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[摘 要] 电能是一种最为广泛使用的能源，人们对电能质量的要求也越来越高。电网中存在谐波、无功、电压闪变及负序电流等问题,严重影响电能质量,危害电力设备。随着电子技术和控制技术的迅速发展，传统解决电能质量问题的措施往往只能消除某個方面的危害。
[关键词] 电能质量 谐波 负序电流
1.影响电能质量的因素
1.1电网谐波及其危害
谐波从电能使用开始就存在，1893年谐波引起电动机绝缘和过热问题后，谐波问题开始得到关注。电网中的谐波主要包括各种整流装置、电弧炉、交流调压装置、变流装置、家用和办公电器、照明设施和一些铁磁非线性设备等等。所有这些非线性设备使电网中的电压、电流波形发生畸变，从而产生谐波。谐波常造成一些电力设备无法正常工作，严重时会损坏设备，造成电力系统事故等。
1.2无功功率
(1)频繁的无功功率负载冲击会使线路及变压器的电压增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。(2)增加电网上所连设备的容量。由于无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增大，要求用电设备的容量相应增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。(3)降低输、变电设备的供电能力，增加设备和线路的损耗。
1.3电压不稳定及三相负序电流的危害
电压不稳定包括电压跌落、电压波动和电压闪变。电压跌落一般是由于电网中大容量负载投入而引起，它对电压敏感性负载影响很大。当电压跌落超过一定幅值，可能造成工控计算机程序运行出错，造成生产工程中断。电压波动是指工频电压包络线的一系列变化或周期性变化，可以看成是以工频电压作为正弦载波，在其上迭加一个低频信号而成的结果。电弧炉和轧钢机等大功率装置运行时会引起电压波动。电压闪变是指人眼对由电压波动引起的照明异常而产生的视觉感受。往复式压缩机、电弧炉及电焊机等负载的运行都能引起电压闪变。电压闪变给一些对电压稳定性要求较高的生产过程会造成较大影响。
三相负序电流主要是由于三相电网不对称负载或者某一相或两相出现故障而引起，会造成电网损耗增加、负序分量启动的继电保护装置误动作、干扰通信、引起电动机绕组过热、降低电动机可靠性和运行寿命等不利情况。
2.改善电能质量的措施
2.1谐波抑制
传统谐波抑制方法有两大类。一类是对产生谐波的谐波源设备自身进行改造，减小其产生的谐波，另一类是对现有谐波源进行滤波和补偿。
无源滤波器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性和可维护性高等优点，应用广泛。但无源滤波器是通过在系统中为谐波提供并联通路，实现滤波，缺点也很明显。
1971年佐佐木和町田提出有源电力滤波器(简称APF)原理:通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使得电网总谐波和无功电流为零。早期有源滤波器是采用非线性放大器来产生补偿电流，后来则使用大功率晶体管组成PWM逆变器来构成有源电力滤波器，并延续至今。
并联型 APF是最基本方式，APF并联接入电网，相当于一个受控电流源，可以消除负载引起的谐波电流，也可以补偿无功和平衡三相电流，而且APF中只流过补偿电流和小部分基波有功电流，但并联APF须承受电网基波电压，使得其容量很大，容量大决定了其动态性能较差；串联APF通过变压器串联在电网和负载之间，相当于受控电压源，可以补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，缺点是APF流过很大的负载电流，使得元器件额定参数上升，损耗变大，切投及保护措施复杂。
2.2无功功率补偿
无功功率补偿早期采用同步调相机和并联电容器。同步调相机虽能对变化的无功功率进行动态补偿，但难以维护；而并联电容器，当电网中有谐波时，可能发生谐振，从而放大谐波，烧毁电容器。
晶闸管的静止无功补偿装置(简称SVC)，能进行无功补偿和电压控制，还能增加系统的稳定性、阻尼功率波动以及限制过压等，其缺点是控制电抗电容器切投的晶闸管开关会带来谐波。在SVC基础上出现了静止无功发生器(简称SVG)。SVG一般采用多重化或多电平技术，可大大减少补偿电流中谐波含量；和SVC需要大容量电容器电抗器储能不同，SVG只需直流侧的较小容量电容器来维持电压；SVG既可吸收无功功率也可发出无功功率，但它只能补偿无功功率，功能比较单一。
