差，以反映供電部門向用戶分配的電力是否合格。包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現(xiàn)象、電壓波動與閃變、電壓暫降(暫升)與中斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。要求用戶汲取的電流是單一頻率正弦波形外，盡量保持該電流波形與供電電壓同相位，包括電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前與滯后、噪聲等。供電質(zhì)量用電質(zhì)量包括技術含義和非技術含義兩部分。技術含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性；非技術含義是指服務質(zhì)量，包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度和電力價目的透明度等。包括電流質(zhì)量和非技術含義等，如用戶是否按時、如數(shù)繳納電費等。上述定義反映了供用電雙方的相互作用和影響以及責任和義務。電能質(zhì)量的具體概念基本概念與定義電能質(zhì)量的分類1、電能質(zhì)量的基本分類2、變化型和事件型分類國際電工委員會(IEC)以電磁現(xiàn)象及相互干擾的途徑和頻率特性為基礎，引出了廣義的電磁擾動的基本現(xiàn)象分類。美國電氣及電子工程師學會IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)也對電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象給出了特征參數(shù)及分類。按照電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象的兩個重要表現(xiàn)特征——變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性為基礎分成兩類。電能質(zhì)量的分類電能質(zhì)量的分類變化型：指連續(xù)出現(xiàn)的電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流的幅值、頻率、相位差等在時間軸上的任一時刻總是在發(fā)生著小的變化。這一類現(xiàn)象包括電壓幅值變化、頻率變化、電壓與電流間相位變化、電壓不平衡、電壓波動、諧波電壓和電流畸變、電壓陷波、主網(wǎng)載波信號干擾等。電能質(zhì)量現(xiàn)象多為隨機現(xiàn)象，在對變化型電壓和電流進行質(zhì)量評估時，往往采用概率統(tǒng)計方法來處理，根據(jù)變化型電能質(zhì)量的特征，當測量變化型電壓和電流時要求連續(xù)紀錄它們的變化值。事件型：指突然發(fā)生的電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象，其重要的特征表現(xiàn)為電壓或電流短時嚴重偏離其額定值或理想波形。這一類現(xiàn)象包括電壓暫降和電壓短時間中斷、欠電壓、瞬態(tài)過電壓、階梯形電壓變化、相位跳變等。在事件型電壓和電流評估時，通常采用其特征量，如用幅值偏離量的多少、事件持續(xù)時間長短以及發(fā)生的頻次等來描述，并且用概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法以及可靠性計算來處理。監(jiān)測事件型電壓和電流時，要求有一個事件啟動信號。事件型變化型電能質(zhì)量的分類電能現(xiàn)象

電能質(zhì)量這個概念實際上描述的是電力系統(tǒng)中在給定時間和地點上發(fā)生的各種電磁現(xiàn)象(包括電壓和電流).IEEEStd1159-1995中從電磁兼容的角度(IEC-TC77同)出發(fā)對有關電能質(zhì)量方面的各種電磁現(xiàn)象進行了分類.這有利于針對不同性質(zhì)的電能質(zhì)量問題進行測量、分析并提出不同的合理的解決方案。沖擊性瞬變(impulsivetransient)現(xiàn)象是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流非工頻、單極性的突然變化現(xiàn)象。通常用上升和衰減時間來表現(xiàn)沖擊性瞬變的特征。最常見的引發(fā)沖擊脈沖瞬變現(xiàn)象的原因是雷電。振蕩瞬變(Oscillatorytransient)現(xiàn)象是一種在穩(wěn)態(tài)條件下，電壓、電流的非工頻、有正負極性的突然變化現(xiàn)象。常用起頻譜成分(主頻率)、持續(xù)時間和幅值大小來描述其特性?？煞旨墳楦哳l、中頻和低頻。瞬變現(xiàn)象1、沖擊性瞬變(impulsivetransient)現(xiàn)象2、振蕩瞬變(Oscillatorytransient)現(xiàn)象電能質(zhì)量現(xiàn)象描述電容器組沖能引起的低頻瞬變振蕩現(xiàn)象空載變壓器鐵磁諧振引起的低頻振蕩現(xiàn)象電容器投切引起的(中頻)瞬變振蕩電流雷電沖擊電流波雷電沖擊電壓波電能現(xiàn)象電能質(zhì)量現(xiàn)象描述短時間電壓變動電壓中斷（interruptions）

當供電電壓降低到0.1p.u.以下，且持續(xù)時間不超過1min。原因可能是系統(tǒng)故障、用電設備故障或控制失靈等。電壓中斷往往是以其幅值總是低于額定值百分數(shù)的持續(xù)時間來度量的。故障后的短時中斷及重合操作按持續(xù)時間可進一步分為瞬時(0.5-30周波)、暫時(30周波-3s)和短時(3s-1min)。短時間電壓變動電壓暫降（sag)指工頻條件下電壓均方根值減小到0.1-0.9p.u.之間、持續(xù)時間為0.5周波至1min的短時間電壓變動現(xiàn)象。重負荷或大型電機啟動汲取大電流造成的電壓暫降外，多數(shù)情況下電壓暫降是同系統(tǒng)故障相聯(lián)系的。電壓暫降持續(xù)時間小于1/2個周期時，不能用基波均方根的變動來描述，看成是瞬變現(xiàn)象；持續(xù)時間大于1min，歸為長時間電壓變動類型。單相接地故障引起的電壓暫降電機啟動電流引起的電壓暫降短時間電壓變動短時間電壓變動電壓暫升(swell)暫升是指在工頻條件下，電壓均方根值上升到1.1~1.8p.u.之間、持續(xù)時間為0.5周波到1min的電壓變動現(xiàn)象。大容量負荷甩開或大容量電容組增能時也會引起電壓暫升。在不接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相對地故障時，非接地相對地電壓將達到1.73p.u.。電壓暫升不象電壓暫降那樣常見。單相接地故障引起的電壓暫升短時間電壓變動短時間電壓變動過電壓過電壓是指工頻下交流電壓均方根值升高，超過額定值的10%，并且持續(xù)時間大于1min的電壓變動現(xiàn)象。通常是負荷投切的結果，系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)比較弱，系統(tǒng)的正常運行操作就可以造成過電壓問題。變壓器分接頭的不正確調(diào)整也可能導致系統(tǒng)過電壓?？赡芤鹪O備故障；電子設備可能立即故障；降低系統(tǒng)中設備壽命、保護誤動、電容爆炸、無功輸出增加等。在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續(xù)時間超過1min的電壓變動現(xiàn)象。危害長時間電壓變動及危害長時間電壓變動及危害長時間電壓變動及危害欠電壓欠電壓是指工頻下交流電壓均方根值降低，小于額定值的90%，并且持續(xù)時間大于1min的電壓變動現(xiàn)象。某一負荷的投入或某一電容器組的斷開都可能引起欠電壓。影響設備運行，例如；電動機可能停運、電機過熱、速度改變；電子設備可能停運；電容補償設備出力減少、影響照明設備。危害長時間電壓變動及危害持續(xù)中斷持續(xù)中斷是指供電電壓迅速下降為0，并且持續(xù)時間超過1min。當系統(tǒng)事故發(fā)生后，需要人工應急處理以恢復正常供電，通常需要數(shù)分鐘或數(shù)小時。它不同于預知的電氣設備計劃檢修或更換而停電的情況，如果是由于電氣設備計劃檢修或線路更改等出現(xiàn)的預知計劃停電，或由于工程設計不當或電力供應不足造成的不得已停電，則不屬于電能質(zhì)量問題，應當歸為傳統(tǒng)供電可靠性范疇或工程質(zhì)量問題。1、可能造成社會秩序嚴重混亂或在政治上產(chǎn)生嚴重影響2、可能會造成經(jīng)濟上的巨大損失3、可能會造成人身傷亡或會引起周圍環(huán)境嚴重污染

