文/南柯紀實
編輯/南柯紀實
<<·——前言——·>>
傳統的大規模發電方式包括集中式發電設施，如化石燃料發電廠、核電站、水電大壩、風力發電場等。然而，這些發電方式面臨着化石燃料短缺、排放量過高和長輸電線路導緻的電力損耗等問題。
所謂的“電能品質”是指電力系統産生純淨、無噪聲的正弦波電源，并且在電壓和頻率方面始終穩定。然而，在實際中，許多負載會對系統産生擾動，使得電源與理想電源供應有所偏差。美國EPRI在1992年至1997年間進行了一項研究，對擾動的平均持續時間進行了表征。該時期一個典型現場的結果，如圖1所示。
圖1
電能品質問題中最重要的是電壓穩定性，需要進行調節。電壓調節主要受無功率平衡和勵磁系統的時間常數的影響。在一項針對具有12台風力渦輪機的風電場的案例研究中，諧波值會稍微對電壓産生負面影響。
擾動持續時間的典型分布顯示，持續時間少于一秒的擾動數量遠遠超過其他擾動的發生次數。已經制定了一些關于電能品質的标準，例如IEEE和EC制定的标準。分布式發電（DG）與可再生能源系統（如太陽能和風能）內建，可以實作更清潔、更高效的發電和輸電。
同時也可以應用于微電網。電力系統營運商通常會保留一定比例的發電容量作為旋轉備用（SR）以維持電能品質，并使用定制電力裝置（CPD）。
資料中心、住宅電力系統和可再生能源發電收集系統是研究電能品質問題的例子，這也可以成為讨論直流配電系統的動機。然而，它們還存在許多待解決的問題，其中諧波問題是其中一個突出的問題。
資料中心效率的研究表明，400V直流系統具有最高的效率水準（約73%）。為了解決基于雙饋感應發電機（DFIG）的并網風力發電的電能品質問題，研發了模糊控制的UPOC方法。在內建風能系統中使用FACTS裝置改善電能品質的方法已經在文獻中進行了讨論。
靜止同步補償器（STATCOM）可以用于無功功率補償和功率因數改善，采用Icoso算法的模型。另一種可以減少電能品質問題的解決方案是不間斷電源（UPS）。
UPS通常用于保護計算機和通信裝置，在公用事業中也可用作離線備用系統。先前的研究已經在電能品質問題、标準、監測技術、緩解技術等各個方面進行了探讨。
本研究旨在對所有這些方面進行綜合研究，特别是在可再生能源的情況下，并基于這項研究進行分析。對于電能品質問題如電壓下降、電壓升高和閃爍等問題，UPOC是一種有希望的解決方案。
此外，還總結了其他問題及其相應的緩解技術，并根據其有效性進行了性能評估。以前在可再生能源系統的電能品質和相關問題方面沒有提供包括緩解技術在内，并根據其有效性進行性能評估的綜合參考文獻。
本研究基于電能品質問題的嚴重程度和緩解技術的實用性進行了觀察。這一發現将有助于了解未來應該更加關注哪些電能品質問題，并且應該以更先進的方式發展哪些緩解技術。
我們的主要目标是對電能品質問題進行詳細分析，并提出可能的解決方案。我們對電力系統中的電能品質進行了全面研究，包括直流系統和可再生能源系統，并闡述了定義這些問題的标準。電能品質監測技術和電力系統中電能品質問題的可能解決方案也得到了詳細研究。
簡而言之，我們在第一部分提供了對整體電能品質問題的全面分析。第二部分介紹了電能品質問題，如瞬變、長時間電壓變動、短時間電壓變動、電壓不平衡、波形失真、電壓波動、功率頻率變動等，并介紹了電能品質問題的來源和參數。
第三部分讨論了電能品質标準，如IEEE、IEC等。第四部分研究了可再生能源系統中的電能品質問題。電能品質監測的主要目标是跟蹤和檢測電能品質問題，第五部分讨論了LabVIEW、FFT、ADALINE、HT、TEO等監測技術，重點關注諧波和電壓閃爍問題。
第六部分讨論了用于緩解電能品質問題的裝置，如SST、SVT、STATCOM、UPOC等。我們還研究了應用定制電力裝置（CPD）來緩解電能品質問題的方法。第七部分讨論了在使用風能和太陽能發電等可再生能源的電力系統中改善電能品質的方法。第八部分分析了直流系統中的電能品質。最後，我們的研究結果在第九部分中呈現，随後在第十部分進行了總結。
<<·——電能品質問題及其重要性——·>>