2.3电压调节
动态电压恢复器(简称DVR)是用来补偿配电系统电压跌落的设备。通过串联变压器在馈线和电力负载间产生一个幅值可变的电压，保证电网电压变化时，从负载侧看供电电压不变。DVR须具有快速响应能力及具备足够的能量以提供电压跌落时负载所需的能量支持。静态同步补偿器(简称SSC)是通过变压器并联接入系统的 PWM电压源型逆变器，它可以改善电压质量，减小损耗。如果结合直流侧储能装置使用，还能补偿有功功率波动，通过注入适当相角和幅值的电流，对扰动作出迅速反应。
3.统一电能质量调节
3.1统一电能质量调节器
统一电能质量调节器(UPQC)是并联有源滤波器和串联有源滤波器的结合体，能够同时实现功率因数和负载电压调节以及滤波等功能。串联有源滤波器通过变压器接入主电路，具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变/不平衡的补偿等作用，变压器容量取决于电压调节范围，容量较小；并联有源滤波器直接与主电路并联，实现谐波和负序电流消除、无功补偿和直流母线电压调节功能。并/串联有源滤波器共用直流侧电容。
UPQC基本工作原理是:由检测电路测出畸变的电压、电流信号；通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号；然后形成PWM信号，再由驱动电路去控制逆变器的功率器件开关；最后由滤波器滤除逆变器的高次谐波，在连接点处抵偿系统中存在的电压 电流的畸变分量，使得电力系统中电能质量的污染被消除。
除了由串/并联有源滤波器构成的基本UPQC结构外，还有一种特殊型统一电能质量调节器，它是在负载侧并联一个LC无源滤波器(图1所示)，此时并联APF仅用来维持直流电容电压，可以显著减小并联APF的容量。
信号检测是UPQC调节电能质量性能的关键，要求准确、实时。目前所用的检测方法有基于瞬时无功理论的检测方法、提取基波分量法、自适应对消法以及同步检测法等。其中以基于Akagi在1984年提出的瞬时无功理论的检测方法研究时间较长，方法趋于成熟。早期瞬时无功理论只针对于电压无畸变情况，经过诸多学者不断地改进，现在该检测方法已完全适用于系统电压畸变或系统运行不对称的补偿分量的检测中。
图 1 特殊型统一电能质量调节器
UPQC一般采用基于PWM的电压源逆变器作为补偿发生器，其控制方法有三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制、基于人工神经网络、模糊逻辑以及预测控制等，随着微机控制技术和数字信号处理技术迅速发展，UPQC控制技术将实现高度数字化。
UPQC工作时，为了保证 PWM逆变器的正常工作，电容电压必须保证恒定，一般采用PI控制实现直流电压负反馈，使PWM逆变器在生成所需要的补偿信号的同时，也提供一定的基波电压供给电容。这个基波电压与电源的基波电流相互作用，控制PWM逆变器的能量的流动，以维持直流侧电容电压的恒定。
3.2统一潮流控制器
统一潮流控制器(UPFC)可提供对传输线路参数，如电压、线路阻抗和相角的全面动态控制，能够快速控制传输线路的有功和无功功率及母线电压。UPFC结构上与UPQC有些相似，也是由两个共同直流侧电容的电压源逆变器组成(图2所示)。
图 2 统一潮流控制器
逆变器1通过变压器T1并联接入系统，除了向变换器2提供有功功率外，还可通过T1向系统吸收或注入无功功率，可看作是可控的并联静止无功补偿器。逆变器2通过变压器T2串联接入系统，向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压，控制线路的潮流。通过控制规律调节功率和线路参数，UPFC可分别或同时实现串/并联补偿、移相等几种不同的功能，提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡，具有独特的实时控制传输线路潮流的特性。UPFC可同时全面控制传输线路参数，而实现对多控制变量的控制较难，从系统的角度考虑，实现对电力系统的多目标协调控制是UPFC控制器设计的主要目标。
UPQC与UPFC结构相似，以改善系统电能质量为目标。不同的是UPQC是通过补偿系统电能中的谐波来改善电能质量，逆变器是一个谐波发生器；而UPFC是用于调整系统潮流，使其更为合理，以改善电能质量，它的逆变器只发出工频正弦波。