危害長時間電壓變動及危害長時間電壓變動及危害電壓不平衡電壓不平衡，時常被定義與三相電壓(或電流)的平均值的最大偏差，并且用該偏差與平均值的百分比表示。電壓不平衡也可利用對稱分量法來定義，既用負序或零序分量與正序分量的百分比加以衡量。電壓不平衡(小于2%)的起因主要是負荷不平衡(如單相運行)所致，或者是三相電容器組的某一相熔斷器造成的。電壓嚴重不平衡(大于5%)很有可能是由于單相負載過重引起的。電壓不平衡波形的畸變直流偏置在交流系統(tǒng)中出現(xiàn)直流電壓或電流稱之為直流偏置。可能是由于地磁場干擾或半波產(chǎn)生的。例如：為了延長燈管的壽命在照明系統(tǒng)中采用的半波整流器電流，會使交流變壓器偏磁，以致發(fā)生磁飽和，引起變壓器鐵芯附加發(fā)熱，縮短使用壽命。直流分量還會引起接地極和其他電氣連接設備的電解腐蝕。波形的畸變，是指電壓或電流波形偏離穩(wěn)態(tài)工頻正弦波形的現(xiàn)象，可用偏移頻譜描述其特性。波形畸變有五種主要的類型，即直流偏置、諧波、間諧波、陷波，噪聲。諧波把含有供電系統(tǒng)設計運行頻率(即簡稱工頻，通常為50HZ)整數(shù)倍頻率的電壓或電流定義為諧波。波形的畸變間諧波把含有供電系統(tǒng)設計運行頻率非整數(shù)倍頻率的電壓和電流定義為間諧波。間諧波主要有靜止頻率變換器、循環(huán)換流器、感應電機和電弧設備等。電力線路載波信號也可視為間諧波。間諧波對電力載波信號有影響，對顯示設備如CRT等有感應視覺閃變干擾。陷波(notch)噪聲(noise)陷波是電力電子裝置在正常工作情況下，交流輸入電流從一相切換到另一相時產(chǎn)生的周期性電壓擾動。陷波以其下陷程度和寬度來衡量。噪聲是指帶有低于200HZ寬帶頻譜，混疊在電力系統(tǒng)的相線、中性線或信號線中的干擾有害信號。電力系統(tǒng)中的電力電子裝置、控制器、電弧設備、整流負荷以及供電電源投切等都有可能產(chǎn)生噪聲。由于接地線配置不當，未能把噪聲傳導至遠離電力系統(tǒng)，常常會加重對系統(tǒng)的噪聲干擾和影響。噪聲可以對電子設備如微機，可編程控制器等的正常安全工作造成危害。采用濾波器、隔離變壓器和電力線調(diào)節(jié)器等措施能夠減緩噪聲的影響。波形的畸變波形的畸變整流裝置引起的諧波電流整流裝置引起的諧波電流三相換流器的電壓陷波波形的畸變波形的畸變電壓波動電弧爐引起的電壓波動電壓波動是指電壓包絡線有規(guī)則的變化或一系列隨機電壓變動。通常，其幅值并不超過0.9-1.1p.u.范圍。電壓波動是一種電磁現(xiàn)象，而閃變是電壓波動對某些用電符合造成的有害結果。電壓波動是用電壓均方根值的大小定義的，并且用其相對值的百分數(shù)表示。可通過人眼對電壓波動引起的燈光閃爍敏感度來測量閃變的強度。電壓波動工頻變化負荷的波動在電力系統(tǒng)基波頻率偏離規(guī)定正常值的現(xiàn)象定義為頻率變化。當負荷與發(fā)電機間出現(xiàn)動態(tài)平衡變化時系統(tǒng)頻率就會有小的變動。輸電配電系統(tǒng)的大面積故障，如大面積甩負荷，大容量發(fā)電機設備脫機等，可能使正常穩(wěn)態(tài)運行的系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差超出允許的極限范圍。工頻變化電能質(zhì)量標準以科學技術和運行經(jīng)驗的綜合成果為基礎，按照標準化的原則對電產(chǎn)品制定并發(fā)布統(tǒng)一的和適度的基本指標規(guī)定，以及統(tǒng)一的質(zhì)量檢測方法和實施指導的工作稱之為電能質(zhì)量標準化，有以下四方面內(nèi)容：

(1)規(guī)定標稱環(huán)境給出標稱頻率和電壓的同時，給出允許的偏差范圍。

(2)定義技術名詞給出電能質(zhì)量現(xiàn)象的準確定義和描述，統(tǒng)一專用術語。

(3)量化電能質(zhì)量指標

(4)推薦統(tǒng)一的測量與評估方法電能質(zhì)量標準簡介

GB/T15945-1995——《電能質(zhì)量—電力系統(tǒng)頻率允許偏差》電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可放寬到±0.5Hz。標準中沒有說明系統(tǒng)容量大小的界限。在《全國供用電規(guī)則》中規(guī)定“供電局供電頻率的允許偏差：電網(wǎng)容量在300萬千瓦及以上者為±0.2HZ；電網(wǎng)容量在300萬千瓦以下者，為±0.5HZ。實際運行中，從全國各大電力系統(tǒng)運行看都保持在不大于±0.1HZ范圍內(nèi)。

GB/Tl2325－90——《電能質(zhì)量—供電電壓允許偏差》

35kV及以上供電電壓正負偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10％；

10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7％；220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7％～10％。標準中供電電壓為供電部門與用戶產(chǎn)權分界處的電壓或由供用電協(xié)議所規(guī)定的電能計量點的電壓。電能質(zhì)量標準電能質(zhì)量標準簡介

