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电能质量控制装置

1 引言
20世纪80年代以来，随着高压、大功率电力半导体器件的不断更新和发展，功率变换技术的日臻完善，非线性电力电子器件和装置在现代社会中得到了广泛应用。电力电子装置的广泛使用，一方面使得系统的自动化程度不断提高，系统的可靠性逐步改善，给电力系统自动化带来了很大的变革；另一方面，电力电子技术的发展同时也给电力系统带来许多不稳定因素，致使电网中电能质量日益恶化，电力系统的污染日趋严重。
面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术手段、自动化水平低的现状，研究电网谐波治理和无功补偿新技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义。如何消除谐波污染并提高功率因数，从而提高电能质量，已成为输配电技术中最为迫切的问题之一。
为了保证电能质量，改善电能质量的措施，一方面要加强输电系统的输送能力和运行安全性，保证对配电系统的供电可靠性，另一方面应抑制或消除各种干扰对电能质量的污染。其中研究较多的是基于电力电子的技术FACTS和DFACTS技术。
2 FACTS和DFACTS技术
柔性交流输电系统（FACTS）也称灵活交流输电系统，它是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于控制交流输电的新技术。FACTS的主要内容是应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电参数以及网络结构的快速灵活控制，以期实现输送功率的合理分配、降低功率损耗和发电成本，并大幅度地提高系统的稳定性、可靠性。
目前主要的FACTS装置有晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、晶闸管控制串联电容器（TCSC）、静止同步补偿器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）等。其中串联补偿装置（如TSSC、TCSC）能使输电线路的阻抗变小，从而相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段；而并联补偿装置（如STATCOM）通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变、不对称和提高系统稳定性的有力工具。UPFC则综合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等多种功能。配电系统柔性输电（DFACTS）技术是FACTS技术在配电系统中的扩展。DFACTS装置具有更快的响应特性，是解决电能质量问题的有效工具。目前主要的DFACTS装置包括有源滤波器(APF)，动态电压恢复器(DVR)，配电静止同步补偿器（DSTATCOM），固态切换开关(SSTS)等。其中APF是补偿谐波的有效工具；而DVR通过自身的储能单元，能够在毫秒级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压跌落的有效装置。
本文对DFACTS中的有源滤波器和FACTS中静止无功补偿器进行介绍。
3 有源滤波器
有源电力滤波器的思想在20世纪70年代就被提出，然而在70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入80年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，新型电力半导体器件的出现，电力电子器件的导通容量、开关频率特性大大提高，PWM控制技术日益成熟。尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了三相电路瞬时无功功率理论，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。
目前，有源滤波器的谐波电流检测方法主要有p-q算法，d-q算法，p-q-r算法及矢量理论算法等基于瞬时无功功率理论的算法。但这些算法有不足之处，仍需改进。例如p-q算法不考虑电源电压的谐波和不平衡分量，只适用于电压为三相正弦对称的系统；d-q算法在电源电压非正弦对称时，不能保证补偿前后有功功率不变；p-q-r算法不考虑谐波和不平衡分量引起的功率，无法用于不对称非正弦系统；矢量理论算法在电源电压含有谐波成分时，不能保证电源侧电流为三相正弦对称。
有源电力滤波器系统由两部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。指令电流运算电路的核心是检测出待补偿对象电流中的谐波分量，补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的参考信号，产生实际的补偿电流。主电路一般采用PWM变流器。有源滤波器其基本工作原理是：检测作为补偿对象的电流，经指令电流运算单元计算出需要补偿的电流的参考信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流注入主电路，与负载中需要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的负载电流波形。
4 静止无功补偿器（SVC）
SVC通过控制无功的手段解决系统中存在的稳定性、电压波动等问题。SVC的应用可以分为两个方面：系统补偿和负荷补偿。作为系统补偿时，它的作用有：维持输电线路上节点的电压，减小线路上因为功率流动变化造成的电压波动，并提高输电线路有功功率的传输容量和电网的静态稳定性；在电力系统故障情况下，快速稳定电压，维持线路输电能力，提高电网的暂态稳定性；增加系统的阻尼，抑制电网的功率振荡；在输电线末端进行无功功率补偿和电压支持，提高电压稳定性等等。作为负荷补偿时，SVC的作用有：抑制负荷变化造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数，优化电网的能量流动；补偿有功和无功负荷的不平衡等。
SVC有多种结构和类型：饱和电抗器（Saturated Reactor，SR）、晶闸管控制的电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）、晶闸管控制的高阻抗变压器（Thyristor Controlled Transformer，TCT）、晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）、具有TCR和TSC的混和型静止无功补偿器等。其中，具有TCR和TSC的混和型静止无功补偿器相对于其它类型而言具有较好
一种比较常用类型的SVC由TCR、TSC、降压变压器、滤波器组和控制设备组成。其基本功能是控制设备根据指定的控制策略，通过触发晶闸管阀，适当地投切电容器组，并控制电抗器的电流，调节补偿器输出的无功功率，来控制补偿器与电网连接点的电压。
5 结语
目前，在抑制或消除各种干扰对电能质量的污染方面，各项技术已有长足进步，相信随着电力系统的飞速发展、自动化水平不断提高,特别是计算机在电力系统中不断普及以及各种先进的技术的应用,相信电能质量控制领域将得到长足发展与广泛应用。