4.结束语
提高电网电能质量，实现“绿色电能”供电，是国家国民经济发展的必然要求。统一电能质量调节器和统一潮流控制器等综合电能质量管理装置与应用日趋成熟，有望全面提高电网电能质量。
[关键词] 电能质量 谐波 负序电流
1.影响电能质量的因素
1.1电网谐波及其危害
谐波从电能使用开始就存在，1893年谐波引起电动机绝缘和过热问题后，谐波问题开始得到关注。电网中的谐波主要包括各种整流装置、电弧炉、交流调压装置、变流装置、家用和办公电器、照明设施和一些铁磁非线性设备等等。所有这些非线性设备使电网中的电压、电流波形发生畸变，从而产生谐波。谐波常造成一些电力设备无法正常工作，严重时会损坏设备，造成电力系统事故等。
1.2无功功率
(1)频繁的无功功率负载冲击会使线路及变压器的电压增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。(2)增加电网上所连设备的容量。由于无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增大，要求用电设备的容量相应增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。(3)降低输、变电设备的供电能力，增加设备和线路的损耗。
1.3电压不稳定及三相负序电流的危害
电压不稳定包括电压跌落、电压波动和电压闪变。电压跌落一般是由于电网中大容量负载投入而引起，它对电压敏感性负载影响很大。当电压跌落超过一定幅值，可能造成工控计算机程序运行出错，造成生产工程中断。电压波动是指工频电压包络线的一系列变化或周期性变化，可以看成是以工频电压作为正弦载波，在其上迭加一个低频信号而成的结果。电弧炉和轧钢机等大功率装置运行时会引起电压波动。电压闪变是指人眼对由电压波动引起的照明异常而产生的视觉感受。往复式压缩机、电弧炉及电焊机等负载的运行都能引起电压闪变。电压闪变给一些对电压稳定性要求较高的生产过程会造成较大影响。
三相负序电流主要是由于三相电网不对称负载或者某一相或两相出现故障而引起，会造成电网损耗增加、负序分量启动的继电保护装置误动作、干扰通信、引起电动机绕组过热、降低电动机可靠性和运行寿命等不利情况。
2.改善电能质量的措施
2.1谐波抑制
传统谐波抑制方法有两大类。一类是对产生谐波的谐波源设备自身进行改造，减小其产生的谐波，另一类是对现有谐波源进行滤波和补偿。
无源滤波器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性和可维护性高等优点，应用广泛。但无源滤波器是通过在系统中为谐波提供并联通路，实现滤波，缺点也很明显。
1971年佐佐木和町田提出有源电力滤波器(简称APF)原理:通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使得电网总谐波和无功电流为零。早期有源滤波器是采用非线性放大器来产生补偿电流，后来则使用大功率晶体管组成PWM逆变器来构成有源电力滤波器，并延续至今。
并联型 APF是最基本方式，APF并联接入电网，相当于一个受控电流源，可以消除负载引起的谐波电流，也可以补偿无功和平衡三相电流，而且APF中只流过补偿电流和小部分基波有功电流，但并联APF须承受电网基波电压，使得其容量很大，容量大决定了其动态性能较差；串联APF通过变压器串联在电网和负载之间，相当于受控电压源，可以补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，缺点是APF流过很大的负载电流，使得元器件额定参数上升，损耗变大，切投及保护措施复杂。
2.2无功功率补偿
无功功率补偿早期采用同步调相机和并联电容器。同步调相机虽能对变化的无功功率进行动态补偿，但难以维护；而并联电容器，当电网中有谐波时，可能发生谐振，从而放大谐波，烧毁电容器。
晶闸管的静止无功补偿装置(简称SVC)，能进行无功补偿和电压控制，还能增加系统的稳定性、阻尼功率波动以及限制过压等，其缺点是控制电抗电容器切投的晶闸管开关会带来谐波。在SVC基础上出现了静止无功发生器(简称SVG)。SVG一般采用多重化或多电平技术，可大大减少补偿电流中谐波含量；和SVC需要大容量电容器电抗器储能不同，SVG只需直流侧的较小容量电容器来维持电压；SVG既可吸收无功功率也可发出无功功率，但它只能补偿无功功率，功能比较单一。