GB/T12326-2000——《電能質(zhì)量—三相電壓允許不平衡度》電力系統(tǒng)公共連接點（PPC,pointofcommoncoupling,即電力系統(tǒng)一個以上用戶的連接處）正常電壓不平衡度允許值為2％，短時不得超過4％。標準還規(guī)定對每個用戶電壓不平衡度的一般限值為1.3％。國標規(guī)定的三相電壓不平衡度的允許值及計算、測量和取值方法只適用于電力系統(tǒng)正常運行方式下在電網(wǎng)公共連接點由負序分量引起的電壓不平衡。故障方式引起的不平衡和零序分量引起的不平衡均不在考慮之列。

GB/T14549-93——《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》各級公用電網(wǎng)電壓(相電壓)總諧波畸變率限值用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，國標規(guī)定各級電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的電壓總諧波畸變率是：

0.38kV為2.6％；

6～10kV為2.2％；

35~66kV為1.9％；

110kV為1.5％。電能質(zhì)量標準電能質(zhì)量標準簡介

GB/T15543-1995——《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》電壓變動值d（相鄰兩個極值電壓之差）；電壓變動頻度r(單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù))。閃變限值閃變值是電壓波動造成閃爍的主觀視感指標，分短時間閃變值Pst，長時間閃變值Plt。電壓變動電能質(zhì)量標準電能質(zhì)量標準簡介

GB/T18481-2001——《電能質(zhì)量—暫時過電壓和瞬時過電壓》過電壓波形、幅值和持續(xù)時間決定了對設備絕緣和保護裝置的影響。暫時過電壓(temporaryovervoltage)是指其頻率為工頻或某諧波頻率，且在其持續(xù)時間范圍內(nèi)無衰減或衰減慢的過電壓；瞬態(tài)過電壓(transientovervoltage)為振蕩的或非振蕩的，通常衰減很快，持續(xù)時間只有幾毫秒或幾十個微秒的過電壓。電能質(zhì)量標準電能質(zhì)量標準簡介電能質(zhì)量研究的意義和必要性電能質(zhì)量基本概念主要內(nèi)容電力電子技術概述12456電能質(zhì)量控制與補償技術研究電能質(zhì)量研究的前景電能質(zhì)量的檢測與分析3電能質(zhì)量的檢測與分析概述1電能質(zhì)量的數(shù)學分析方法2瞬時無功功率理論3

電能質(zhì)量問題主要的分析方法可分為時域、頻域和基于數(shù)學變換的分析方法三種。時域仿真方法應用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序對供電系統(tǒng)電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象進行研究。采用較多的時域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和MATLAB、PSPICE、SABER等電力電子電路仿真程序兩大類。

電能質(zhì)量的分析與檢測電能質(zhì)量檢測技術概述

頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析，包括頻譜分布、諧波潮流計算等?；跀?shù)學變換的分析方法主要指傅立葉變換方法、短時傅立葉變換方法、矢量變換方法以及近年來出現(xiàn)的小波變換方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析方法等。電能質(zhì)量檢測技術概述電能質(zhì)量的分析與檢測傅立葉級數(shù)電能質(zhì)量的分析與檢測

設為一連續(xù)非周期時間信號，若滿足狄里赫利條件及

那么的傅里葉變換存在，并定義為

連續(xù)傅里葉變換其反變換為電能質(zhì)量的分析與檢測

是的連續(xù)函數(shù)，稱為信號的頻譜函數(shù)，或簡稱為頻譜，它又可進一步分成實部和虛部、幅度譜和相位譜，即

電能質(zhì)量的分析與檢測瞬時無功功率理論

三相電路瞬時無功功率理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量，以該理論為基礎，可以得出用于有源電力補償器的諧波和無功電流實時檢測方法。電能質(zhì)量的分析與檢測瞬時有功功率和瞬時無功功率

設三相平衡電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic。把它們變換到兩相正交的坐標系上，

式中電能質(zhì)量的分析與檢測在平面上，矢量和分別可以合成為（旋轉）電壓矢量和電流矢量

式中U,I分別為矢量u、i的模；分別為矢量u、i的相角。電能質(zhì)量的分析與檢測引入瞬時有功功率和瞬時無功功率

寫成矩陣形式為

式中電能質(zhì)量的分析與檢測p，q對于三相電壓、電流的表達式電能質(zhì)量的分析與檢測

三相電路瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為矢量i在矢量u及其法線上的投影

式中瞬時有功電流和瞬時無功電流電能質(zhì)量的分析與檢測

相的瞬時無功電流（瞬時有功電流），為三相電路瞬時無功電流（瞬時有功電流）分別在()軸上的投影，即瞬時有功電流的分量 瞬時有功電流的分量 瞬時無功電流的分量 瞬時無功電流的分量

電能質(zhì)量的分析與檢測三相電路諧波和無功電流的實時檢測⑴p,q運算方式由于采用了低通濾波器來求取、，故當被檢測電流發(fā)生變化時，需經(jīng)一定延遲時間才能得到準確的、，從而使檢測結果有了一定的延時。但當只檢測無功電流時，則不需要采用低通濾波器，而只需直接將q反變換即可得出無功電流，這樣就不存在延時了。電能質(zhì)量的分析與檢測⑵ip,iq

運算方式

該方法中，需要與a相電網(wǎng)電壓ua同相位的正弦信號sinwt和對應當余弦信號-coswt，它們由一個鎖相環(huán)和一個正弦、余弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生。要檢測諧波和無功電流，只需斷開iq通道即可。電能質(zhì)量的分析與檢測電能質(zhì)量研究的意義和必要性電能質(zhì)量基本概念主要內(nèi)容電力電子技術概述12456電能質(zhì)量控制與補償技術研究電能質(zhì)量研究的前景電能質(zhì)量的檢測與分析3電力電子技術電力電子技術概述1功率開關管介紹2變換電路及ＰＷＭ調(diào)制3電力電子技術概要電力電子學,又稱功率電子學(PowerElectronics)。它主要研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構成的各式各樣的電路或裝置，以完成對電能的變換和控制。它既是電子學在強電(高電壓、大電流)或電工領域的一個分支，又是電工學在弱電(低電壓、小電流)或電子領域的一個分支，或者說是強弱電相結合的新科學。電力電子學是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領域的一個新興工程技術學科。電力電子技術電力電子技術的發(fā)展在有電力電子器件以前，電能轉換是依靠旋轉機組來實現(xiàn)的。與這些旋轉式的交流機組比較,利用電力電子器件組成的靜止的電能變換器,具有體積小、重量輕、無機械噪聲和磨損、效率高、易于控制、響應快及使用方便等優(yōu)點。1957年第一只晶閘管—也稱可控硅(SCR)問世后，因此,自20世紀60年代開始進入了晶閘管時代。70年代以后，出現(xiàn)了通和斷或開和關都能控制的全控型電力電子器件(亦稱自關斷型器件)，如：門極可關斷晶閘管(GTO)、雙極型功率晶體管(BJT/GTR)、功率場效應晶體管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。電力電子技術晶閘管（GTR）

