利用电能质量调节器改善配电网络的电能质量

摘要：无论是在工业化国家还是在发展中国家，供电质量，尤其是电压质量正变得日益重要。

供电质量低将使产品质量降低，严重时还可能导致某些重要的生产过程中断，从而造成严重的经济损失。

随着越来越多电子设备的使用，对电压质量的要求也越来越高。

解决供电系统中的谐波及电压突变等问题，提高供电质量已迫在眉睫。

文章讨论了电能质量的主要问题，并介绍了采用基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）变换器的电能质量调节器装置改善电能质量的情况。

关键词：电能质量；用于配电系统的FACTS装置；电能质量调节器1引言电能质量直接影响电力系统的供电安全及供电质量。

电能质量低将会对系统设备的安全运行产生不良影响。

对此，各国已经制定了一系列的电业标准和规则［1，2］，对系统电压闪变和谐波畸变水平作了限制。

随着对供电质量要求的不断提高，对系统允许畸变的水平将会作出更加严格的规定。

然而，从目前许多实际系统的运行情况来看，系统中存在着严重的电流畸变现象，其畸变及闪变水平已经达到甚至超过了所规定的上限。

因此，必须采取措施来抑制它们的影响。

在越来越多的工程实践中，传统的装置已无法有效地抑制电能质量的下降。

例如，传统上常采用LC或者LCR无源滤波器组的方法来抑制谐波畸变。

采用无源滤波器来消除系统谐波，有可能导致滤波器与网络阻抗间的并联谐振和抹除供电网中传播的载波信号。

同时，无源滤波器将向电网注入无功电流，在以二极管整流器作为主要用电设备的网络中，不必要地产生超前功率因数。

如果使用有源滤波器，则可以有效地避免上述问题。

有源滤波器调节灵活，其动态特性较之于无源滤波器有较大改善［3，4］。

特别是采用串联有源滤波器来改善由于某种原因（如雷击）引起的电压下降，比目前所用的UPS（不间断电源）将更为经济、有效。

本文将介绍用于改善中、低压配电网电能质量的一种新型通用电能质量器，它采用标准的、基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）脉宽调制技术的变流器，其额定容量为4kVA～1200kVA［5］。