2.3电压调节
动态电压恢复器(简称DVR)是用来补偿配电系统电压跌落的设备。通过串联变压器在馈线和电力负载间产生一个幅值可变的电压，保证电网电压变化时，从负载侧看供电电压不变。DVR须具有快速响应能力及具备足够的能量以提供电压跌落时负载所需的能量支持。静态同步补偿器(简称SSC)是通过变压器并联接入系统的 PWM电压源型逆变器，它可以改善电压质量，减小损耗。如果结合直流侧储能装置使用，还能补偿有功功率波动，通过注入适当相角和幅值的电流，对扰动作出迅速反应。
3.统一电能质量调节
3.1统一电能质量调节器
统一电能质量调节器(UPQC)是并联有源滤波器和串联有源滤波器的结合体，能够同时实现功率因数和负载电压调节以及滤波等功能。串联有源滤波器通过变压器接入主电路，具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变/不平衡的补偿等作用，变压器容量取决于电压调节范围，容量较小；并联有源滤波器直接与主电路并联，实现谐波和负序电流消除、无功补偿和直流母线电压调节功能。并/串联有源滤波器共用直流侧电容。
UPQC基本工作原理是:由检测电路测出畸变的电压、电流信号；通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号；然后形成PWM信号，再由驱动电路去控制逆变器的功率器件开关；最后由滤波器滤除逆变器的高次谐波，在连接点处抵偿系统中存在的电压 电流的畸变分量，使得电力系统中电能质量的污染被消除。
除了由串/并联有源滤波器构成的基本UPQC结构外，还有一种特殊型统一电能质量调节器，它是在负载侧并联一个LC无源滤波器(图1所示)，此时并联APF仅用来维持直流电容电压，可以显著减小并联APF的容量。
信号检测是UPQC调节电能质量性能的关键，要求准确、实时。目前所用的检测方法有基于瞬时无功理论的检测方法、提取基波分量法、自适应对消法以及同步检测法等。其中以基于Akagi在1984年提出的瞬时无功理论的检测方法研究时间较长，方法趋于成熟。早期瞬时无功理论只针对于电压无畸变情况，经过诸多学者不断地改进，现在该检测方法已完全适用于系统电压畸变或系统运行不对称的补偿分量的检测中。
图 1 特殊型统一电能质量调节器
UPQC一般采用基于PWM的电压源逆变器作为补偿发生器，其控制方法有三角载波线性控制、滞环比较控制、无差拍控制、基于人工神经网络、模糊逻辑以及预测控制等，随着微机控制技术和数字信号处理技术迅速发展，UPQC控制技术将实现高度数字化。
UPQC工作时，为了保证 PWM逆变器的正常工作，电容电压必须保证恒定，一般采用PI控制实现直流电压负反馈，使PWM逆变器在生成所需要的补偿信号的同时，也提供一定的基波电压供给电容。这个基波电压与电源的基波电流相互作用，控制PWM逆变器的能量的流动，以维持直流侧电容电压的恒定。
3.2统一潮流控制器
统一潮流控制器(UPFC)可提供对传输线路参数，如电压、线路阻抗和相角的全面动态控制，能够快速控制传输线路的有功和无功功率及母线电压。UPFC结构上与UPQC有些相似，也是由两个共同直流侧电容的电压源逆变器组成(图2所示)。
图 2 统一潮流控制器
逆变器1通过变压器T1并联接入系统，除了向变换器2提供有功功率外，还可通过T1向系统吸收或注入无功功率，可看作是可控的并联静止无功补偿器。逆变器2通过变压器T2串联接入系统，向线路注入一个幅值和相角可调的串联电压，控制线路的潮流。通过控制规律调节功率和线路参数，UPFC可分别或同时实现串/并联补偿、移相等几种不同的功能，提高线路传输能力、稳定性及阻尼振荡，具有独特的实时控制传输线路潮流的特性。UPFC可同时全面控制传输线路参数，而实现对多控制变量的控制较难，从系统的角度考虑，实现对电力系统的多目标协调控制是UPFC控制器设计的主要目标。
UPQC与UPFC结构相似，以改善系统电能质量为目标。不同的是UPQC是通过补偿系统电能中的谐波来改善电能质量，逆变器是一个谐波发生器；而UPFC是用于调整系统潮流，使其更为合理，以改善电能质量，它的逆变器只发出工频正弦波。
4.结束语
提高电网电能质量，实现“绿色电能”供电，是国家国民经济发展的必然要求。统一电能质量调节器和统一潮流控制器等综合电能质量管理装置与应用日趋成熟，有望全面提高电网电能质量。