晶閘管的結構晶閘管是具有四層PNPN結構、三端引出線(A、K、G)的器件。常見晶閘管的外形有兩種：螺栓型和平板型。電力電子技術晶閘管的結構和等效電路如圖1-4所示，晶閘管的管芯是P1N1P2N2四層半導體，形成3個PN結J1、J2和J3。晶閘管的工作原理IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑欲使晶閘管導通需具備兩個條件：(1)應在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。(2)應在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。電力電子技術晶閘管的派生器件1.快速晶閘管快速晶閘管的關斷時間≤50μs，常在較高頻率(400HZ)的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結構和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國內(nèi)已能提供最大平均電流1200A、最高斷態(tài)電壓1500V的快速晶閘管系列，關斷時間與電壓有關，約為25μs～50μs。電力電子技術2.雙向晶閘管雙向晶閘管不論從結構還是從特性方面來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導通。電力電子技術3.逆導晶閘管逆導晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。電力電子技術4.光控晶閘管光控晶閘管(LightActivatedThyristor)是利用一定波長的光照信號控制的開關器件。其結構也是由P1N1P2N2四層構成。電力電子技術可關斷晶閘管可關斷晶閘管GTO(GateTurn-OffThyristor)，可用門極信號控制其關斷。目前，GTO的容量水平達6000A/6000V，頻率為1kHZ?？申P斷晶閘管的結構GTO的內(nèi)部包含著數(shù)百個共陽極的小GTO元，它們的門極和陰極分別并聯(lián)在一起，這是為了便于實現(xiàn)門極控制關斷所采取的特殊設計。電力電子技術可關斷晶閘管的工作原理(1)開通過程GTO也可等效成兩個晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導通后回路增益α1+α2數(shù)值不同。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門極負脈沖關斷陽極電流提供有利條件。電力電子技術(2)關斷過程當GTO已處于導通狀態(tài)時，對門極加負的關斷脈沖，形成－IG，相當于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個正反饋過程。當IC2和IC1的減小使α1+α2<1時，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導通條件，陽極電流下降到零而關斷。GTO關斷時，隨著陽極電流的下降，陽極電壓逐步上升，因而關斷時的瞬時功耗較大，在電感負載條件下，陽極電流與陽極電壓有可能同時出現(xiàn)最大值，此時的瞬時關斷功耗尤為突出。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關斷。而晶閘管導通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關斷。電力電子技術雙極型功率晶體管(BJT)雙極型功率晶體管的結構電力電子技術雙極型功率晶體管的工作原理以NPN型雙極型功率晶體管為例，若外電路電源使UBC<0,則集電結的PN結處于反偏狀態(tài)；UBE>0,則發(fā)射結的PN結處于正偏狀態(tài)。此時晶體管內(nèi)部的電流分布為：(1)由于UBC<0,集電結處于反偏狀態(tài)，形成反向飽和電流ICBO從N區(qū)流向P區(qū)。(2)由于UBE>0,發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴散形成空穴電流IPE,N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴散形成電子電流INE。單個BJT電流增益較低，驅動時需要較大的驅動電流，由于單級高壓晶體管的電流增益僅為10左右，為了提高電流增益，常采用達林頓結構，如每級有10倍的增益，則3級達林頓結構的電流增益可達1000左右。電力電子技術功率場效應晶體管（P-MOSFET）功率場效應晶體管的結構VDMOS結構采用垂直導電的雙擴散MOS結構，利用兩次擴散形成的P型和N+型區(qū)，在硅片表面處的結深之差形成溝道，電流在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直被漏極接收。VDMOS管的襯底是重摻雜(超低阻)N+單晶硅片，其上延生長一高阻N－層(最終成為漂移區(qū)，該層電阻率及外延厚度決定器件的耐壓水平),在N－上經(jīng)過P型和N型的兩次擴散，形成N+N－PN+結構。電力電子技術功率場效應晶體管的工作原理當柵源極電壓UGS＝0時，漏極下的P型區(qū)表面不出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時即使在漏源之間施加電壓也不會形成P區(qū)內(nèi)載流子的移動，即VMOS管保持關斷狀態(tài)。當柵源極電壓UGS＞0且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時VMOS管仍保持關斷狀態(tài)。當柵源極電壓UGS或超過強反型條件時，柵極下面的硅的表面從P型反型成N型，形成N型表面層并把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來,從而把漏源溝通，使VMOS管進入導通狀態(tài)。電力電子技術絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）絕緣柵雙極型晶體管IGBT是80年代中期問世的一種新型復合電力電子器件，由于它兼有MOSFET的快速響應、高輸入阻抗和BJT的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這幾年發(fā)展十分迅速。目前，IGBT的容量水平達(1200～1600A)/(1800～3330V),工作頻率達40kHz以上。絕緣柵雙極型晶體管的結構IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)BJT。從圖中我們還可以看到在集電極和發(fā)射極之間存在著一個寄生晶閘管，寄生晶閘管有擎住作用。采用空穴旁路結構并使發(fā)射區(qū)寬度微細化后可基本上克服寄生晶閘管的擎住作用。IGBT的低摻雜N漂移區(qū)較寬，因此可以阻斷很高的反向電壓。電力電子技術2.絕緣柵雙極型晶體管的工作原理當UDS＜0時，J3PN結處于反偏狀態(tài)，IGBT呈反向阻斷狀態(tài)。當UDS＞0時，分兩種情況：①若門極電壓UG＜開啟電壓UT，IGBT呈正向阻斷狀態(tài)。②若門極電壓UG＞開啟電壓UT，IGBT正向導通。電力電子技術

功率晶體管、功率場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管(BJT、MOSFET、IGBT)是自關斷器件。用它們作開關元件構成的功率變換器，可使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。功率變換器，簡單地說，是控制逆變器開關器件的通斷順序和時間分配規(guī)律，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調(diào)的矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。

變換器可分為電壓型和電流型。SPWM型變換器是給逆變器固定的直流電壓，通過開關元件有規(guī)律的導通和關斷，得到由寬度不同的脈沖組成的電壓波形，削弱和消除某些高次諧波，得到具有較大基波分量的正弦輸出電壓。

