(1)标准方式 标准运行方式实现4种不同的调节目标,用户可以制定各目标的优先级次序。在标准方式下,并联电能质量调节器可同时实现下列4个调节目标:
1)有源滤波 它首先测量由负荷流向网络的电流,并将其分解成基波分量和谐波分量,然后向负荷注入某些特定频率的电流,使得有害谐波电流只流经并联电能质量调节器和负荷,而不注入网络。并联电能质量调节器不是对所有谐波都有效,它只能消除某些特定的谐波,如5次和7次谐波,最高到13次谐波。由于只过滤有害谐波,并联电能质量调节器的容量相对较小,比较经济实用。它的另一优点是,有源滤波不会影响与谐波频率相近的载波信号。
2)无功补偿 可以动态地产生容性或感性的连续变化的无功功率,可以实现功率因数控制(cosφ控制)。
3)动态负荷平衡 可以向PCC注入正序和负序电流,以消除由不平衡负荷产生的负序电流,实现负荷平衡。
4)有功功率传送 连接在直流电容器的蓄能装置可以通过它向网络传送有功功率。
(2)闪变方式 电压闪变是由突然的、随机的负荷电流变化而引起的,其频率在10Hz左右。电压闪变可能导致共同耦合点(PCC)电压下降。因此特别为并联电能质量调节器开发了一套辅助闪变算法,其响应时间为毫秒级。闪变产生的原因很多,但主要是以下2种:
1)电弧炉,其主要特征是产生频率约为9-10Hz的负荷电流幅值变化;
2)以单相或者两相负荷方式连接的焊接机,其特点是产生较大的不对称电流。
一般说来,为了降低负荷侧的闪变对系统的危害,必须采用快速、动态的补偿方法,以便能快速响应负荷电流的变化。电能质量调节器电流控制的响应时间应少于半个周期,以便能动态地抑制负荷电流的波动。
最近在德国北部安装了一台工业用并联电能质量调节器,这是目前欧洲容量最大的电能质量调节器,自1996年12月至今,一直运行正常。图4为其与系统相连的单线图,图5为时域和频域的现场测量结果。该并联电能质量调节器的容量为610kVA,装置的主要作用是将由二极管整流器产生的5次和7次谐波控制在设定值以下。采用电能质量调节器而不采用传统的LC滤波器的主要原因是因为LC滤波器会向网络注入多余的无功功率,并且可能对电力系统中传送的载波信号产生干扰。
3.2 串联电能质量调节器
串联电能质量调节器通过一个耦合变压器连接到配电网络中(如图2所示)。安装该装置的目的是补偿供电网络中存在的暂态或稳态电压畸变,以保证负荷侧的电压质量,从而维持敏感负荷的正常运行。下面将通过在配电电压等级(13.8kV)进行补偿的例子,说明如何利用电能质量调节器来提高负荷电压,以减小因电压下降对敏感负荷的影响。如图6所示,对短期电压下降非常敏感的工业负荷接在变压器的低压侧,串联电能质量调节器串接在变压器和负荷之间。采用这种结构,可以抑制因系统故障而引起的负荷电压下降。在电压持续2到3个周期低于额定电压80%的情况下,该负荷将会被自动切除。这个例子中的变电站69kV母线的短路容量为450MVA,工业负荷容量为6MVA,最小功率因数为0.92,在计算中假设其特性为恒阻抗负荷,短路故障发生在图中最下方的配电变压器低压侧。利用NETOMAC对系统进行了动态仿真[11,12],得出了在特定的短路故障条件下,公共耦合节点(PCC)电压的变化以及串联电能质量调节器的暂态特性。
图7和图8为仿真计算的结果,其中图7为对三相故障进行补偿的结果,图8所对应的故障为:首先发生一个单相对地故障(SLG),然后故障继续恶化,最后导致新的两相对地故障(2L-G)。


(1)三相故障 图6所示的三相故障将导致13.8kV侧母线电压下降50%,串联电能质量调节器对此进行了补偿,使负荷电压维持在额定电压的88%左右,高于维持该工业过程持续运行所需的最低电压,即额定电压的80%。
串联电能质量调节器可在其所设计的最大电压值范围内对电压下降进行补偿。如果负荷侧电压下降幅度太大,以致所需要的补偿电压超过了设计的最大值。此时,控制器“软”限幅环节将启动以避免脉宽调制控制器发生过调。这种情况下,负荷侧电压将低于所允许的电压下限,但串联电能质量调节器仍将提供最大限度的补偿,以阻止负荷电压的进一步下降。
(2)单相故障 一个单相对地(SLG)故障发生在图6所示母线上,由于变压器采用星型三角型接法,在补偿点测量不到故障点所产生的零序电压分量,所以串联电能质量调节器补偿电压只含正序和负序分量。在单相故障的情况下,负荷电压可以维持在额定电压附近。当发生两相对地故障时,补偿器运行于其限幅装置的上限,此时的负荷电压可保持在额定电压的80%以上。
4 结论
随着对电能质量要求的日益提高,诸如无源滤波器之类的传统装置有时无法提供所需的调节特性,而电能质量调节器则能提供有效的解决方案。随着脉宽调制电流变换装置容量的不断增大,电能质量调节器的使用范围将更加广泛。在不远的将来,电能质量调节器将和输电系统中的FACTS装置协同一致,进一步提高供电系统的电能质量。