電能品質是指保持電力系統額定電壓和電流的幅值和頻率接近正弦波的能力。任何電能品質的中斷都會影響系統的效率。在大多數情況下，電能品質的控制主要是指電壓的控制。這是因為在大多數情況下，電壓比電流更容易控制。
具體而言，電能品質可以通過一些參數來描述，例如服務的連續性、電壓幅值的變化、瞬态電壓和電流、諧波含量（對于交流電）等。
要描述電能品質問題的重要性，我們可以說低品質的電能會導緻電能的不必要浪費和經濟損失。它給供應商和消費者帶來了經濟負擔。不穩定的電壓和頻率經常會在輸電線路中引起幹擾。電能品質問題的評估過程，如圖2所示。
圖2
從流程圖可以看出，評估的第一階段是識别問題的類别。主要有五類問題：電壓不平衡、電壓中斷、閃爍、瞬态和諧波失真。在确定了問題類别後，通過測量或收集資料對問題進行表征，以找出問題的原因、特征和裝置影響。接下來的兩個步驟是确定解決方案的範圍和對解決方案進行評估。最後一步是從所有可能性中評估最佳解決方案，以實作最經濟的結果。
電能品質問題中的一個重要問題是"電壓波動"，它指的是電壓幅值的變化。電壓下降指的是供電電壓幅值的減小。而"電壓暫增"指的是電壓瞬時增加超出正常容忍範圍的現象。它的持續時間超過一個周期，通常持續時間少于幾秒鐘。
瞬态是能量的短暫爆發，通常由突然狀态變化引起，比如突升。這種突變可能發生在電壓、電流或兩者的穩态條件中。另一個重要的電能品質問題是"長時間電壓中斷"。這個問題指的是電壓或負載電流在幾毫秒到一兩秒的時間内完全中斷或降低。這種問題會導緻資料處理裝置出現故障。"噪聲"是指與電力系統的主波形疊加的高頻信号，它可能導緻資料丢失。
"閃爍"是電壓的波動，其範圍在額定值的90%到110%之間，來自電力供應。這種波動會損壞負載側的裝置。波形失真是與理想的電力頻率正弦波存在的穩态偏差，通常通過偏離的頻譜内容來表征。
主要的波形失真類型有：直流偏移諧波、互諧波凹痕和噪聲。功率頻率變動是指電力系統基頻與指定标稱值（50 Hz或60 Hz）之間的偏差。諧波是由非線性負載引起的電壓或電流的波形失真。如果一個頻譜分量符合諧波的條件，我們可以稱之為諧波：
公式
其中，n > 0 且為整數，f表示頻率，ffund表示基本電力系統頻率。諧波可能會導緻間歇性當機和資料混亂。
電壓尖峰是指電壓瞬時增加超出正常容忍範圍的現象。它的持續時間超過一個周期，通常持續時間少于幾秒鐘。總結本節的讨論，表1列出了一些電能品質問題及其影響。
表1
根據EPRI的資料，電能品質問題的嚴重程度各不相同。考慮到它們對裝置造成的經濟損失，一種衡量嚴重程度的方法是考慮經濟影響。表1展示了根據經濟影響對這些電能品質問題進行排名。根據表中的資料，瞬态對電氣裝置的經濟影響最為嚴重。
在讨論電能品質問題的來源時，可以從兩個角度考慮。第一個是電力公司的來源，第二個是内部來源。前者包括閃電、功率因數校正裝置、開關故障等。
而後者包括獨立負載、燈光鎮流器、電弧焊機和醫療裝置。還可以添加一種類型的來源，即功率電子源、可變頻驅動器、電池充電器、智能電網、微電網、電子調光系統、大型電動機、不間斷電源等屬于這個類别。圖3展示了這種分類。
圖3
電能品質問題的影響可以影響各種裝置和系統。如前所述，它可能會造成經濟負擔以及裝置損失。它的整體影響可以影響各類設施：高成本、中等成本和低成本。圖4展示了受電能品質問題影響的按成本分類的各種設施。
圖4
<<·——電能品質标準——·>>
電能品質分析中，電能品質标準的制定是關鍵因素之一。主要有兩類标準：IEEE和IEC。根據IEEE 1159标準，電能品質問題的分類如圖5所示。電能品質标準及其基本準則如表2所示。
圖5
表2
除此之外，還有針對最低電能品質水準的額外規定。其中之一是由計算機和商業裝置制造商協會（CBEMA）制定的曲線（圖6）。該标準規定了計算機裝置對電壓下降、微中斷和過電壓的最低承受能力。圖6說明，通常情況下，如果電壓在允許範圍内，裝置将正常運作。當電壓處于允許範圍以下時，裝置可能會發生故障。當電壓位于上方禁止區域時，裝置可能會受到損壞。
圖6
<<·——可再生能源的電能品質——·>>