變換電路及PWM調(diào)制電力電子技術電壓型變換器

電路結構

電壓型變換器的特點是直流電源接有很大的濾波電容，從逆變器向直流電源看過去電源內(nèi)阻為很小的電壓源，保證直流電壓穩(wěn)定。

電力電子技術電流型變換器

電路結構電流型變換器的電路原理圖如圖5-7所示，電流型變換器的特點是直流電源接有很大的電感，從逆變器向直流電源看過去電源內(nèi)阻為很大的電流源，保證直流電流基本無脈動。

電力電子技術正弦脈寬調(diào)制原理SPWM原理根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時，其輸出響應基本相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。它表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無關.圖中給出了幾種典型的形狀不同而沖量相同的窄脈沖。他們的面積(沖量)均相同。當它們分別作用在同一個的慣性系統(tǒng)上時，其輸出響應波形基本相同。當窄脈沖變?yōu)閳D

(d)所示的單位脈沖函數(shù)時，系統(tǒng)的響應則變?yōu)槊}沖過渡函數(shù)。

電力電子技術圖畫出了一正弦波的正半波，并將其劃分為k等分(圖中k＝7)。將每一等分中的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形波所替代，從而得到一組等效于正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱為逆變器的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。

電力電子技術單極性調(diào)制雙極性調(diào)制

電力電子技術1.自然采樣法

求取開關時刻的方程式是超越方程，求解時需要花費較多的計算時間，因而難以在實時控制中在線計算。

2.規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，它的效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多。實際應用較多的還是采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法。在三角波的負峰時刻tD對正弦調(diào)制波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點的時刻tA和B點的時刻tB控制功率開關器件的通斷。可以看出，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。

SPWM波形的生成

電力電子技術3．低次諧波消除法以消去SPWM波形中某些主要的低次諧波為目的，通過計算確定各脈沖的開關時刻．這種方法稱為低次諧波捎去法。在這種方法中，已經(jīng)不再比較載波和正弦調(diào)制波，但目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一種方法。應當指出，低次諧波消去法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大。不過，因為其次數(shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，因而較容易濾除。

4．跟蹤型SPWM跟蹤型SPWM也不是用載波對正弦波進行調(diào)制，而是把希望輸出的電流或電壓作給定信號，與實際電流或電壓信號進行比較，由此來決定逆變器電路功率開關器件的通斷，使實際輸出跟蹤給定信號。跟蹤型SPWM變換器中，電流跟蹤控制應用較多。主要的有電流滯環(huán)控制型和固定開關頻率型。

電力電子技術電能質(zhì)量研究的意義和必要性電能質(zhì)量基本概念主要內(nèi)容電力電子技術概述12456電能質(zhì)量控制與補償技術研究電能質(zhì)量研究的前景電能質(zhì)量的檢測與分析3電能質(zhì)量綜合治理技術

作為未來21世紀輸配電技術的發(fā)展方向，電能質(zhì)量輸配電技術得到了當今先進國家電力界的廣泛研究并取得了極大的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種調(diào)節(jié)補償裝置，如靜止無功補償器（SVC）、靜止無功補償器（DSASTCOM）、可控移相器（TCPS）、靜止同步無功發(fā)生器（ASVG）、有源電力濾波器（APF,HAPF）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）等。諧波功率損耗嚴重整體節(jié)能方案欠缺配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理技術全局綜合節(jié)能技術高品質(zhì)節(jié)能技術FC、SVC、TCR、DSASTCOM、SVGHVC、HCVCPPF、APF、HAPF企業(yè)全局節(jié)能管理技術電氣節(jié)能技術匱乏無功補償效率欠佳無功補償技術諧波抑制技術補償無功功率改善電網(wǎng)功率因數(shù)治理電網(wǎng)諧波提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性平衡電網(wǎng)電壓優(yōu)化調(diào)度無功潮流降低線路損耗提高變壓器有功出力電能質(zhì)量控制與補償技術研究配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯?、無功補償?shù)囊饬x、原理及方式2、靜止無功補償器（SVC）3、靜止同步無功補償器（DSTATCOM）4、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）配電網(wǎng)諧波抑制技術的研究1、諧波的起因及治理措施2、無源濾波技術3、有源濾波技術4、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPFC）電氣化鐵路功率補償技術的研究無功缺損的影響在電力系統(tǒng)中，由于電感、電容元件的存在，不僅系統(tǒng)中存在著有功功率，而且存在無功功率。雖然無功功率本身不消耗能量，它的能量只是在電源及負載間進行傳輸交換，但是在這種能量交換的過程會引起電能的損耗，并使電網(wǎng)的視在功率增大，這將對系統(tǒng)產(chǎn)生以下一系列負面影響：（1）電網(wǎng)總電流增加，從而會使電力系統(tǒng)中的元件，如變壓器、電器設備、導線等容量增大，使用戶內(nèi)部的起動控制設備、量測儀表等規(guī)格、尺寸增大，因而使初投資費用增大。在傳送同樣的用功功率情況下，總電流的增大，使設備及線路的損耗增加，使線路及變壓器的電壓損失增大。（2）電網(wǎng)的無功容量不足，會造成負荷端的供電電壓低，影響正常生產(chǎn)和生活用電；反之，無功容量過剩，會造成電網(wǎng)的運行電壓過高，電壓波動率過大。無功補償?shù)囊饬x無功補償?shù)囊饬x、原理及方式（3）電網(wǎng)的功率因數(shù)低會造成大量電能損耗，當功率因數(shù)由0.8下降到0.6時，電能損耗將近提高了一倍。（4）對電力系統(tǒng)的發(fā)電設備來說，無功電流的增大，對發(fā)電機轉子的去磁效應增加，電壓降低，如過度增加勵磁電流，則使轉子繞組超過允許溫升。為了保證轉子繞組正常工作，發(fā)電機就不允許達到預定的出力。此外，原動機的效率是按照有功功率衡量的，當發(fā)電機發(fā)出的視在功率一定時，無功功率的增加，會導致原動機效率的相對降低。目前，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，工廠大量使用大功率開關器件組成的設備對大型、沖擊型負載供電，這使電能質(zhì)量問題日益嚴重。如果，不進行無功補償，在正常運行時，會反復地使負載的無功功率在很大的范圍內(nèi)波動，這不僅使電氣設備得不到充分的利用，網(wǎng)絡傳輸能力下降，損耗增加，甚至還會導致設備損壞、系統(tǒng)癱瘓。無功補償?shù)囊饬x無功缺損的影響無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償?shù)囊饬x1)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)電壓波動及閃變，改善系統(tǒng)的不平衡；2)補償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)；3)減少發(fā)、供電設備的設計容量，減少投資：4)降低線損，減少設計容量，減少投資。無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償原理

在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電動機、變壓器、螢光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻R與電感L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為：式中無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償原理

