文/南柯纪实
编辑/南柯纪实
<<·——前言——·>>
传统的大规模发电方式包括集中式发电设施，如化石燃料发电厂、核电站、水电大坝、风力发电场等。然而，这些发电方式面临着化石燃料短缺、排放量过高和长输电线路导致的电力损耗等问题。
所谓的“电能质量”是指电力系统产生纯净、无噪声的正弦波电源，并且在电压和频率方面始终稳定。然而，在实际中，许多负载会对系统产生扰动，使得电源与理想电源供应有所偏差。美国EPRI在1992年至1997年间进行了一项研究，对扰动的平均持续时间进行了表征。该时期一个典型现场的结果，如图1所示。
图1
电能质量问题中最重要的是电压稳定性，需要进行调节。电压调节主要受无功率平衡和励磁系统的时间常数的影响。在一项针对具有12台风力涡轮机的风电场的案例研究中，谐波值会稍微对电压产生负面影响。
扰动持续时间的典型分布显示，持续时间少于一秒的扰动数量远远超过其他扰动的发生次数。已经制定了一些关于电能质量的标准，例如IEEE和EC制定的标准。分布式发电（DG）与可再生能源系统（如太阳能和风能）集成，可以实现更清洁、更高效的发电和输电。
同时也可以应用于微电网。电力系统运营商通常会保留一定比例的发电容量作为旋转备用（SR）以维持电能质量，并使用定制电力设备（CPD）。
数据中心、住宅电力系统和可再生能源发电收集系统是研究电能质量问题的例子，这也可以成为讨论直流配电系统的动机。然而，它们还存在许多待解决的问题，其中谐波问题是其中一个突出的问题。
数据中心效率的研究表明，400V直流系统具有最高的效率水平（约73%）。为了解决基于双馈感应发电机（DFIG）的并网风力发电的电能质量问题，研发了模糊控制的UPOC方法。在集成风能系统中使用FACTS装置改善电能质量的方法已经在文献中进行了讨论。
静止同步补偿器（STATCOM）可以用于无功功率补偿和功率因数改善，采用Icoso算法的模型。另一种可以减少电能质量问题的解决方案是不间断电源（UPS）。
UPS通常用于保护计算机和通信设备，在公用事业中也可用作离线备用系统。先前的研究已经在电能质量问题、标准、监测技术、缓解技术等各个方面进行了探讨。
本研究旨在对所有这些方面进行综合研究，特别是在可再生能源的情况下，并基于这项研究进行分析。对于电能质量问题如电压下降、电压升高和闪烁等问题，UPOC是一种有希望的解决方案。
此外，还总结了其他问题及其相应的缓解技术，并根据其有效性进行了性能评估。以前在可再生能源系统的电能质量和相关问题方面没有提供包括缓解技术在内，并根据其有效性进行性能评估的综合参考文献。
本研究基于电能质量问题的严重程度和缓解技术的实用性进行了观察。这一发现将有助于理解未来应该更加关注哪些电能质量问题，并且应该以更先进的方式发展哪些缓解技术。
我们的主要目标是对电能质量问题进行详细分析，并提出可能的解决方案。我们对电力系统中的电能质量进行了全面研究，包括直流系统和可再生能源系统，并阐述了定义这些问题的标准。电能质量监测技术和电力系统中电能质量问题的可能解决方案也得到了详细研究。
简而言之，我们在第一部分提供了对整体电能质量问题的全面分析。第二部分介绍了电能质量问题，如瞬变、长时间电压变动、短时间电压变动、电压不平衡、波形失真、电压波动、功率频率变动等，并介绍了电能质量问题的来源和参数。
第三部分讨论了电能质量标准，如IEEE、IEC等。第四部分研究了可再生能源系统中的电能质量问题。电能质量监测的主要目标是跟踪和检测电能质量问题，第五部分讨论了LabVIEW、FFT、ADALINE、HT、TEO等监测技术，重点关注谐波和电压闪烁问题。
第六部分讨论了用于缓解电能质量问题的设备，如SST、SVT、STATCOM、UPOC等。我们还研究了应用定制电力设备（CPD）来缓解电能质量问题的方法。第七部分讨论了在使用风能和太阳能发电等可再生能源的电力系统中改善电能质量的方法。第八部分分析了直流系统中的电能质量。最后，我们的研究结果在第九部分中呈现，随后在第十部分进行了总结。
<<·——电能质量问题及其重要性——·>>