我們的主要關注點之一是可再生能源，例如風力渦輪機和太陽能光伏系統，它們是可靠的清潔能源來源。全球範圍内對綠色能源的追求正在增加。據報道，2015年，可再生能源在拉丁美洲提供了52.4%的電力發電，歐洲約為34.2%，北美洲約為27.7%。
圖7顯示了不同地區電力發電中可再生能源的貢獻。盡管可再生能源是一種有前途的清潔能源來源，但也給電力系統帶來了重大的技術挑戰。下面将讨論風能系統和太陽能光伏系統等可再生能源的基礎知識，以及這兩種系統中的電能品質問題。
圖7
2014年，能源模組化論壇（EMF）的EMF27模型顯示，可再生能源在本世紀下半葉提供了超過35%的電力供應。在這一時期，以風能和太陽能光伏為主的電廠将在本世紀下半葉提供40%的電力。阿曼的Masirah島的一項研究顯示，使用光伏-風力-柴油混合電力系統可以降低約75%的能源成本。該研究還得出結論，如果将柴油發電廠替換為混合系統，可減少約25%的溫室氣體排放[。
截至2011年底，主要位于歐洲的海上風力渦輪機的累積裝機容量約為4GW 。風力發電廠的一般配置如圖8(a)所示 ，将風力渦輪機與電網連接配接的系統拓撲結構如圖8(b)所示 。
圖8
太陽能光伏發電廠、住宅或商業光伏系統可以建立與電網連接配接的太陽能光伏發電系統，其發電能力可以超過100 MW。大型發電廠連接配接到輸電系統，而住宅（最高幾千瓦）和商業光伏系統（最高幾兆瓦）連接配接到配電網絡 。
2009年，全球太陽能光伏系統的裝機容量為22 GW，發電量為20 TWh 。到2013年，全球總裝機容量達到了138.9 GW 。通常情況下，電力系統提供足夠的旋轉備用電力以實作負荷減少的頻率平衡，進而實作高品質的能源可持續性。
對于可再生能源系統，存在兩種主要類型的電能品質問題，即電壓和頻率波動以及諧波。電壓和頻率波動主要由兩個原因引起：一是可再生能源資源的不可控變異性，二是電力網側的幹擾。諧波是由用于可再生能源發電的功率電子變換器産生的。
根據IEEE 929-2000标準，評估光伏系統的電能品質有四個主要參數，包括電壓、電壓閃爍、頻率和失真。這些參數的偏離會導緻電能品質問題。在這種情況下，逆變器可能需要停止在電力線路中引起電能品質偏差。這些問題可以從兩個角度進行讨論：可再生能源方面和電力網方面。
首先，我們讨論可再生能源方面的問題。風力和太陽能光伏發電都會出現間歇性，這是由于風力和太陽能資源的部分不可預測性特征和不可控的變異性引起的，這導緻了風力和光伏發電性能的波動。由于風速和太陽能輻射的變化，這兩種可再生能源的輸出變化很大。主要問題是電壓和頻率的波動。
為了減輕這些波動，需要額外的能量來在瞬時基礎上平衡電網的供需；旋轉備用電力也是一個選擇。改進的天氣和發電預測技術旨在更準确地預測不同時間尺度上的風力和太陽能資源的天氣和發電輸出，可以是緩解風力和太陽能資源的部分不可預測性特征的另一種解決方案。
對于低滲透率的情況，電能品質問題通常仍然存在于裝置層面，解決方案通常是裝置特定的。然而，高滲透率時需要電網級别的技術，這可能會産生嚴重的影響。
另一方面是電力網方面。除了風力和太陽能資源的部分不可預測性特征和不可控的變異性外，電力網側的幹擾也會影響可再生能源的整合。根據幾個歐洲電網規範，光伏發電廠必須在不斷開連接配接的情況下承受特定的幹擾水準。
2014年，IEEE 1547a标準釋出了一個與電壓下降相關的新指南。其中包括新的設定，使裝置能夠更穩定地承受電壓下降。此外，分布式資源的所有者與當地公用事業公司達成協定，以維持這些設定。表3顯示了需要維持的這些設定，以減輕由于電壓下降幹擾而導緻的電能品質問題。
表3
海洋是可再生能源的廣闊來源，可以分為六種不同類型：海洋波浪能、潮汐能、潮流能、洋流能、海洋熱能和鹽度梯度能。海洋波浪能和潮流能在未來的能源供應中可以做出重大貢獻。
海洋能源行業近年來取得了顯著進展，但仍處于非常早期的階段。目前正在進行測試的一些先進樣機在中展示。海洋能源最重要的影響是對環境的影響。海洋波浪和潮流技術的其他主要影響包括對底栖生物群落的影響、栖息地變化以及海洋哺乳動物、海龜、大型魚類和海鳥的糾纏問題。