給R、L電路并聯(lián)接入C之后，電路如圖1-1a所示。該電路的電流方程為：由圖1-1b的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓與的相位變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后于電壓，這種情況稱為欠補償。無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償原理

若電容C的容量過大，使供電電流的相位超前于電壓，這種情況稱為過補償，其相量圖如圖1-1c所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償?shù)姆绞?/p>

配電網(wǎng)中的無功補償從補償方法上又可分為固定、手動、自動三種。1固定補償方案固定補償主要綜合整個電網(wǎng)的各項年平均參數(shù)，根據(jù)無功的分布情況選取若干個補償點，每個點投入若干單位的電容量，使得全年節(jié)能效益與經(jīng)濟投入之比達到最佳。這種方法的優(yōu)點是能綜合考慮整個電網(wǎng)的運行特點，既取得了最佳經(jīng)濟效益又兼顧了全網(wǎng)無功潮流的平衡；缺點是補償容量不能跟隨電網(wǎng)的實時運行狀況，其最佳值是年平均意義上的，電壓波動問題依然存在，當電網(wǎng)負荷發(fā)生變化時，這種方法就無能為力了。

無功補償?shù)囊饬x、原理及方式無功補償?shù)姆绞?/p>

2手動補償方案

手動補償通過若干電容器組的組合，達到改變補償容量的作用，適用于時間上呈一定規(guī)律變化的負荷，缺點是分組過于粗糙，設備體積龐大，需專人守護，并且只針對采樣點參數(shù)進行計算，不能達到最佳補償效果。3自動補償方案自動補償是微電子技術在電力系統(tǒng)的應用?？刂破鞲鶕?jù)傳感器的數(shù)據(jù)，計算出當前電網(wǎng)所需的無功補償量并控制電容器組的投切，達到實時補償?shù)哪康?。無功補償?shù)囊饬x、原理及方式電能質(zhì)量控制與補償技術研究配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯?、無功補償?shù)囊饬x、原理及方式2、靜止無功補償器（SVC）3、靜止同步無功補償器（DSTATCOM）4、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）配電網(wǎng)諧波抑制技術的研究1、諧波的起因及治理措施2、無源濾波技術3、有源濾波技術4、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPFC）電氣化鐵路功率補償技術的研究無功補償技術的現(xiàn)狀

無功補償經(jīng)歷了同步調(diào)相機技術，并聯(lián)電容器補償技術。20世紀70年代初期發(fā)展起來了一種靜止無功補償?shù)男录夹g?！办o止”是針對旋轉的同步調(diào)相機而言的，國內(nèi)多稱其為動態(tài)無功補償器，這是針對固定電容器組而言。

靜止無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，是目前電力系統(tǒng)中應用最多、最為成熟的并列補償設備。IEEE將SVC定義為一種并聯(lián)型的靜止無功發(fā)生器或者吸收器，其輸出可以調(diào)節(jié)以交換容性或者感性電流，從而維持或者控制電力系統(tǒng)中的某些特定參數(shù)（一般為母線電壓）。靜止無功補償器無功補償技術的現(xiàn)狀采用晶閘管等電力電子器件作為控制元件的靜止無功補償設備是一種先進的高壓電網(wǎng)動態(tài)功率因數(shù)補償裝置，有響應速度快、控制靈活、連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點。隨著電力電子器件與計算機控制技術的發(fā)展，SVC正朝著高電壓和大容量方向發(fā)展。當前SVC已經(jīng)被廣泛應用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的負荷補償和輸電線路補償，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制電壓波動，應用于對沖擊負荷（如電弧爐）的閃變抑制和對電氣化鐵路的不平衡補償之中，被全世界電力公司和工業(yè)界公認為一項成熟并且有效的無功功率管理的手段而加以應用。靜止無功補償器SVC的分類

SVC主要有以下三大類型：晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactance-TCR）、晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor-TSC）、晶閘管控制高漏抗變壓器（ThyristorControlledTransformer-TCT）型靜止無功補償裝置由于技術的進步，這些裝置的混合使用也屬于靜止無功補償裝置，如TSC-TCR型混合裝置，或者晶閘管控制電抗器TCR與固定電容器（FixedCapacitor-FC）的混合裝置即TCR-FC,或者晶閘管控制電抗器TCR與機械投切電容（MechanicallySwitchedCapacitor-MSC）混合使用的裝置，即TCR-MSC型等。靜止無功補償器SVC的結構TSC由電容C、串聯(lián)的小電感和兩個反并聯(lián)晶閘管構成。晶閘管的作用只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開，串聯(lián)小電感用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能造成的沖擊電流。TCR由電感L與兩個反并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)組成。這兩個晶閘管分別按照單相半波交流開關運行。改變控制角，電感中通過的電流便相應改變，進而控制補償容量。由特定次濾波支路構成的固定電容補償器FC，可以用于濾除諧波。

降壓變壓器一次繞組連接成三角形，可以使晶閘管相控電抗器在不同導通狀況下產(chǎn)生的三次諧波成分不流入系統(tǒng)。靜止無功補償器SVC的Ｕ－Ｉ特性SVC外特性表現(xiàn)為可控容抗，在一定范圍內(nèi)能以一定得響應速度跟蹤輸入得無功電流或容抗參考值。圖中所示為TSC-TCR型SVC得電壓-電流運行區(qū)域，包括三組容抗為得TSC，其中，Blmax為TCR得最大感抗，Ucmax

、Ulmax

、Icmax

、ILmax分別為TSC和TCR得耐受電壓和電流值。由圖中可以看出在SVC的感性范圍內(nèi)，會出現(xiàn)由于失去無功支撐而導致端電壓下降的不利情形。隨著補償容量的增加，端電壓呈上升趨勢，當然這也是有限度的。而且也是建立在感性傳輸阻抗的前提下，通常由于最小補償電感值與交流系統(tǒng)電壓的幅值嚴格限定了最大補償感性電流，所以SVC在感性范圍內(nèi)無法瞬時增加無功功率。顯然，在容性范圍內(nèi)SVC能提供增加的瞬時無功功率。在實際設計中，SVC電容組的大小是使它全部用來產(chǎn)生容性電流輸出所產(chǎn)生的無功大小來確定。

靜止無功補償器SVC的模型調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角就可以調(diào)整其等效阻抗，從而實現(xiàn)輸出感性無功的連續(xù)調(diào)節(jié)：晶閘管控制電抗器TCR可以看成由一個非線性可變阻抗ZTCR和一個諧波電流源iTCRh兩部分組成阻抗的性質(zhì)就處決于TCR觸發(fā)角的大小控制了，此時就相當于典型的FC+TCR型SVC，可以根據(jù)輸電線路需要提供合適的無功功率，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定或者功率因數(shù)的提高。