电能质量是指保持电力系统额定电压和电流的幅值和频率接近正弦波的能力。任何电能质量的中断都会影响系统的效率。在大多数情况下，电能质量的控制主要是指电压的控制。这是因为在大多数情况下，电压比电流更容易控制。
具体而言，电能质量可以通过一些参数来描述，例如服务的连续性、电压幅值的变化、瞬态电压和电流、谐波含量（对于交流电）等。
要描述电能质量问题的重要性，我们可以说低质量的电能会导致电能的不必要浪费和经济损失。它给供应商和消费者带来了经济负担。不稳定的电压和频率经常会在输电线路中引起干扰。电能质量问题的评估过程，如图2所示。
图2
从流程图可以看出，评估的第一阶段是识别问题的类别。主要有五类问题：电压不平衡、电压中断、闪烁、瞬态和谐波失真。在确定了问题类别后，通过测量或收集数据对问题进行表征，以找出问题的原因、特征和设备影响。接下来的两个步骤是确定解决方案的范围和对解决方案进行评估。最后一步是从所有可能性中评估最佳解决方案，以实现最经济的结果。
电能质量问题中的一个重要问题是"电压波动"，它指的是电压幅值的变化。电压下降指的是供电电压幅值的减小。而"电压暂增"指的是电压瞬时增加超出正常容忍范围的现象。它的持续时间超过一个周期，通常持续时间少于几秒钟。
瞬态是能量的短暂爆发，通常由突然状态变化引起，比如突升。这种突变可能发生在电压、电流或两者的稳态条件中。另一个重要的电能质量问题是"长时间电压中断"。这个问题指的是电压或负载电流在几毫秒到一两秒的时间内完全中断或降低。这种问题会导致数据处理设备出现故障。"噪声"是指与电力系统的主波形叠加的高频信号，它可能导致数据丢失。
"闪烁"是电压的波动，其范围在额定值的90%到110%之间，来自电力供应。这种波动会损坏负载侧的设备。波形失真是与理想的电力频率正弦波存在的稳态偏差，通常通过偏离的频谱内容来表征。
主要的波形失真类型有：直流偏移谐波、互谐波凹痕和噪声。功率频率变动是指电力系统基频与指定标称值（50 Hz或60 Hz）之间的偏差。谐波是由非线性负载引起的电压或电流的波形失真。如果一个频谱分量符合谐波的条件，我们可以称之为谐波：
公式
其中，n > 0 且为整数，f表示频率，ffund表示基本电力系统频率。谐波可能会导致间歇性死机和数据混乱。
电压尖峰是指电压瞬时增加超出正常容忍范围的现象。它的持续时间超过一个周期，通常持续时间少于几秒钟。总结本节的讨论，表1列出了一些电能质量问题及其影响。
表1
根据EPRI的数据，电能质量问题的严重程度各不相同。考虑到它们对设备造成的经济损失，一种衡量严重程度的方法是考虑经济影响。表1展示了根据经济影响对这些电能质量问题进行排名。根据表中的数据，瞬态对电气设备的经济影响最为严重。
在讨论电能质量问题的来源时，可以从两个角度考虑。第一个是电力公司的来源，第二个是内部来源。前者包括闪电、功率因数校正设备、开关故障等。
而后者包括独立负载、灯光镇流器、电弧焊机和医疗设备。还可以添加一种类型的来源，即功率电子源、可变频驱动器、电池充电器、智能电网、微电网、电子调光系统、大型电动机、不间断电源等属于这个类别。图3展示了这种分类。
图3
电能质量问题的影响可以影响各种设备和系统。如前所述，它可能会造成经济负担以及设备损失。它的整体影响可以影响各类设施：高成本、中等成本和低成本。图4展示了受电能质量问题影响的按成本分类的各种设施。
图4
<<·——电能质量标准——·>>
电能质量分析中，电能质量标准的制定是关键因素之一。主要有两类标准：IEEE和IEC。根据IEEE 1159标准，电能质量问题的分类如图5所示。电能质量标准及其基本准则如表2所示。
图5
表2
除此之外，还有针对最低电能质量水平的额外规定。其中之一是由计算机和商业设备制造商协会（CBEMA）制定的曲线（图6）。该标准规定了计算机设备对电压下降、微中断和过电压的最低承受能力。图6说明，通常情况下，如果电压在允许范围内，设备将正常运行。当电压处于允许范围以下时，设备可能会发生故障。当电压位于上方禁止区域时，设备可能会受到损坏。