结合配电系统中典型的电压质量问题，介绍不同的电能质量调节器解决方案，并提供其现场测量和仿真结果。

2电能质量供电质量包括电压质量和供电可靠性。

决定电压质量的指标可以归纳为：·电压波动和闪变；·谐波；·电压不对称；·电压降低和供电中断。

（1）电压波动和闪变虽然有些波动在正常的电压变化限度以内，但足以产生10Hz左右的照明闪烁，或者干扰诸如电子计算机之类的电压敏感型装置的正常运行。

电压的波动，无论是随机的还是周期性的电压变化，都可能是由开关动作或者与系统的短路容量相比足够大的负荷变动而引起的。

这些电压波动和闪变大多产生于配电网，并通过配电变压器无衰减地传递到低压侧的用户端。

电压波动和闪变主要来源于工业负荷，如电弧焊接机、轧钢厂以及电弧炉等。

电容器组投切也可能产生快速的电压变化。

（2）谐波随着低脉冲电力电子装置的广泛使用，中、低压配电网中的谐波畸变量也将不断上升。

电子计算机和电视机的电源所产生的谐波电流幅值与其基波电流数量级相同。

荧光灯会在电网中产生相当大的谐波电流。

在低压网中，3次和5次谐波分量较大。

由于变压器低压侧采用三角形接法，由低压侧传递到中压侧配电网的主要谐波是5次谐波分量。

如果某些工业用户将电流变换器直接接在中压配电网上，则会产生幅值较高的5次、7次、11次以及13次谐波分量。

（3）电压不对称导致供电电压不对称的主要原因是三相间单相负荷分布不均匀。

在配电系统中，不换相线路，各种不平衡工业负荷尤其是用于铁路系统的单相馈线等，都会导致电压不对称。

这种电压不对称，会影响变换器及其控制系统的正常工作并改变其设计性能，从而产生某些附加的非特征谐波分量。

（4）电压降低和供电中断当系统中发生故障时，用户端的一相或者多相电压可能会降低到其允许值以下。

在系统实际运行中，出现因故障导致电压降低到其额定值的70％及以下的情况比发生完全短路故障更为常见［6］。

电压降低或者供电完全中断，一般会持续100 ms到数秒甚至更长时间，直至故障切除、线路重合或者电力馈线修理完毕。

最长供电中断时间取决于网络结构以及保护配合方案。

对供电可靠性的要求越高，即供电中断发生的概率越低，中断时间越短，所需要的投资也就越高。

表1总结了三种电能质量调节器的结构和性能。

由该表可得出如下结论：如果为了提高用户端电压质量，使用串联电能质量调节器比较合适；相应地，如果要减少负荷电流的畸变或者降低电压闪变对网络的干扰，并联连接方式更为有效。

串并联组合方式兼有串、并联连接的优点：既能调节负荷电压又能抑制负荷变化对网络的干扰，因此更加灵活。

3电能质量调节器电能质量调节器由两个主要部件组成：电流变换器和蓄能装置。

换流装置采用基于IGBT的脉宽调制技术、用于电力机车调速装置的电流变换器。

因此，不需要其他附加的控制元件。

电流变换装置可与各种蓄能装置相连，构成完整的电能质量调节器。

作为蓄能装置，可以是化学电池，飞轮甚至是SMES（超导磁场蓄能）。

然而，无论是何种蓄能装置都必须与电能质量调节器的直流电容器相并联。

与传统的电能质量调节方式相比，电能质量调节器的调节响应更加快速、灵活。

图1、图2和图3分别展示了电能质量调节器的3种主要类型。

电能质量调节器的结构和控制方式与用于输电系统、基于GTO技术的FACTS（灵活交流输电系统）装置有许多相同点［7，8］。

因此，电能质量调节装置也常被称作配电系统的FACTS（DFACTS）［9］。

正如第2节所述，电能质量调节器与系统相连的方式取决于其使用目的。

一般来说，并联电能质量调节器用于调节由负荷流入网络的电流，以降低非正弦波分量；串联电能质量调节器用于调节网络提供给负荷的电压质量，从而可改善负荷侧电压降低的情况。

在实际工程中也可以将并联电能质量调节器和串联电能质量调节器组合起来，构成串并联电能质量调节器。

这种调节器可用于在同一地点需要实现上述两种调节功能的场合。

此外，串并联电能质量调节器还可以抑制电压振荡。

在某些工程中，将电能质量调节器和无源滤波器组合起来的混合方案可能更为经济。

3．1并联电能质量调节器并联电能质量调节器以三相形式与系统并联，其接入点通常在网络和负荷之间。

当并联电能质量调节器与69kV以上电压等级的网络相连时，应通过耦合变压器实现。

并联调节器的工作原理为：并联电能质量调节器向PCC（共同耦合点）注入电流，对负荷电流中的谐波分量进行补偿。

从而抑制负荷电流的谐波分量，达到提高电能质量的目的。

并联电能质量调节器有两种运行方式，即标准方式和闪变方式。

（1）标准方式标准运行方式实现4种不同的调节目标，用户可以制定各目标的优先级次序。

在标准方式下，并联电能质量调节器可同时实现下列4个调节目标：1）有源滤波它首先测量由负荷流向网络的电流，并将其分解成基波分量和谐波分量，然后向负荷注入某些特定频率的电流，使得有害谐波电流只流经并联电能质量调节器和负荷，而不注入网络。