ＳＶＣ單相補償模型TCR模型靜止無功補償器SVC的穩(wěn)壓控制方法其作用過程為：將測量所得到的控制變量與參考電壓值相比較，然后將誤差信號輸入到控制器的傳遞函數(shù)，控制器輸出一個標幺值電納信號Bref，這個電納信號的大小應可以使控制誤差減小，并達到穩(wěn)態(tài)誤差為零，隨后將電納信號Bref送到觸發(fā)脈沖發(fā)生電路。由于容性無功由固定電容器完成，因此得到的電納信號Bref即為TCR所需的等效電納。SVC穩(wěn)壓矢量圖通過控制SVC的總輸出電流Ic可以使公共連接點電壓和電源電壓在幅值上相等，即，但兩者存在相位差。這樣便實現(xiàn)了電壓補償?shù)哪康摹?/p>

靜止無功補償器電壓穩(wěn)定控制及其不平衡補償技術

靜止無功補償器（SVC）就是利用電力電子技術，根據(jù)負載的變化情況迅速計算出補償電納，然后快速調(diào)節(jié)晶閘管的導通角及其可投切電容器，使SVC呈現(xiàn)出相應的等效電感（或電容），達到平衡補償?shù)哪康?。工程應用中，負載的實際導納參數(shù)很難檢測，所能檢測的主要是電壓和電流，因此該公式不可以直接使用。

SVC補償系統(tǒng)

靜止無功補償器電能質(zhì)量控制與補償技術研究配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯?、無功補償?shù)囊饬x、原理及方式2、靜止無功補償器（SVC）3、靜止同步無功補償器（DSTATCOM）4、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）配電網(wǎng)諧波抑制技術的研究1、諧波的起因及治理措施2、無源濾波技術3、有源濾波技術4、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPFC）電氣化鐵路功率補償技術的研究靜止同步無功補償器研究的現(xiàn)狀及優(yōu)勢1結構及原理分析2控制策略研究3靜止同步無功發(fā)生器的研究現(xiàn)狀

自從美國學者L.Gyugyi在1976年提出利用半導體變流器進行無功補償?shù)睦碚撘詠恚澜绺鲊鴮π滦挽o止無功發(fā)生器（STATCOM）的研究方興未艾。在國際上，日本關西電力公司與三菱電機公司共同研制并于1980年1月投運了世界上首臺STATCOM的樣機，它采用了晶閘管強制換相的電壓型逆變器，容量為20Mvar。1986年10月，由美國國家電力研究院（EPRI）和西屋公司研制的±1Mvar的STATCOM裝置投入運行，這是世界上首臺采用大功率GTO作為逆變器元件的靜止補償器。之后，日本關西電力公司與三菱電機公司又采用GTO研制了±80Mvar的STATCOM裝置，于1991年在犬山變電站投運。配電靜止同步無功補償器靜止同步無功發(fā)生器的研究現(xiàn)狀

美國EPRI與田納西電力局（TVA）西屋電氣公司合作，在TVA電力系統(tǒng)的Sullivan500KV變電站建造了±100Mvar的STATCOM裝置，于1996年10月投運。1997年，德國西門子公司將開發(fā)研制的8MVA的STATCOM裝置安裝在丹麥的Rejsby

Hede風場。在國內(nèi)這一領域的研究剛剛起步，華北電力學院曾研制出強迫換相的可控硅元件無功發(fā)生器實驗裝置，東北電力學院研制了GTO器件的STATCOM實驗裝置，作為原電力部重大科技攻關項目，1999年3月，由河南省電力局和清華大學共同研制的±20MvarSTATCOM在河南洛陽的朝陽變電站并網(wǎng)成功，這是國內(nèi)首臺投入應用的大容量柔性交流輸電裝置。配電靜止同步無功補償器DSTATCOM的優(yōu)勢DSTATCOM與傳統(tǒng)的無功補償裝置相比具有很多優(yōu)點：（1）STATCOM對電容器的容量要求不高。理論上STATCOM不需要儲能元件達到與系統(tǒng)交換無功的目的，因而可以省去常規(guī)補償裝置中的大電感或大電容及龐大的切換機構，使STATCOM的體積減小、損耗降低。（2）STATCOM具有相當快的響應速度，一般只需要幾十個毫秒就可達到穩(wěn)定，暫態(tài)特性較好，而自動投切電容器組裝置的響應時間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時間所限制，如果放電時間太少，則電容器的剩余電荷不能放電干凈，如再次投入可能會導致電容器發(fā)生過壓擊穿現(xiàn)象。（4）根據(jù)控制目的的不同，STATCOM既可以補償系統(tǒng)所缺無功，也可以穩(wěn)定接入點電壓。并且通過采用一定的控制策略，可以實現(xiàn)對諧波分量、負序分量和無功功率分量的綜合補償或單獨補償。（3）STATCOM可以發(fā)出連續(xù)可調(diào)的感性無功和容性無功，不僅可以應用在感性負荷場合，還可以應用在容性負荷場合，工作能力更強。配電靜止同步無功補償器DSTATCOM的結構及原理

靜止同步補償器(STATCOM)的基本原理就是將三相橋式變流電路并聯(lián)安裝在負載側，適當?shù)卣{(diào)節(jié)三相橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接調(diào)節(jié)其交流側輸出電流，就可以使該電路發(fā)出或者吸收滿足要求的無功電流，從而達到動態(tài)補償無功的目的。

三相橋式變流電路有電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型，所以STATCOM也分為這兩種類型。配電靜止同步無功補償器

電流型橋式變流電路是串聯(lián)二極管式晶閘管電流型橋式電路，其直流側采用電感來穩(wěn)定其直流側電流，其交流側要并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器才能并入電網(wǎng)；電壓型橋式變流電路是反并聯(lián)二極管式IGBT電壓型橋式電路，其直流側采用電容來穩(wěn)定其直流側電壓，其交流側要串聯(lián)上濾除高次諧波電流的電抗器才能并入電網(wǎng)。

在STATCOM兩種電路結構中，電壓型橋式電路的運行效率更高，故一般選用電壓型橋式電路作為主電路結構。

現(xiàn)在采用PWM調(diào)制的方式產(chǎn)生IGBT的門極控制信號，能夠實現(xiàn)實時跟蹤電網(wǎng)無功電流進行補償，同時由于IGBT開關速度非常快，使逆變器輸出波形非常好，僅在高頻段有部分諧波DSTATCOM的結構及原理配電靜止同步無功補償器STATCOM裝置總體構成圖DSTATCOM的結構及原理DSTATCOM主電路的原理STATCOM的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的補償電流，實現(xiàn)改善電能質(zhì)量的目的。主電路中的器件可以采用GTO、IGBT或IGCT等。其工作原理圖如上圖所示。下面將詳細分析STATCOM的動態(tài)補償原理。配電靜止同步無功補償器DSTATCOM的結構及原理DSTATCOM主電路的原理當僅考慮基波頻率并忽略其損耗時，STATCOM可以等效的視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，STATCOM的單相等效電路如右圖所示；配電靜止同步無功補償器DSTATCOM的結構及原理DSTATCOM主電路的原理上圖中Us和分別表示電網(wǎng)電壓和STATCOM輸出的交流電壓，而表