图6
<<·——可再生能源的电能质量——·>>
我们的主要关注点之一是可再生能源，例如风力涡轮机和太阳能光伏系统，它们是可靠的清洁能源来源。全球范围内对绿色能源的追求正在增加。据报道，2015年，可再生能源在拉丁美洲提供了52.4%的电力发电，欧洲约为34.2%，北美洲约为27.7%。
图7显示了不同地区电力发电中可再生能源的贡献。尽管可再生能源是一种有前途的清洁能源来源，但也给电力系统带来了重大的技术挑战。下面将讨论风能系统和太阳能光伏系统等可再生能源的基础知识，以及这两种系统中的电能质量问题。
图7
2014年，能源建模论坛（EMF）的EMF27模型显示，可再生能源在本世纪下半叶提供了超过35%的电力供应。在这一时期，以风能和太阳能光伏为主的电厂将在本世纪下半叶提供40%的电力。阿曼的Masirah岛的一项研究显示，使用光伏-风力-柴油混合电力系统可以降低约75%的能源成本。该研究还得出结论，如果将柴油发电厂替换为混合系统，可减少约25%的温室气体排放[。
截至2011年底，主要位于欧洲的海上风力涡轮机的累积装机容量约为4GW 。风力发电厂的一般配置如图8(a)所示 ，将风力涡轮机与电网连接的系统拓扑结构如图8(b)所示 。
图8
太阳能光伏发电厂、住宅或商业光伏系统可以创建与电网连接的太阳能光伏发电系统，其发电能力可以超过100 MW。大型发电厂连接到输电系统，而住宅（最高几千瓦）和商业光伏系统（最高几兆瓦）连接到配电网络 。
2009年，全球太阳能光伏系统的装机容量为22 GW，发电量为20 TWh 。到2013年，全球总装机容量达到了138.9 GW 。通常情况下，电力系统提供足够的旋转备用电力以实现负荷减少的频率平衡，从而实现高质量的能源可持续性。
对于可再生能源系统，存在两种主要类型的电能质量问题，即电压和频率波动以及谐波。电压和频率波动主要由两个原因引起：一是可再生能源资源的不可控变异性，二是电力网侧的干扰。谐波是由用于可再生能源发电的功率电子变换器产生的。
根据IEEE 929-2000标准，评估光伏系统的电能质量有四个主要参数，包括电压、电压闪烁、频率和失真。这些参数的偏离会导致电能质量问题。在这种情况下，逆变器可能需要停止在电力线路中引起电能质量偏差。这些问题可以从两个角度进行讨论：可再生能源方面和电力网方面。
首先，我们讨论可再生能源方面的问题。风力和太阳能光伏发电都会出现间歇性，这是由于风力和太阳能资源的部分不可预测性特征和不可控的变异性引起的，这导致了风力和光伏发电性能的波动。由于风速和太阳能辐射的变化，这两种可再生能源的输出变化很大。主要问题是电压和频率的波动。
为了减轻这些波动，需要额外的能量来在瞬时基础上平衡电网的供需；旋转备用电力也是一个选择。改进的天气和发电预测技术旨在更准确地预测不同时间尺度上的风力和太阳能资源的天气和发电输出，可以是缓解风力和太阳能资源的部分不可预测性特征的另一种解决方案。
对于低渗透率的情况，电能质量问题通常仍然存在于设备层面，解决方案通常是设备特定的。然而，高渗透率时需要电网级别的技术，这可能会产生严重的影响。
另一方面是电力网方面。除了风力和太阳能资源的部分不可预测性特征和不可控的变异性外，电力网侧的干扰也会影响可再生能源的整合。根据几个欧洲电网规范，光伏发电厂必须在不断开连接的情况下承受特定的干扰水平。
2014年，IEEE 1547a标准发布了一个与电压下降相关的新指南。其中包括新的设置，使设备能够更稳定地承受电压下降。此外，分布式资源的所有者与当地公用事业公司达成协议，以维持这些设置。表3显示了需要维持的这些设置，以减轻由于电压下降干扰而导致的电能质量问题。
表3
海洋是可再生能源的广阔来源，可以分为六种不同类型：海洋波浪能、潮汐能、潮流能、洋流能、海洋热能和盐度梯度能。海洋波浪能和潮流能在未来的能源供应中可以做出重大贡献。
海洋能源行业近年来取得了显著进展，但仍处于非常早期的阶段。目前正在进行测试的一些先进样机在中展示。海洋能源最重要的影响是对环境的影响。海洋波浪和潮流技术的其他主要影响包括对底栖生物群落的影响、栖息地变化以及海洋哺乳动物、海龟、大型鱼类和海鸟的纠缠问题。