<<·——電能品質監測——·>>
為了確定統一的電能品質，需要進行适當的監測。監測和分析系統廣泛用于電能品質方面。以前的研究中使用頻譜分析方法基于時域信号采集來監測電能品質指數的波動情況。同時還分析了電能品質波動的影響因素。還開發了一種監測和分析工具LabVIEW。
正如前面提到的，諧波對電網的電能品質構成威脅，對裝置的安全造成傷害。補償諧波信号是改善電能品質的必要措施。有幾種諧波分析方法可用于改善電能品質，例如快速傅裡葉變換（FFT）、奇異值分解（SVD）、人工神經網絡（ANN）等。
分布式電能品質監測系統對于檢測電能品質問題是必要的。在大多數情況下，監測方案的重點局限于供電電壓的諧波，且接近實時模式。為此，存在相量測量單元（PMU）結構，測量不同切面上的電流和電壓的瞬時值，然後将其傳輸到控制中心。
另一種檢測和調整諧波問題的技術是自适應線性組合器（ADALINE）。ADALINE對于檢測電壓下降、電壓上升、瞬變、中斷等也很有效。該方法消除了設定電能品質檢測門檻值的需要，提供了誠實和高追蹤能力。
ADALINE的輸入是時延樣本，輸出是信号的預測值（圖9）。高分辨率技術已經用于監測“閃爍”問題。根據這種技術，分析信号的頻譜以檢測閃爍現象。
圖9
相比其他技術，使用這種方法更容易實作有效利用，因為它使用了更準确和穩健的Pony方法。卡爾曼濾波（KF）方法對于檢測電壓下降、電壓上升、短暫中斷等非常有用。以前，擾動波形是通過單獨的人工神經網絡在時域中自動識别的。使用KF方法，可以在小波域中完成這一過程，該方法被證明更高效。
總能量算子（Total Energy Operator，TEO）算法是一種非線性算子，用于跟蹤信号的瞬時能量内容。通過TEO可以對生成信号的機械過程進行有效的測量。該算子的值是信号幅值和頻率乘積的平方。扭曲信号被分為兩個獨立的信号：平滑版本和詳細版本。
在詳細版本中可以檢測到高頻，而在平滑版本中可以使用TEO檢測到低頻擾動。另一種跟蹤信号包絡的數學方法是希爾伯特變換（Hilbert Transform，HT）算法。HT方法通過将瞬時頻譜的每個頻率分量向前移動90度來實作。可以使用模拟全通濾波器在特定頻帶中使用該方法。TEO和HT對于監測電壓閃爍問題非常有用。在圖10中總結了電能品質監測技術。
圖10
<<·——電能品質問題的緩解方法——·>>
在本部分中，讨論了一些基本的電能品質問題緩解方法，如STATCOM、UPOC、UPS等。通常，在傳統的電力系統中，旋轉備用（Spinning Reserve）允許系統在負載和發電估計中出現的不确定性、不平衡和誤差進行補償。
旋轉備用是指發電機在施加額外轉矩時能夠提供超過額定容量的電力供應。但對于可再生能源而言，很難對該參數進行準确測量。測量可再生能源這一參數的方法有很多，但很難提供令人滿意的結果。
D-Statcom是一種并聯連接配接的定制電力裝置，可以糾正功率因數和電流諧波，進而改善電能品質。它還可以在配電母線上提供濾波、電壓調節和負載平衡。它有時被稱為主動功率濾波器，由并聯連接配接的電壓源變流器（VSC）和采用PWM控制器組成。
由于其安裝在配電側，是以被稱為D-Statcom。使用高開關頻率的IGBT主要用于提高速度。電容器用于能量存儲，而L-C支路則充當被動濾波器。D-STATCOM通過注入負載産生的諧波成分，并将其相移180度來補償諧波。D-STATCOM還可以用于補償較差的功率因數。圖11顯示了帶有PWM控制器和主動濾波器的D-STATCOM的系統配置。
圖11
統一電能品質控制器（UPOC）是一種将串聯和并聯主動濾波器背靠背連接配接的內建裝置。通常，這兩個濾波器在直流側連接配接，并共用一個直流電容器。串聯部分用于補償供電側的電壓波動、電壓不平衡、閃爍和諧波等問題。
UPOC提供電壓以維持負載電壓在目标水準上。并聯部分用于減輕功率因數較差、負載諧波電流和負載不平衡等問題。它在系統中注入電流，使源電流成為平衡的正弦波，并與源電壓保持相位一緻。圖12展示了帶有串聯和并聯主動濾波器的UPOC的基本結構。
圖12
