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摘要：随着社会生产力进步的发展，传统的供电可靠性指标已经无法满足工业和居民用户对供电质量的要求，国内电力系统方面的专家学者开始多方面关注和研究电能质量。根据《电能质量术语国家标准》，电能质量的最新定义是电力系统指定点处的电特性，关系到供电设备正常工作的电压、电流的各种指标偏离基准技术参数的程度。配电网的电能质量的传统调整措施受限于设备与技术水平，然而对于非线性瞬变负载导致的电压电流特点而言，传统调节手段显得力不从心。
关键词：配电网；电能质量；综合治理；控制策略
1国内外研究现状
1.1国内外配网电能治理的技术现状
FACTS以提高输电系统的输送能力与稳定水平为主要目的，它将先进的电力电子及其控制技术对交流电网中电压、电流等关键量的幅值、相位等参数进行在线灵活和快速地变换调整，从而实现了系统有功和无功潮流的灵活调控。作为提高电网的电压、功率等指标可靠性的重要手段，它在维持电网安全稳定水平与运行效率的方面发挥着极其重要的作用，FACTS技术已在国内外电力系统中获得广泛应用。DistributionFACTS是柔性交流输电（FlexibleACTransmissionSystem，简称FACTS）在配电网的延伸技术，即柔性配电技术（DFACTS）。DFACTS体现了智能配电网的一个重要特征。
1.2电能质量的传统治理手段
传统交流配电网中，对于电能质量的调控手段包括开关投切电容器型装置、晶闸管投切电容器型装置、SVC型动态无功补偿装置装置。开关投切电容器型装置可以吸收系统中的感性无功，用来提高功率因数，还可以利用串联谐振对特定次谐波进行滤除和治理稳态的电压越限。其缺点也较明显：如响应速度慢，开关寿命低，阻抗特性容易发生并联谐振，功率因数较高的场合不能使用等。晶闸管投切电容器型装置解决了开关寿命问题和响应时间问题，但后面两个问题仍然难以解决。SVC型动态无功补偿装置利用并联的晶闸管控制电抗器进行连续调节，可以实现无功功率的连续调整，是动态调节的重要手段，然而受限安装尺寸、自身谐波污染严重等问题，未能在低压配电网中广泛应用。
2电能质量综合优化装置控制策略
电能质量综合优化装置（MultifunctionElectricityController&Optimizer，简称MEC）是电力电子技术在配电网中应用的最新技术突破，其主要特点是利用可关断、大电流、高频的电力电子元件—IGBT组成自换相拓扑结构的成套装置，通过连接电抗器并联在交流配电网上，利用SPWM调制原理，直接控制其交流侧电流，使电路吸收或者发出满足要求的电流，实现快速响应的目的，并可以综合实现无功补偿、电压控制、谐波治理及电流不平衡治理等多种控制目标。硬件结构方面，电能质量综合优化装置采用了绝缘栅双极晶体管（简称IGBT）作为电力电子开关器件，它几乎兼顾了双极型三极管和绝缘栅型场效应管的特点，具有触发电流小、运行功率大、饱和压降低、开关速度快等诸多优点，它在大功率逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域的应用非常广泛。由于谐波治理的需求，主电路的拓扑结构往往采用了三电平技术，它由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形，在相同开关频率条件下，与传统二电平逆变器相比，谐波含量大大减少，明显降低改善了输出电压波形的畸变率。目前，IGBT器件及其驱动技术的成熟使得电力电子装置的运行稳定性有了大幅提高。
控制策略方面，本文设计的电能质量综合优化装置采用了底层和应用层两层控制技术。底层控制以直接电流控制技术为核心，其负责将指定的内环电流和霍尔采样电流进行PI反馈运算后叠加到前馈电压中，用于电流的稳定控制。由于采用了直接电流的比较控制技术，从指令电流变化到三角波调制输出只需要控制系统的运行步长，而PI电流反馈控制则将整个的系统响应时间缩短到几个ms。