<<·——电能质量监测——·>>
为了确保统一的电能质量，需要进行适当的监测。监测和分析系统广泛用于电能质量方面。以前的研究中使用频谱分析方法基于时域信号采集来监测电能质量指数的波动情况。同时还分析了电能质量波动的影响因素。还开发了一种监测和分析工具LabVIEW。
正如前面提到的，谐波对电网的电能质量构成威胁，对设备的安全造成伤害。补偿谐波信号是改善电能质量的必要措施。有几种谐波分析方法可用于改善电能质量，例如快速傅里叶变换（FFT）、奇异值分解（SVD）、人工神经网络（ANN）等。
分布式电能质量监测系统对于检测电能质量问题是必要的。在大多数情况下，监测方案的重点局限于供电电压的谐波，且接近实时模式。为此，存在相量测量单元（PMU）结构，测量不同切面上的电流和电压的瞬时值，然后将其传输到控制中心。
另一种检测和调整谐波问题的技术是自适应线性组合器（ADALINE）。ADALINE对于检测电压下降、电压上升、瞬变、中断等也很有效。该方法消除了设置电能质量检测阈值的需要，提供了诚实和高追踪能力。
ADALINE的输入是时延样本，输出是信号的预测值（图9）。高分辨率技术已经用于监测“闪烁”问题。根据这种技术，分析信号的频谱以检测闪烁现象。
图9
相比其他技术，使用这种方法更容易实现有效利用，因为它使用了更准确和稳健的Pony方法。卡尔曼滤波（KF）方法对于检测电压下降、电压上升、短暂中断等非常有用。以前，扰动波形是通过单独的人工神经网络在时域中自动识别的。使用KF方法，可以在小波域中完成这一过程，该方法被证明更高效。
总能量算子（Total Energy Operator，TEO）算法是一种非线性算子，用于跟踪信号的瞬时能量内容。通过TEO可以对生成信号的机械过程进行有效的测量。该算子的值是信号幅值和频率乘积的平方。扭曲信号被分为两个独立的信号：平滑版本和详细版本。
在详细版本中可以检测到高频，而在平滑版本中可以使用TEO检测到低频扰动。另一种跟踪信号包络的数学方法是希尔伯特变换（Hilbert Transform，HT）算法。HT方法通过将瞬时频谱的每个频率分量向前移动90度来实现。可以使用模拟全通滤波器在特定频带中使用该方法。TEO和HT对于监测电压闪烁问题非常有用。在图10中总结了电能质量监测技术。
图10
<<·——电能质量问题的缓解方法——·>>
在本部分中，讨论了一些基本的电能质量问题缓解方法，如STATCOM、UPOC、UPS等。通常，在传统的电力系统中，旋转备用（Spinning Reserve）允许系统在负载和发电估计中出现的不确定性、不平衡和误差进行补偿。
旋转备用是指发电机在施加额外转矩时能够提供超过额定容量的电力供应。但对于可再生能源而言，很难对该参数进行准确测量。测量可再生能源这一参数的方法有很多，但很难提供令人满意的结果。
D-Statcom是一种并联连接的定制电力设备，可以纠正功率因数和电流谐波，从而改善电能质量。它还可以在配电母线上提供滤波、电压调节和负载平衡。它有时被称为主动功率滤波器，由并联连接的电压源变流器（VSC）和采用PWM控制器组成。
由于其安装在配电侧，所以被称为D-Statcom。使用高开关频率的IGBT主要用于提高速度。电容器用于能量存储，而L-C支路则充当被动滤波器。D-STATCOM通过注入负载产生的谐波成分，并将其相移180度来补偿谐波。D-STATCOM还可以用于补偿较差的功率因数。图11显示了带有PWM控制器和主动滤波器的D-STATCOM的系统配置。
图11
统一电能质量控制器（UPOC）是一种将串联和并联主动滤波器背靠背连接的集成设备。通常，这两个滤波器在直流侧连接，并共用一个直流电容器。串联部分用于补偿供电侧的电压波动、电压不平衡、闪烁和谐波等问题。