UPOC用于補償三相系統的不平衡系統電壓和負載電流的失真。圖13顯示了UPOC的等效電路。
圖13
一個不平衡的三相系統包含正序、負序和零序的基波和諧波分量。系統電壓可以用方程式（5）表示：
公式5
這裡的下标+、-和O分别表示正序、負序和零序分量。串聯變流器用于補償以下電壓分量：
公式6
控制系統自動控制串聯變流器，使輸出變流器電壓為Vo(t)。具有失真的非線性負載電流（方程式（7））可以表示為：
公式7
并聯變流器提供對負載諧波電流的補償，以減少電壓失真。帶有諧波、負序和零序電流的輸出電流控制并聯變流器，以便抵消負載電流的失真。被并聯變流器補償的電流分量由方程式（8）給出。
公式8
不間斷電源（UPS）主要用于在主電源故障時為負載提供緊急備用電力。它主要用于通信裝置和計算機等地方，其中資料丢失是一個重要問題。雖然靜态UPS隻适用于小型系統，但旋轉式UPS在大型系統中更加有用。
通常，高品質的UPS裝置采用雙變換拓撲結構，将輸入的交流電分解為直流電來充電電池，然後再生成品質更高的交流正弦波。DC UPS之前曾用于修正功率因數。離線UPS也稱為被動備用UPS。它通常用于功率小于2 kVA的低功率應用。其基本示意圖如圖14所示。
圖14
之前在文獻中提出了一種基于減少開關數量的子產品化每相UPS系統的新拓撲結構。根據這種提議的拓撲結構，可以實作主動前端濾波和從正常模式到備份模式的無縫切換。還可以實作電網隔離，進而在停電期間不會向電力公司回報功率。是以，消除了斷路器的需求。
瞬态電壓浪湧抑制器，也稱為TVSS，提供了一種最簡單的結構來緩解電力品質問題。它被用作電源負載和敏感負載之間的接口。它将瞬态電壓限制在安全水準。TVSS包含具有非線性電阻（如齊納二極管）的元件，用于限制過高的線電壓。它将過高的脈沖引導到地。在文獻中已經開發出一個完整的TVSS系統，其中包括輸入和輸出處的并聯保護器。
TVSS瞬态電壓浪湧抑制器
隔離變壓器主要用于将敏感負載與瞬态隔離開來。它們還可以将敏感負載與噪音隔離開來。隔離變壓器的主要組成部分是位于主輔之間的非磁性箔片接地屏蔽層。任何來自電源的幹擾都會通過主輔之間的電容傳導到接地。然後它将不必要的幹擾引導到地。隔離變壓器的另一個優點是可以改善諧波和中性到地電壓。然而，隔離變壓器的主要限制之一是它無法保護系統免受電壓波動。
動态電壓恢複器（DVR）由與負載串聯連接配接的電壓源組成。負載端的輸出電壓恒定。這是通過步進變壓器實作的。此外，通過電壓變換器，将有源功率和無功功率注入輸出電源。這種動态電壓恢複器（DVR）對于緩解電壓暫降和電壓暫增等重要的電力品質問題非常有效。
動态電壓恢複器
對于可再生能源，STATCOM可以是緩解電力品質問題的合适選擇。STATCOM是一種功率電子裝置，其基本原理是在電源聯系點注入或吸收無功電流。需要額外的變流器和電力調節儀器來将可再生能源與功率電子接口內建。STATCOM單元主要用于對負載進行無功功率補償。該STATCOM單元是帶有直流連結電容器的逆變器。它接收使用改進的Icoso算法生成的控制脈沖，進而使STATCOM提供有功功率和無功功率補償。Icoso算法用于在平衡或不平衡的三相源/負載中補償諧波、無功和不平衡效應。
實際負載電流減去每相望大電流等于STATCOM的補償電流。
讓Ua、Ub、Uc分别表示相對地源電壓在所有相位上的機關振幅，它們的定義如下：
公式
所有相位上的參考源電流為：
公式
其中K是負載因子，它決定了源/電網需要提供的實際功率量。STATCOM的參考補償電流為：
公式
此外，還使用了滞後電流控制器。如果補償電流低于關閉點的值，繼電器就會關閉。然後，脈沖通過電路塊傳遞。增益因子的比例決定了從電網中提供的實際功率量，而可再生能源利用STATCOM提供其餘的功率。可再生能源接口的STATCOM配置如圖15所示。
圖15
對于風力發電系統來說，STATCOM可以非常有用，可以用作并聯的柔性交流輸電系統（FACTS）裝置。在此配置中，VSC通過耦合變壓器連接配接到系統母線。無功功率取決于VSC的幅值。在過載情況下，STATCOM向系統注入無功功率。如果終端電壓（Vpc）小于系統電壓，即面臨欠電壓情況，STATCOM吸收無功功率。
