电力电子技术对电能质量的影响

如前所述，电力电子装置是造成电能质量问题的主要原因，但由于其具有响应速度快、控制灵活的特点，当被应用于补偿时，相同的装置只需对控制算法进行少许修改后，就可以对终端用户整体电能质量的改善起到同等重要的作用。它可以通过有效地对系统参数进行迅速调节，来提高供电系统的可靠性和供电质量，满足终端用户设备的需要，典型的应用包括有源谐波滤波器、并联静止补偿器、动态电压恢复器和不间断电源。这种应用于配电系统、面向改善用户负荷运行条件的电力电子技术就被称为用户电力（Custom Power，CP）技术，也称定制电子技术。

通过将电能质量控制器嵌入配电系统，用户电力技术为电力公司和终端用户所面临的各种电能质量问题提供了一个综合的解决方法。通过上述技术的应用，从负荷侧看，可以有效地减少供电系统停电和电压波动对负荷的影响，提高设备运行的可靠性和用户资产的利用率。该技术的成功应用可以为企业用户和城乡居民带来巨大的经济和社会效益。从电网侧看，它又可以抑制用户非线性设备对供电系统和邻近用户产生的影响，从而提高对敏感用户供电的质量和附加值。

为了适应电力系统高端用户和普通用户之间对电能质量的不同要求，近年来建立“用户电力园区（Custom Power Park）”也称为“优质电能园区（Premium Power Park，PPP）”或所谓高可靠性、柔性智能供电系统（Flexible，Reliable，Intelligent，Electric Energy Delivery Systems，FRIEEDS）的概念得到越来越广泛的关注。根据优质优价的原则，电力公司通过采用各种电能质量控制技术来保证园区的供电质量，而园区内的用户则根据自己的需要（见表1-1），通过缴纳额外的使用费来获得相应的高质量电能供应，从而可以保证其敏感设备能够免受各种电能质量问题的影响。图1-1给出了位于美国俄亥俄州特拉华工业园区的世界第一个优质电能园区（PPP）简化接线图^[1]。

表1-1 电能质量与用户要求

图1-1 俄亥俄州Delaware（特拉华）优质电能园区接线图

OH：架空线路（Over Head）UG：地下电缆（Under Ground）

而随着能源紧缺和环境污染问题的日益突出，各国政府对供电问题的关注逐渐由单纯的经济问题转换到发展政策的层面上，对各种可再生能源的应用采取了政策上鼓励、经济上补偿的方针，以此为契机，分布式发电（Distributed Generation，DG）系统的研究和应用也得到了迅速的发展。分布式电源由于邻近电力用户，所以当电网发生扰动时，分布式电源在相关控制策略下可以在尽可能短的时间内投入使用，从而可以有效地提高电能质量，尽可能减少故障，对电能质量的改善具有潜在的优势。但是分布式发电的引入也会给系统的控制和保护带来许多不确定性：分布式发电单元输出的急速变化可能带来的电压闪变；变流器的应用所引入的大量谐波，又会对电能质量带来负面影响。分布式发电系统的广泛应用将显著地改变配电系统的性质，并带来一系列潜在的（包括正面和负面）电能质量问题。相应地采用用户电力技术来解决上述新问题也成为电能质量问题研究的一个重要领域。图1-2所示为位于美国芝加哥采用分布式发电系统的电力园区示意图。园区中，对各种新型发电设备和可再生能源的应用和相互联系均进行了研究，目前还正在研究进一步增加示范工程。

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图1-2 Brownfield用户电力园区与分布式发电系统

美国Business Communications Company，Inc.，在2004年的一个报告^[2]中曾经乐观地估计，美国与电能质量相关的产品市场价值的年平均增长率大体为11%，2006年从2000年的38亿美元将激增到71亿美元，如图1-3所示。

一个值得注意的现象是，尽管在美国一年由于电能质量问题带来的损失高达800亿美元，说明电能质量控制器的确存在市场，同时也不断有实用的产品问世，但实际中电力用户对于所谓电能质量问题往往并不关心，或者直到出现问题时才关心。在我国，这个问题更为突出。问题在于：

首先，用户对于电能质量问题及其造成的影响并不了解，比如电压波动可能引起的造纸企业纸张的厚度不均匀等问题并不为广大用户所知，也没有受到他们足够的关心；

图1-3 美国市场电能质量相关设备的销售额

其次，对于应用工程师和企业决策人而言，目前各种工业企业电能质量问题解决方案过于深奥，缺乏必要的了解；

再加上企业领导人更为关心的是上述解决方案对于提高企业生产力的作用，以及回收时间，一般希望投资回收在1～2年之间，所以成本也是一个重要因素。

因此，有必要从用户最为关心的节能降耗问题，以及提高设备生产率和利用率等方面着手，比如无功功率补偿对电弧炉等运行的影响，来引导和开发用户电力技术的市场。