UPOC提供电压以维持负载电压在目标水平上。并联部分用于减轻功率因数较差、负载谐波电流和负载不平衡等问题。它在系统中注入电流，使源电流成为平衡的正弦波，并与源电压保持相位一致。图12展示了带有串联和并联主动滤波器的UPOC的基本结构。
图12
UPOC用于补偿三相系统的不平衡系统电压和负载电流的失真。图13显示了UPOC的等效电路。
图13
一个不平衡的三相系统包含正序、负序和零序的基波和谐波分量。系统电压可以用方程式（5）表示：
公式5
这里的下标+、-和O分别表示正序、负序和零序分量。串联变流器用于补偿以下电压分量：
公式6
控制系统自动控制串联变流器，使输出变流器电压为Vo(t)。具有失真的非线性负载电流（方程式（7））可以表示为：
公式7
并联变流器提供对负载谐波电流的补偿，以减少电压失真。带有谐波、负序和零序电流的输出电流控制并联变流器，以便抵消负载电流的失真。被并联变流器补偿的电流分量由方程式（8）给出。
公式8
不间断电源（UPS）主要用于在主电源故障时为负载提供紧急备用电力。它主要用于通信设备和计算机等地方，其中数据丢失是一个重要问题。虽然静态UPS只适用于小型系统，但旋转式UPS在大型系统中更加有用。
通常，高质量的UPS设备采用双变换拓扑结构，将输入的交流电分解为直流电来充电电池，然后再生成质量更高的交流正弦波。DC UPS之前曾用于修正功率因数。离线UPS也称为被动备用UPS。它通常用于功率小于2 kVA的低功率应用。其基本示意图如图14所示。
图14
之前在文献中提出了一种基于减少开关数量的模块化每相UPS系统的新拓扑结构。根据这种提议的拓扑结构，可以实现主动前端滤波和从正常模式到备份模式的无缝切换。还可以实现电网隔离，从而在停电期间不会向电力公司反馈功率。因此，消除了断路器的需求。
瞬态电压浪涌抑制器，也称为TVSS，提供了一种最简单的结构来缓解电力质量问题。它被用作电源负载和敏感负载之间的接口。它将瞬态电压限制在安全水平。TVSS包含具有非线性电阻（如齐纳二极管）的元件，用于限制过高的线电压。它将过高的脉冲引导到地。在文献中已经开发出一个完整的TVSS系统，其中包括输入和输出处的并联保护器。
TVSS瞬态电压浪涌抑制器
隔离变压器主要用于将敏感负载与瞬态隔离开来。它们还可以将敏感负载与噪音隔离开来。隔离变压器的主要组成部分是位于主辅之间的非磁性箔片接地屏蔽层。任何来自电源的干扰都会通过主辅之间的电容传导到接地。然后它将不必要的干扰引导到地。隔离变压器的另一个优点是可以改善谐波和中性到地电压。然而，隔离变压器的主要限制之一是它无法保护系统免受电压波动。
动态电压恢复器（DVR）由与负载串联连接的电压源组成。负载端的输出电压恒定。这是通过步进变压器实现的。此外，通过电压变换器，将有源功率和无功功率注入输出电源。这种动态电压恢复器（DVR）对于缓解电压暂降和电压暂增等重要的电力质量问题非常有效。
动态电压恢复器
对于可再生能源，STATCOM可以是缓解电力质量问题的合适选择。STATCOM是一种功率电子设备，其基本原理是在电源联系点注入或吸收无功电流。需要额外的变流器和电力调节仪器来将可再生能源与功率电子接口集成。STATCOM单元主要用于对负载进行无功功率补偿。该STATCOM单元是带有直流链接电容器的逆变器。它接收使用改进的Icoso算法生成的控制脉冲，从而使STATCOM提供有功功率和无功功率补偿。Icoso算法用于在平衡或不平衡的三相源/负载中补偿谐波、无功和不平衡效应。
实际负载电流减去每相望大电流等于STATCOM的补偿电流。
让Ua、Ub、Uc分别表示相对地源电压在所有相位上的单位振幅，它们的定义如下：
公式
所有相位上的参考源电流为：
公式
其中K是负载因子，它决定了源/电网需要提供的实际功率量。STATCOM的参考补偿电流为：
公式
此外，还使用了滞后电流控制器。如果补偿电流低于关闭点的值，继电器就会关闭。然后，脉冲通过电路块传递。增益因子的比例决定了从电网中提供的实际功率量，而可再生能源利用STATCOM提供其余的功率。可再生能源接口的STATCOM配置如图15所示。
图15