使用附加電路的STATCOM的缺點包括開關損耗大、成本增加和系統體積龐大。但上述模型用STATCOM單元替代了附加的變流器。STATCOM具有多個優點。其中之一是補償電流在電壓降低時不會減小。選擇STATCOM的其他原因包括整體功能特性更好、響應速度更快、體積更小、成本更低，以及能夠提供有功和無功功率。STATCOM可用于改善瞬态條件和電壓波動，還可以很好地控制電壓閃爍和系統的功率振蕩阻尼。
避雷器、壓敏電阻和電容器可以保護免受過電壓的影響，提供幹淨可靠的交流電源。電壓浪湧是指持續約15毫秒到半秒的電壓增加。浪湧通常是由于大負載的開關和電網切換引起的。持續時間超過兩秒的浪湧通常被稱為過電壓。壓敏電阻，如金屬氧化物壓敏電阻器（MOVs），是由類似陶瓷的材料制成的器件，通常呈圓盤形狀。
它們通常由氧化鋅與适當的添加劑混合而成。每個晶間界面都具有整流作用，并呈現特定的電壓屏障。當它們導通時，它們形成低阻抗路徑來吸收浪湧能量。壓敏電阻的電壓-電流特性由圖16定義。通過增加圓盤的尺寸，可以實作高瞬态能量吸收能力。MOVs在幾納秒内啟動，并具有較高的鉗位電壓。
圖16
一些現代的MOVs可以防止裝置過熱、冒煙甚至潛在的火災。熱保護型壓敏電阻器（TPMOVs）适用于可能發生連續交流線路過電壓的場合。靜态轉換開關（STS）在電壓擾動發生時将負載從首選源切換到備用健康源，有助于減輕中斷和電壓下降的影響。STS由兩個三相靜态開關組成，每個開關由每相兩個反并聯晶閘管構成（圖17）。
圖17
通常，主源上的靜态開關定期觸發，而另一個則關閉。這樣一來，可以通過限制負載所見的中斷和電壓下降的持續時間，進而非常有效地減輕它們的影響。STS的成功主要歸因于與其他解決方案相比相對較低的成本。需要一個與主要電源獨立的輔助供電。
靜态無功補償器（SVC）可以通過使用被動元件産生和吸收無功功率來進行交流電壓控制。SVC具有吸收無功功率變化的能力，是以在一定程度上适用于減少閃變問題。它還可以用于平衡非對稱負載。SVC通常由一個可控晶閘管電抗器（TCR）和幾個晶閘管開關電容器（TSC）支路組成。
靜态無功補償器
通過控制晶閘管的導通角度，不斷改變電感器的電抗值，而每個電容器隻能在電流過零時刻開關，以避免電容器的沖擊電流。通過這種安排，SVC可以在指定範圍内産生可變的無功功率，而TCR的尺寸限制在一個TSC支路的額定值之内。然而，SVC的響應速度較慢，限制了其對閃變的減緩能力。圖18顯示了SVC的基本原理框圖。
圖18
圖19顯示了一個簡化的示意圖，通常用于頻率控制。該示意圖通常包括三個控制部分，分别稱為三級控制、二級控制和一級控制。在大型互聯系統中，通常會有這三種控制形式。在小型孤立系統中，可能沒有二級控制。簡單來說，這種方案不包括使用頻率調整的需求側行動。也可以考慮其他不改變概念的方案。這三種控制的定義如下：一級備用是為了對抗任何頻率變化提供的電力備用，這是本地自動化控制。
圖19
二級備用是為了頻率的後備電力，将其恢複到交換計劃的目标值，這是自動化控制。三級備用是為了機組投入和排程，将二級備用配置設定進行修複，以控制最終的擁堵情況，并将頻率恢複到目标值，如果二級備用不足夠的話。還有許多其他的減緩技術，例如：真實均方根計量、裝置損壞、專用電路全面重布、網狀接地、被動濾波器、主動調節器、TN-S重布線等。并非所有技術都被廣泛應用，一些技術比其他技術更常用。圖20顯示了這些減緩技術的使用百分比。
圖20
<<·——減輕風能和太陽能發電系統的電壓和頻率波動——·>>
對于具有太陽能資源和風電場的電力系統，由于輸出的不穩定性，可能會出現頻率和電壓波動的問題。風速和太陽輻射強度的變化是造成這種不穩定性的主要原因，它們具有間歇性的特征。對于安裝了大量光伏和風電場的系統，一種可能的解決方案是通過高壓直流（HVDC）互聯線進行帶死區的頻率控制。
風力渦輪機的輸出可以抑制頻率波動。短周期成分的控制通常通過無調速器（GF）操作方法進行，而長周期成分的控制通常通過負荷頻率控制（LFC）方法進行。圖21顯示了通過HVDC線帶死區的頻率控制方法。