示電抗器L上的電壓，即Us和U，的相量差，根據(jù)基爾霍夫電壓定律知，Us=+。連接電抗器的電流就是STATCOM從電網(wǎng)側吸收的電流，可以通過U：，來控制。則連接電抗上的電壓即為Vs和Vo的向量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。因此，改變STATCOM交流側輸出電壓yD的幅值及其相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制STATCOM從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了STATCOM吸收無功功率的性質(zhì)和大小。

在圖(a)等效電路中，將連接電抗器視為純電感，沒有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不必從電網(wǎng)吸收有功能量。在這種情況下，只需使Vs和Vo同相，僅改變yD的幅值大小即可以控制STATCOM從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后系統(tǒng)電壓900，并且能控制該電流的大小。配電靜止同步無功補償器建立DSTATCOM單相等效電路時，變流器的損耗是歸算在連接電抗的電阻里考慮的，所以可認為等效電路中歸算后變流器無需有功能量，所以變流器電流與其電壓相位差是90°。配電靜止同步無功補償器由STATCOM電壓滯后時的等效相量圖可知，交流側輸出電壓、電網(wǎng)電壓和連接電抗壓降構成矢量三角形關系，由正弦定理可得電流與電網(wǎng)電壓的相位差是90-，由此可得DSTATCOM從電網(wǎng)吸收的有功電流有效值Ip和無功電流Iq有效值分別為：同時可得：由以上公式可知，在不是太大的情況下，與IQ接近正比關系，穩(wěn)態(tài)下DSTATCOM交流側輸出電壓與也成一一對應關系，通過控制就可以控制補償無功電流的性質(zhì)和大小。DSTATCOM雙環(huán)控制策略傳統(tǒng)的雙閉環(huán)串級控制和前饋解耦控制策略

電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)串級控制策略

D-STATCOM電壓雙閉環(huán)控制原理圖配電靜止同步無功補償器

D-STATCOM采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級控制策略時存在以下不足：（1）有功/無功控制通道存在耦合現(xiàn)象，不利于有功電流和無功電流的獨立控制，影響裝置的響應速度和補償性能；（2）控制器設計復雜，PI參數(shù)難以調(diào)整。由于D-STATCOM電雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)嵌入了4個PI控制器，這些PI調(diào)節(jié)器之間的調(diào)節(jié)會相互影響，因此給控制器的設計帶來了困難，控制器參數(shù)的設計不當有可能會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。DSTATCOM雙環(huán)控制策略配電靜止同步無功補償器前饋解耦控制策略電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制原理圖

盡管D-STATCOM控制器中電流內(nèi)環(huán)采用了前饋解耦控制策略，但控制系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的數(shù)目并沒有減少，與傳統(tǒng)的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)串級控制策略相比仍然存在PI調(diào)節(jié)器參數(shù)難以整定這一同樣的缺陷，且這種解耦控制也只是一種近似的解耦。DSTATCOM雙環(huán)控制策略配電靜止同步無功補償器D-STATCOM不平衡控制策略當電網(wǎng)電壓不平衡時，D-STATCOM逆變器的輸出電壓中不僅含有正序分量，還含有基波負序和三次諧波分量。其中基波負序和三次諧波分量的出現(xiàn)是由于直流側電容兩端波動電壓經(jīng)開關函數(shù)調(diào)制映射到D-STATCOM逆變器輸出端的結果。D-STATCOM逆變器輸出端的基波負序和三次諧波電壓進而會導致D-STATCOM逆變器的輸出電流中也含有基波負序電流和三次諧波電流?；ㄘ撔螂娏骱腿沃C波電流注入電網(wǎng)會給電網(wǎng)造成不良影響。除此之外，基波負序電流和三次諧波電流流經(jīng)D-STATCOM還會對D-STATCOM裝置的安全運行構成威脅（因過流而退出運行）。配電靜止同步無功補償器用于抑制裝置過流的負序電壓前饋控制策略

當D-STATCOM采用改進的開關函數(shù)后，D-STATCOM系統(tǒng)的等效電路可以重新用正序和負序等效網(wǎng)絡表示：可見，D-STATCOM采用對稱控制時，由于連接電抗的等效阻抗值較小，在電網(wǎng)電壓不平衡條件下極易產(chǎn)生過流而退出運行。D-STATCOM不平衡控制策略配電靜止同步無功補償器采用負序前饋控制時D-STATCOM的負序等效電路如果我們通過不平衡控制策略使得D-STATCOM逆變器輸出負序電壓的幅值和電網(wǎng)電壓中的負序分量相等、相位相同即可實現(xiàn)流經(jīng)D-STATCOM逆變器的負序電流為零，達到抑制負序電流的目的，從而提高了D-STATCOM裝置在電網(wǎng)電壓不平衡條件下的可靠性。

D-STATCOM不平衡控制策略配電靜止同步無功補償器負序電壓前饋控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖D-STATCOM不平衡控制策略配電靜止同步無功補償器不平衡補償時D-STATCOM的等效電路：用于補償電網(wǎng)電壓不平衡的正、負序雙環(huán)疊加控制策略負序電壓指令形成電路正序負序D-STATCOM不平衡控制策略配電靜止同步無功補償器不平衡雙環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理圖D-STATCOM不平衡控制策略配電靜止同步無功補償器電能質(zhì)量控制與補償技術研究配電網(wǎng)無功補償?shù)难芯?、無功補償?shù)囊饬x、原理及方式2、靜止無功補償器（SVC）3、靜止同步無功補償器（DSTATCOM）4、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）配電網(wǎng)諧波抑制技術的研究1、諧波的起因及治理措施2、無源濾波技術3、有源濾波技術4、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPFC）電氣化鐵路功率補償技術的研究動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）世界上的第一臺DVR裝置由美國西屋公司研制成功，并于1997年8月在美國DUKE電力公司投入運行[15-18]，西門子公司在1999年的IEEE會議上介紹了他們的DVR的運行情況。ABB公司在2000年IEEE會議上介紹了安裝在瑞士的DVR的運行情況。在日本，柱上式DVR也已經(jīng)投入運行。這些裝置的運行目的