统一电能质量调节器检测与控制技术研究

的电能质量控制装置的设计与实现。我国在电能质量方面的研究也较多，但主要在谐波与无功补偿范围，而其他许多方面还可谓起步阶段[1]。从技术含义上讲，电能质量问题主要应包括以下两个方面：（1）电压质量和供电可靠性。这主要是对供电部门的供电要求。

包括：过电压、欠电压、频率偏差、电压跌落、电压突升、电压波动、电压波形畸变、三相电压不平衡、电压中断等。（21）电流质量。这主要是对电力用户的用电要求。包括：电流谐波、无功电流、三相电流不平衡等。随着电力用户对电能质量敏感程度的提高，电能质量的定义和内涵亦会随之在不断发展，总的趋势是分得更细和要求更高。

1.2.1 电能质量扰动分类电力系统中存在的供电质量问题有：（1）电压中断或断电（Interruption, Outage） 在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于 0.1p.u.）称为断电。断电按持续时间长短分为三类：瞬时断电（0.5 周期~3s）、暂时断电（3s~60s）、持续断电（大于 60s）。（2）频率偏差（Frequency Deviation） 各国对此均已作出具体规定。- 4 -第 1 章 绪论（3）电压凹陷或电压下跌（Sag, Dip） 文献[11,16]称其为电压暂降。持续时间为 0.5 周期~1min，幅值为 0.1p.u.~0.9p.u.，系统频率仍为标称值。（4）电压上升或称浪涌（Swell） 持续时间为 0.5 个周期~1min，幅值为 1.1p.u.~1.8p.u，系统频率仍为标称值。（5）瞬时脉冲或突波（Impulse, Transient） 瞬时脉冲是在极短时间内在两个连续稳态之间发生的一种电压变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。（6）电压波动与闪变（Voltage Fluctuation and Flicker） 电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出 0.9p.u.~1.1p.u.电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。（7）电压切痕（Notch） 电压切痕是一种持续时间小于 0.5 周期的周期性电压扰动。电压切痕主要是由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率很高，用常规的谐波分析仪很难测量出来，这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。（8）谐波（Harmonics） 含有基波整数倍频率的电压或电流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷的非线性特性造成的。（9）间谐波（Interharmonics） 含有基波非整数倍频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波的主要来源是静止变频器和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置发生视觉闪变。（10）过电压（Overvoltage） 过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于 1min。过电压的幅值为 1.1p.u.~1.2p.u.，频率仍为标称值。（11）欠电压（Undervoltage） 欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于 1min。欠电压的幅值为 0.8p.u.~0.9p.u.，频率仍为标称值。

1.2.2 电能质量问题的危害现代化工商业已大量采用计算机系统、机器人和精密控制设备等，它们对电力扰动十分敏感。任何一种电能质量问题都有可能影响正常的生产和生活。特别是对计算机控制、半导体工业、信息技术产业以及精密制造业等现代高科技产业的影响巨大。在工业和生活的用电负载中，阻感性负载占有很大比例。含有电感的阻感性负载，必须吸收无功功率才能工作，所以需要系- 5 -哈尔滨工业大学工学博士学位论文由上可知，电力系统和电力用户供需双方间可能或已经存在着不可调和的矛盾，若仅仅依靠电力系统自身的传统手段解决和约束用户都不可能从根本上解决上述的矛盾，需要采取新技术，新设备来处理上述问题。电能质量问题与其解决途径越来越引起国内外有关人员及机构的严重关注。其中，美国学者N.G.Hingorani博士于 1988 年首先提出了用户电力（Custom Power）的新概念及新技术[1,2,3]；日本学者于 1996 年提出了FRIENDS(Flexible, Reliableand Intelligent Electrical eNergy DeliverySystem)供电新概念及新技术[4]。

我国学者将这一新技术称为定质电力[5]或定制电力[6]或DFACTS技术[7]或FEED技术[8]或柔性配电技术[9]。上述概念虽然在名称上各不相同，但其实质内容都是一致的，都是针对现代信息社会的发展对提高供电可靠性、改善电能质量的迫切要求和所应采取的先进技术手段。就世界范围而言，在电力市场条件下，不同用户需要不同质量的电力商品，用电要求更加个性化，供电公司不仅要满足用户对电量不断增长的需求，还必须满足用户对电能质量的多样化要求，电力用户与供电公司都在追求自己的最大利益。用户电力新技术正迎合了电力市场中供需双方的这种利益要求，此新技术的实现，可更好地保障用户正常、安全生产的秩序，可使电力用户提高生产效率和产品质量；对供电公司来讲，可提高电网和电气设备的安全、经济运行水平，可减少在电力市场条件下的停电补偿费，电力商品按质论价，可增加售电收益，树立为用户服务的良好形象，用户至上，增强企业竞争力。在我国，为了满足广大电力用户不断增长的用电需求，国家电力公司进行了大规模的城网、农网改造，供电质量和可靠性得到了明显改善，基本上满足了大多数一般电力用户的要求。但是对特殊的敏感电力用户来说，供电可靠性和电能质量还需进一步提高，这种情况在高新技术产业开发区最为明显，外商已对我国的供电质量问题相当关注，这直接关系着外商在中国的发展，特别是中国加入WTO后供电质量问题将更为突出。因此，原国家电力公司制订的 2001~2005~2015 年科技发展规划中明确将“电能质量的分析与控制技术”列为重点研究课题。可见电能质量分析与控制技术的研究不仅是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必需的，而且也是国民生产、生活趋于国际化发展的紧迫现实需求。

总之，电能质量分析与控制的研究课题已成为从国外到国内、从电力公司、电力用户、电力设备制造厂商到大学、科研院所普遍关心的研究热点，“电能质量”一词已成为现代电力系统中频繁出现的术语。IEEE已将其电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量国际学术- 2 -哈尔滨工业大学工学博士学位论文统提供必要的无功功率。电力电子装置和变压器等非线性装置也要消耗无功功率，特别是相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等相控装置，在工作中基波电流滞后于电压，要消耗大量的无功功率，这些装置还会产生大量的谐波电流，同时需要消耗一定的无功功率。目前，电力电子装置已经成为最大的干扰源，尤其整流装置，所以无功功率和谐波的治理也是非常突出的电能质量问题之一。电压的瞬变、波动、缺口等作为一种扰动信号，虽然作用时间短，但幅值瞬间波动却比正常时大得多，而且扰动作用可能是脉冲性的、重复性的、振荡性的，这都足以影响或损坏越发敏感的电子设备的正常工作。

电压的过压或欠压、上升或跌落，都会对设备的正常工作产生影响或损坏。电压的瞬时或持续中断，会造成生产线的巨大损失；对于计算机系统有可能造成计算机的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失；对一些重要场合，如银行结算中心、证券交易系统、电信和移动电话通信系统、航空管理系统、大规模集成电路生产线及各种自动化生产流水线、医用监控系统、公路和铁道调度以及售票系统等等，瞬时的电压中断都会产生不可估计的严重损失。

基波无功功率对电网的影响有以下几个方面：（1） 增大了设备的容量。无功功率的增加，将导致电流增大和视在功率的增加，从而使发动机、变压器和其他送配电设备的容量和导线容量增加。同时也使用户的起动和控制设备、测量仪表的尺寸和规格加大。（2） 设备和线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而设备和线路的损耗增加。（3） 使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性负载，还可能使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。谐波的危害大致有以下几个方面：（1） 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率，大量的 3 次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾。（2） 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大，可能出现局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3） 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使得前面两方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4） 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5） 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通