圖21
太陽能資源的儲能系統也是需要解決的重要問題。太陽能資源的大規模儲能系統需要具有高度的供需比對。最近，提出了一種稱為Opti-Match的架構來解決這個問題。如果将總體供電量與輸入除以輸出（I/O）需求成比例，那麼就可以實作對可再生能源的最大利用。通過這種方法，已經實作了約94%的使用率。
通過采取這些措施，我們可以有效解決太陽能和風能發電系統中的頻率和電壓波動問題。這有助于提高系統的穩定性和可靠性，并推動可再生能源的大規模應用。
在風能系統（WES）中，可以引入另一種方法，即基于LCL濾波器的網側連接配接永磁同步發電機（PMSG）的風能系統模型。該提議的系統在無功功率補償、直流連結電壓控制和LCL濾波器方面具有良好的性能。控制算法基于同步旋轉坐标系（SRF）和進階Takagi-Sugeno（TS）模糊控制器開發，相比傳統控制器，具有更優越的性能。完整的系統如圖22所示。
該模型包括四個元件：PMSG、MPPT控制、LCL濾波器和直流連結電壓。Gupta等人對該模型進行了詳細讨論。此前對連接配接375兆瓦混合風光發電場的多機電力系統進行了穩定性分析。特定的運作條件可保持系統穩定。當風速和太陽輻照度增加時，電機機電模式的阻尼條件得到改善。超級電容器（SC）可以抑制功率、風速和太陽輻照度的波動。用于研究多機電力系統穩定性的模型示意圖如圖23所示。
圖23
在多機電力系統的穩定性分析中提出的模型中，風力發電機（WTG）和光伏陣列都連接配接到一個公共的直流鍊路。風力發電機通過電壓源變流器連接配接，光伏陣列通過直流/直流升壓轉換器連接配接。在該模型中，與公共直流鍊路相關的功率通過一個複雜的系統傳遞到多機電力系統中。
該系統包括電壓源逆變器、升壓變壓器和連接配接線。超級電容器能量存儲單元通過雙向直流/直流變換器內建到公共直流鍊路中（圖24）。該單元用于減少由于風速和/或太陽輻照度變化引起的功率波動。
圖24
<<·——直流系統中的電能品質——·>>
要讨論直流配電系統中的電能品質問題，首先需要研究直流配電系統的基本應用。這種類型的系統通過消除一些整流和逆變的功率電子轉換器級别，更有效地內建了能量儲存和發電裝置。以前已經證明，直流系統使能量儲存設備的內建更簡單。它可以滿足能量和功率緩沖的需求。
在電信行業中，AC和DC系統都得到了應用，研究結果表明，設計良好的直流系統比交流系統具有更高的可靠性。此外，将多個電源內建到直流系統中不需要頻率控制和相位同步，這使得設計比交流系統更簡單。然而，檢測和清除直流總線上的故障是直流系統面臨的重要障礙。
此外，直流系統存在穩定性問題。用于建立直流電壓的功率電子變流器的非線性動力學會導緻系統失穩。在圖25中，負載轉換器指的是IT裝置作為恒定功率負載的接口。這些負載會使系統不穩定。
我們聚焦于電力品質問題、相關标準、減輕方法以及直流系統中的電力品質問題。研究的總體成果可以歸類為五個部分。
首先，電力品質問題的兩個最常見影響是電氣裝置效率下降以及過高或過低的電壓。負載切換會引起電壓波動，重負荷啟動會導緻電壓下降/上升，絕緣故障會引起長時間的電壓中斷，負載切換會導緻長時間的電壓中斷，非線性負載會産生諧波問題。
IEEE 519、IEC 61000-3-2 (1995-03)和IEC/TS 61000-3-4 (1998-10)标準提供了限制諧波問題的指導。電壓下降問題在IEEE P1564和EEE P1547a标準中得到解決。前者讨論了電壓下降的影響，後者探讨了通過減輕電壓下降問題使系統更加穩定的方法。
IEC 61000-4-15标準對閃爍問題進行了表征。一般的電力品質問題在IEEE 1159-1995标準中進行了描述。電力品質問題的影響及相應解決方案在IEEE 1250-1995和EEE P1409标準中有所描述。微電網的特性及其與電力系統的互聯在IEEE P1547标準中進行了讨論。