并联电能质量调节器不是对所有谐波都有效，它只能消除某些特定的谐波，如5次和7次谐波，最高到13次谐波。

由于只过滤有害谐波，并联电能质量调节器的容量相对较小，比较经济实用。

它的另一优点是，有源滤波不会影响与谐波频率相近的载波信号。

2）无功补偿可以动态地产生容性或感性的连续变化的无功功率，可以实现功率因数控制（cosφ控制）。

3）动态负荷平衡可以向PCC注入正序和负序电流，以消除由不平衡负荷产生的负序电流，实现负荷平衡。

4）有功功率传送连接在直流电容器的蓄能装置可以通过它向网络传送有功功率。

（2）闪变方式电压闪变是由突然的、随机的负荷电流变化而引起的，其频率在10Hz左右。

电压闪变可能导致共同耦合点（PCC）电压下降。

因此特别为并联电能质量调节器开发了一套辅助闪变算法，其响应时间为毫秒级。

闪变产生的原因很多，但主要是以下2种：1）电弧炉，其主要特征是产生频率约为9－10Hz的负荷电流幅值变化；2）以单相或者两相负荷方式连接的焊接机，其特点是产生较大的不对称电流。

一般说来，为了降低负荷侧的闪变对系统的危害，必须采用快速、动态的补偿方法，以便能快速响应负荷电流的变化。

电能质量调节器电流控制的响应时间应少于半个周期，以便能动态地抑制负荷电流的波动。

最近在德国北部安装了一台工业用并联电能质量调节器，这是目前欧洲容量最大的电能质量调节器，自1996年12月至今，一直运行正常。

图4为其与系统相连的单线图，图5为时域和频域的现场测量结果。

该并联电能质量调节器的容量为610kVA，装置的主要作用是将由二极管整流器产生的5次和7次谐波控制在设定值以下。

采用电能质量调节器而不采用传统的LC滤波器的主要原因是因为LC滤波器会向网络注入多余的无功功率，并且可能对电力系统中传送的载波信号产生干扰。

3．2串联电能质量调节器串联电能质量调节器通过一个耦合变压器连接到配电网络中（如图2所示）。

安装该装置的目的是补偿供电网络中存在的暂态或稳态电压畸变，以保证负荷侧的电压质量，从而维持敏感负荷的正常运行。

下面将通过在配电电压等级（13．8kV）进行补偿的例子，说明如何利用电能质量调节器来提高负荷电压，以减小因电压下降对敏感负荷的影响。

如图6所示，对短期电压下降非常敏感的工业负荷接在变压器的低压侧，串联电能质量调节器串接在变压器和负荷之间。

采用这种结构，可以抑制因系统故障而引起的负荷电压下降。

在电压持续2到3个周期低于额定电压80％的情况下，该负荷将会被自动切除。

这个例子中的变电站69kV母线的短路容量为450MVA，工业负荷容量为6MVA，最小功率因数为0．92，在计算中假设其特性为恒阻抗负荷，短路故障发生在图中最下方的配电变压器低压侧。

利用NETOMAC对系统进行了动态仿真［11，12］，得出了在特定的短路故障条件下，公共耦合节点（PCC）电压的变化以及串联电能质量调节器的暂态特性。

图7和图8为仿真计算的结果，其中图7为对三相故障进行补偿的结果，图8所对应的故衔 菏紫确⑸ 桓龅ハ喽缘毓收希⊿LG），然后故障继续恶化，最后导致新的两相对地故障（2L－G）。

（1）三相故障图6所示的三相故障将导致13．8kV侧母线电压下降50％，串联电能质量调节器对此进行了补偿，使负荷电压维持在额定电压的88％左右，高于维持该工业过程持续运行所需的最低电压，即额定电压的80％。

串联电能质量调节器可在其所设计的最大电压值范围内对电压下降进行补偿。

如果负荷侧电压下降幅度太大，以致所需要的补偿电压超过了设计的最大值。

此时，控制器“软”限幅环节将启动以避免脉宽调制控制器发生过调。

这种情况下，负荷侧电压将低于所允许的电压下限，但串联电能质量调节器仍将提供最大限度的补偿，以阻止负荷电压的进一步下降。

（2）单相故障一个单相对地（SLG）故障发生在图6所示母线上，由于变压器采用星型三角型接法，在补偿点测量不到故障点所产生的零序电压分量，所以串联电能质量调节器补偿电压只含正序和负序分量。