现代生产设备对供电质量的要求与对策研究

【摘 要】 随着现代科学技术的快速发展，计算机控制系统的大量使用，使生产设备的自动化、智能化程度日益提高，同时也对生产设备的供电质量提出了更高的要求，特别是预防电网过电压问题。

【关键词】 科学技术 计算机控制系统 电网

为了保证用户的供电质量，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（包括来自系统侧的和用户侧的）干扰对电能质量的污染。近年来配电系统电能质量控制技术得到了长足的进步，其中最有代表及最有影响的有不间断电源（UPS），配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM），有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF），动态电压调节器（DVR），统一电能质量控制器（UPQC），固态切换开关（SSTS），分布式发电系统（DG）等等。本文将除分布式发电系统之外，一一进行阐述。

1 配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM）

配电系统中存在大量的快速冲击负荷，如电弧炉负荷，会引起电压闪变，引起系统电流与电压的不平衡。传统上人们采用静止无功补偿器（SVC）来抑制电弧炉引起的电压闪变，但由于SVC装置的响应速度慢（几十毫秒以上），SVC装置抑制闪变难以达到50%。与SVC装置相比，采用PWM控制的与电力系统并联的电压源变流器即配电系统静止无功补偿器（DSTATCOM）具有动态响应速度快（响应时间小于10ms），补偿电流不依赖于系统电压，谐波抑制能力强，抑制电压闪变效果好（抑制电压闪变可达20%以下）以及占地面积仅为同容量SVC装置的50%，有功损耗可比SVC低两个百分点等优点，因此DSTATCOM装置逐渐取代SVC装置在配电系统中获得越来越广泛的应用。目前国内已经对DSTATCOM装置应用于配电系统抑制电压闪变，补偿负荷不平衡进行了广泛深入的研究，DSTATCOM装置已在配电系统中有了工业应用。

2 动态电压调节器（DVR）

据统计，电力系统中供电问题大部分都是时间在几毫秒到500ms的电压动态跌落与升高，而不是电压完全中断，为了防止这种类型的动态电压质量问题对敏感负荷造成的影响，人们研制了动态电压调节器装置。它是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，该装置能在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，是抑制动态电压干扰的有效补偿装置。它主要由储能单元、DC/AC逆变器模块、连接变压器等部分组成，DVR装置只补偿系统电压中因干扰而缺失的部分，通常只需负荷容量的1/5～1/3。决定DVR成本的是补偿电压的最大值和负荷电流，而该值可根据用户电压跌落统计数据确定；逆变器模块一般采用由IGBT构成三相全桥结构，采用PWM调制方式，这种结构控制灵活，便于分相补偿。目前DVR的最大容量已达8MVA，在消除电压跌落、提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果。

3 有源电力滤波器（APF）

随着大量非线性负荷特别是电力电子装置在电力系统中的大量应用，其产生的谐波已经成为电力系统中的公害。由于有源滤波器可以看作可控的电流源，因而可以主动快速补偿负荷的谐波、无功功率或不平衡电流，而且这些不同的电流成分可以按需要分别补偿，从而使非线性负荷流入系统的电流为基波电流、基波正序电流或纯基波正序有功电流。由于有源滤波器具有完全主动的补偿能力，可以不受系统阻抗特性的影响，其关键技术主要有：谐波的快速检测，变压器的选择，有源滤波器的控制方法等。其中谐波快速检测方法已经形成了瞬时无功功率方法，快速傅里叶分析方法，自适应检测方法等，其中基于瞬时无功功率的方法及其改进型是目前应用最为普遍的方法。

4 统一电能质量补偿装置（UPQC）

APF可以解决负荷的动态电流质量问题，而DVR可以解决系统的动态电压质量问题，如果把APF和DVR组合起来，则可构成能同时补偿电压趺落、瞬时电压中断、谐波电流和谐波电压、电压闪变、系统不对称等电能质量问题的综合补偿装置，称为统一电能质量控制器（UPQC）。UPQC结合了电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两者的功能：（1）在供电电压出现暂态或是稳态故障的时候，UPQC可以维持负载侧的电压为标称值。（2）UPQC可以提供非线性负载需要的谐波电流，从而保证系统电流的质量。（3）UPQC可以提供负载所需要的无功，使系统电流和电压同相，提高负载的功率因数，不需要额外的功率因数校正装置。（4）并联单元可为串联单元直流侧提供能量，

5 固态切换开关（SSIS）

对于敏感负荷，为了保证可靠供电，一般需要供给两路独立的电源。一路运行，一路作为备用。一旦运行的电源出现故障，将敏感负荷迅速切换到另一路备用的电源是提高供电可靠性的重要措施。固态切换开关就是完成这种工作的，主电源供电正常时，负荷通过主电源及快速机械开关1供电，固态开关1断开，固态开关2及快速开关2都处于断开状态，这样可以大大减小运行时的损耗。一旦检测到主电源电压异常，快速开关1迅速断开（一般为4毫秒以内），固态开关2等快速开关1断开后立即触发导通，然后再合上快速开关2，等快速开关2合上后，断开固态开关2，正常情况下让负荷通过快速开关2供电，减小损耗。由备用电源切换到主电源的过程类似。由固态切换开关的工作原理可以看到，为了保证负荷的连续供电，要求快速开关能快速切断（一般要求几个毫秒以内），快速开关合上时速度不要求很快，因为固态开关由晶闸管构成，具有很快的速度（微秒级），因此由固态开关完成快速供电的过程。

基于以上分析研究，我们可以看出改善电能质量问题是一项系统工程，从电能质量问题现状的调研，电能质量的监测、评估，污染源的定位，合理的控制和补偿方案的设计，工程实施，到政策法规的制订等，有大量系统的配套的研究和开拓工作需要进行。

由于电能质量问题与供电系统、用户及其用电设备特性都有关，尤其是动态电能质量问题，无论是供电部门，还是用户、敏感设备制造商，都无法独自解决，所以，为了更好地改善电能质量，需要建立系统、合理的电能质量评估体系，并依此建立有效的经济杠杆以激发各方对电能质量问题的重视。