1.1电能质量问题

电能已成为当下社会必需能源，它以清洁、输送范围广、使用便捷的优点成为最普遍的能源形式。电能已经应用到社会各方面，人类也很依赖于电能，没有了电能，很多器件将很难实现正常运转。大区域大电网互联是我国电力系统与能源的新形势，而特高压是实现电力统筹协调输送的主动脉。高压直流输电作为一种有效解决电网互联问题的输电方式，已受到广泛的关注，但是在换流站进行交直流变换时，换流装置的非线性特性使交流系统与直流系统都会产生谐波，目前我国正在加快信息化、工业化进程，电力负载呈现出了新的变化趋势，例如工业中大量使用的电力电子变流装置与电弧炉等冲击性负荷、非线性负荷的大量出现，工业变频调速装置与电力机车的大量使用，使得电力系统的谐波源种类、数量都不断增加，带来电能质量问题。此外，许多电力负载如医疗器械、工业控制系统、精密仪器、医疗设备等对谐波电流及电压的暂升、暂降、波动、不平衡等电能质量问题格外敏感。从负载的角度讲，电力负载呈现出多样化的特点，在对电能质量严格要求的同时，自身也会带来各种电能质量问题，因此电能质量调节装置在电力负载端已不可或缺。最后，在较小容量的电力网络中，诸如光伏发电、风力发电、潮汐发电以及其他新能源发电这些小容量分布式发电系统普遍存在电网电压不对称、电压畸变以及电压波动等现象，在这类电力系统中特别需要电能质量调节装置对电网电压进行调节，以保证供应可靠稳定电能。

1.2电能质量调节相关专业知识的发展历史、现状及趋势

电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展初期，电力负荷的组成以及衡量电能质量的指标都比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，主要指标有频率和电压偏移。20世纪80年代以来，电力电子技术不断发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业化发展中得到了广泛应用。为了解决电力系统自身问题，不断的投入直流输电和FACTS技术到实际工程应用中，调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营，这些设备使电网中电压和电流波形畸变更加严重，谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机等在运行时不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求更高，因而电能质量成为目前研究的热点。

电能质量的控制比较复杂，涉及到电力电子、电力系统、自动控制等多个方面。目前国外有关电能质量控制的研究主要包括功率理论的扩展，电能质量评价系统的建立，电能质量新的分析方法的提出，及基于用户电力技术的电能质量控制装置的设计与实现。国际上几家知名大公司都已生产出了电能质量调节器，如西门子的SIPCON2S，GE的SSVR，ABB的DVR，以及Softswitching的DSC。Westinghouse研制的世界上第1台DVR在1996年8月投入工业使用；美国IGC和ASC的小型(1MJ～10MJ)低温SMES也已投入市场，日本、德国、法国等也都对低温SMES展开了更进一步的研究。结合目前国内外关于电能质量的研究现状以及社会进步对电能质量提出的新要求，应在以下几个方面对电能质量控制技术进行进一步完善：a.新的电能质量控制装置并网运行后会对系统带来更多的影响，应寻求新的计算方法去评估电能质量。b利用燃料电池和微型燃汽轮机等新能源为电能质量控制技术带来崭新活力，分布式清洁能源可以提高电能质量，保障供电可靠性，计算机和通信技术的发展使远程检测电能质量更加容易实现，大功率、可自关断电力电子器件与现代控制技术相结合研制出新型的电能质量调节装置。c.大力发展用户电力技术，这是为实现电能质量控制和为用户提供用户特定要求的现代电力电子控制技术。

1.3电能质量管理技术发展历史中的重大突破的背景和影响

在电力发展早期，电能主要用来照明，停电后可以马上点燃蜡烛，并不会带来大的损失。但当主要电力负荷变为工、农业生产和商业元件后，短暂的停电就会造成巨大损失，为了提高供电可靠性，就出现了备用电源、断路器等装置。随着现代科技的进步，生产过程更加自动化和智能化，对电能质量要求也更高。一个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据，导致上百万的经济损失；在大型机器制造厂，0.1s的电压突降就可能造成异常的生产状况，当今自动化设备控制加工生产线更加精密，对电网系统中的干扰非常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，损失难以估量，现代化的商贸中心、银行、医院亦是如此。谐波也会导致各种设备运行发生异常，产生的严重危害和造成的损失也会影响到人们的生产生活。

1996 年日本学者 H.Akagi 提出了统一电能质量调节器(unified power quality conditioner，UPQC)的概念，其由串联有源电力滤波器(active power filter，APF)和并联有源电力滤波器组合形成。串并联APF分别由串联逆变器(series inverter，SEIN)和并联逆变器(shunt inverter，SHIN)实现，SEIN补偿负载电压或电源电流、SHIN补偿电源电流或负载电压，保证优良的负载电压与电源电流品质。

近几年，统一电能质量补偿装置已成为我国电气领域热门研究之一，其主线路由直流侧、L-C滤波器、串联侧、并联侧四部分组成。从结构来看，统一电能质量调节器是动态与有源电压调节器的结合，其补偿量的检测方法是由有源滤波器的谐波检测延伸拓展而来。虽然UPQC 成本高、结构与控制复杂，但能很好地隔离电压与电流谐波、有效阻止谐波扩散、解决耐压问题，几乎能抑制所有电能质量(power quality，PQ)问题，成为改进 PQ 最具吸引力的方法。要实现统一电能质量调节器在超高电压等级的应用，对其主电路拓扑结构的研究与直流侧储能元件的研究至关重要，

1.4统一电能质量调节器的国内外研究现状