電壓和頻率波動以及諧波是風電場和/或光伏電池闆等可再生能源系統中的主要電力品質問題。可再生能源資源的部分不可預測性和無法控制的變動性是可再生能源側電力品質問題的原因。電力網絡側的幹擾是可再生能源系統中電力品質問題的另一個原因。所有這些問題持續的時間不同，出現的頻率也不同。
圖26顯示了電力品質問題的持續時間及其對整個系統的經濟影響。是以，監測電力品質是必要的。已經開發了幾種技術用于這一目的。
圖26
其中，LabVIEW工具、PMU技術、ADALINE、KF等在諧波檢測和監測方面非常有效。ADALINE技術也可以有效檢測其他電力品質問題，如電壓下降、電壓上升、中斷等。高分辨率方法、HT和TEO方法有助于監測電壓閃爍問題。
在解決電力品質問題方面，UPOC通過其串聯電路解決了電壓下降/上升、閃爍、電壓不平衡和諧波問題。通過其并聯電路，它解決了功率因數、負載諧波電流和負載不平衡問題。D-STATCOM可以改善低功率因數和電流諧波問題。它還可以作為濾波器、電壓調節器用于配電母線，以及負載平衡器。緊急停電情況可以通過使用UPS來處理，UPS主要用于電子和通信裝置。
TVSS可以糾正電壓突變問題。隔離變壓器可用于将敏感負載與突變隔離開來。要解決電壓下降/上升問題，DVR是一個潛在的選擇。使用改進的Icosp算法的STATCOM可以減少可再生能源系統中的電力品質問題。由于其多種優點，如功能特性優越、性能更快、體積更小、成本降低以及提供有功和無功功率的能力，STATCOM可以是解決可再生能源系統中電力品質問題的最佳選擇。表4描述了各種減輕技術及其性能水準。
表4
直流系統比交流系統具有更高的可靠性。它們還通過減少整流和電力電子變換器的需求，簡化了能源存儲和發電的內建。然而，直流系統也面臨其他障礙，例如穩定性問題。故障的檢測和清除也是直流系統的另一個關注點。我們引用的大部分文獻來自不同國家或研究工作。這些研究可能存在一些差異，可能會影響分析結果。
此外，在可再生能源中，隻考慮了太陽能和風能。其他能源，如潮汐能和海洋能，隻是在此簡要提及。此外，可能還有許多正在進行的研究工作旨在解決未在本文中涉及的電力品質問題。我們僅讨論了最重要的問題和解決方案。
未來在電力品質問題方面的研究範圍很廣泛，包括但不限于以下幾個方面：
有必要對水力發電系統的電力品質問題進行全面研究。需要更加深入地研究電力品質問題及其減輕技術。通常，可再生能源資源的不可控變化會影響使用可再生能源的系統。這種變化以及電網幹擾可能成為未來潛在的學術研究課題。
針對電壓突變問題，還可以進一步讨論減輕和監測技術。需要開發适當的監測、跟蹤和檢測方案來處理這種非常快速變化的電壓。需要開發電壓下降、上升、噪聲、中斷、瞬變等監測裝置，以更準确地跟蹤和檢測這些問題。可以進行時域和小波域分析，并比較兩種方法在監測電力品質問題方面的效率。
高次諧波和互諧波的檢測和減輕需要進行深入研究。對這兩個問題的監測也是未來研究中需要關注的重要方面。此外，微電網與電網之間的互相作用可能引入額外的電力品質問題，如損耗、不穩定性等。這些問題的減輕和監測也需要進行分析。
還需要對SR級别的合适設計進行研究，因為在電力系統中，SR級别不當可能導緻意外事件，如突然負載變化和可再生能源的間歇性，可能對電力品質産生嚴重影響。
<<·——結論——·>>
我們讨論了基于太陽能和風能等可再生能源的分布式發電系統的電力品質問題。對電力品質問題、問題來源和參數進行了全面的讨論。随後對電力品質标準進行了讨論。然後，闡述了可再生能源系統中的電力品質問題、電力品質監測技術、用于監測的裝置以及應用CPD來減輕電力品質問題。
接着讨論了改善可再生能源系統的電力品質的方法，以及對直流系統中的電力品質進行分析；最後總結了本研究的發現。
從研究結果來看，瞬變被發現是最嚴重的電力品質問題，其次是電壓突變和波動。電力品質監測技術主要用于監測諧波，而UPOC、STATCOM和旋轉備用發電被發現是最有效的電力品質控制裝置。研究發現STATCOM是一個潛在的選擇，因為它具有諸多優勢。
<<·——參考文獻——·>>
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