应用层控制用于生成指令电流，目的是将被控系统中的治理方案进行解耦，并融合有功电流、无功电流、谐波电流3个电流，最终得到合成的指令电流，并将得到和合成电流进行最终限幅，以防止MEC内部的电力电子器件过流。
MEC进行无功补偿的基本原理式通过检测电网电流的超前或滞后电压的状态来判断电网处于感性或容性，发出与电网同频率并相反的无功电流与之抵消，即当电网处于感性时，发出容性电流，当电网处于容性时，发出感性无功，从而达到补偿无功的目的。因为电网中不一定要求功率因数达到1.0，因此实际应用中，MEC会根据设定的参考值运算，得到无功指令电流，从而实现目标补偿。
进行谐波滤除时，MEC通过检测电网电流中整体谐波电流，发出与谐波电流相反的电流，从而达到滤除谐波的目的。
进行电压补偿时，设系统三相电压加权值为Us，电压控制目标值简化为Uref，则需要补偿的无功电流为：
（1）
由于MEC内外环控制的响应速度非常快，因此MEC可实现对电网的即时跟踪，对电网波动和闪变做快速响应输出。当电网发生单相或三相骤升、骤降等故障时，它几个ms就可以通过发出感性或容性无功，从而达到稳定电网的目的。从能量的角度来看，MEC内部的直流电容器只能暂存能量，而不能无限存储和释放能量，因此MEC整体上无法具备发出或吸收有功的能力。但进行三相电流不平衡治理时，控制目标是为了保证相间有功输出的平衡，它表现为从一相吸收I*的有功电流，另一相发出I*的有功电流，因此整体上MEC流入和流出的有功是相等的，即利用了直流电容器暂存能量的特点实现有功不平衡治理。
3电能质量综合优化装置应用研究
为了达到最佳的治理效果，电能质量综合优化装置一般安装在变压器下侧进行集中补偿，补偿容量需要根据变压器的额定容量、电压越限情况与短路容量、谐波电流含量及不平衡率等几个参数进行选择。本文对某试点配电变台区进行了两周的运行对比测试，在测试前后统计了较多的数据为数据分析提供支撑。该台区的负载特性主要为居民、商业及少量的动力负荷，台区主要表现为功率因数较高，而三
相不平衡、低电压等电能质量问题突出，变压器长期工作在不平衡工况下，中性点电流非常大。根据初期测试数据进行计算后，本文选用了100kvar的装置对试点台区变进行补偿治理，并利用日制3197测试仪对该试点配电变压器低压侧的治理装置在投运前后24h内数据进行采集，采集的内容包括系统电压、电流、有功、无功、功率因数及电压、电流频率含量等。
本文三相不平衡度的计算根据相关国标有：
（2）
Imax为三相电流中的最大值；Iavg为三相电流平均值。从安装前后测试数据可以看出，三相电流有效值都得到了有效的平衡和改善，电流的不平衡度统计值由59.4%改善到7.6%，中性线电流统计值由110.5A降低到26.8A，三相不平衡的突出问题得到快速和明显的改善。
根据3197采集的系统典型数据进行绘制，可以看出对电能质量的改善效果非常明显。由上下3组对比图可以看出，装置投运后对系统的关键电能质量指标有了明显的改善：1）三相不平衡度由最大的78%降低到国标允许的15%以内，三相不平衡度控制在8%左右。
2）电压治理效果明显，加装电能质量综合优化装置MEC之前，台区超上限和越下限的问题经常出现。通过电能质量综合优化装置的三相不平衡治理技术以及容性无功到感性无功连续平滑补偿方式，可以精准控制电压，使得电压满足运行范围。针对负荷大时低电压和轻载电压升高问题，也得到了有效改善。3）充分提高变压器利用效率：不平衡严重时期的变压器利用效率提高了36%；负载高峰期的变压器效率可提升23.5%。
4结论
本文设计了采用电力电子技术的电能质量治理装置，不仅能很好地补偿无功功率和电压，还能实现相与相之间有功功率的重新分配和等效流转，最终达到降低不平衡度及中性线电流的目的。装置符合柔性输配电系统的特征，具有控制响应快、线性可调、实现有功无功控制等诸多优点，极大提高了配电网系统的调节和控制能力。
参考文献：
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