对于风力发电系统来说，STATCOM可以非常有用，可以用作并联的柔性交流输电系统（FACTS）设备。在此配置中，VSC通过耦合变压器连接到系统母线。无功功率取决于VSC的幅值。在过载情况下，STATCOM向系统注入无功功率。如果终端电压（Vpc）小于系统电压，即面临欠电压情况，STATCOM吸收无功功率。
使用附加电路的STATCOM的缺点包括开关损耗大、成本增加和系统体积庞大。但上述模型用STATCOM单元替代了附加的变流器。STATCOM具有多个优点。其中之一是补偿电流在电压降低时不会减小。选择STATCOM的其他原因包括整体功能特性更好、响应速度更快、体积更小、成本更低，以及能够提供有功和无功功率。STATCOM可用于改善瞬态条件和电压波动，还可以很好地控制电压闪烁和系统的功率振荡阻尼。
避雷器、压敏电阻和电容器可以保护免受过电压的影响，提供干净可靠的交流电源。电压浪涌是指持续约15毫秒到半秒的电压增加。浪涌通常是由于大负载的开关和电网切换引起的。持续时间超过两秒的浪涌通常被称为过电压。压敏电阻，如金属氧化物压敏电阻器（MOVs），是由类似陶瓷的材料制成的器件，通常呈圆盘形状。
它们通常由氧化锌与适当的添加剂混合而成。每个晶间界面都具有整流作用，并呈现特定的电压屏障。当它们导通时，它们形成低阻抗路径来吸收浪涌能量。压敏电阻的电压-电流特性由图16定义。通过增加圆盘的尺寸，可以实现高瞬态能量吸收能力。MOVs在几纳秒内启动，并具有较高的钳位电压。
图16
一些现代的MOVs可以防止设备过热、冒烟甚至潜在的火灾。热保护型压敏电阻器（TPMOVs）适用于可能发生连续交流线路过电压的场合。静态转换开关（STS）在电压扰动发生时将负载从首选源切换到备用健康源，有助于减轻中断和电压下降的影响。STS由两个三相静态开关组成，每个开关由每相两个反并联晶闸管构成（图17）。
图17
通常，主源上的静态开关定期触发，而另一个则关闭。这样一来，可以通过限制负载所见的中断和电压下降的持续时间，从而非常有效地减轻它们的影响。STS的成功主要归因于与其他解决方案相比相对较低的成本。需要一个与主要电源独立的辅助供电。
静态无功补偿器（SVC）可以通过使用被动元件产生和吸收无功功率来进行交流电压控制。SVC具有吸收无功功率变化的能力，因此在一定程度上适用于减少闪变问题。它还可以用于平衡非对称负载。SVC通常由一个可控晶闸管电抗器（TCR）和几个晶闸管开关电容器（TSC）支路组成。
静态无功补偿器
通过控制晶闸管的导通角度，不断改变电感器的电抗值，而每个电容器只能在电流过零时刻开关，以避免电容器的冲击电流。通过这种安排，SVC可以在指定范围内产生可变的无功功率，而TCR的尺寸限制在一个TSC支路的额定值之内。然而，SVC的响应速度较慢，限制了其对闪变的减缓能力。图18显示了SVC的基本原理框图。
图18
图19显示了一个简化的示意图，通常用于频率控制。该示意图通常包括三个控制部分，分别称为三级控制、二级控制和一级控制。在大型互联系统中，通常会有这三种控制形式。在小型孤立系统中，可能没有二级控制。简单来说，这种方案不包括使用频率调整的需求侧行动。也可以考虑其他不改变概念的方案。这三种控制的定义如下：一级备用是为了对抗任何频率变化提供的电力备用，这是本地自动化控制。
图19
二级备用是为了频率的后备电力，将其恢复到交换计划的目标值，这是自动化控制。三级备用是为了机组投入和调度，将二级备用分配进行修复，以控制最终的拥堵情况，并将频率恢复到目标值，如果二级备用不足够的话。还有许多其他的减缓技术，例如：真实均方根计量、设备损坏、专用电路全面重布、网状接地、被动滤波器、主动调节器、TN-S重布线等。并非所有技术都被广泛应用，一些技术比其他技术更常用。图20显示了这些减缓技术的使用百分比。
图20
<<·——减轻风能和太阳能发电系统的电压和频率波动——·>>
对于具有太阳能资源和风电场的电力系统，由于输出的不稳定性，可能会出现频率和电压波动的问题。风速和太阳辐射强度的变化是造成这种不稳定性的主要原因，它们具有间歇性的特征。对于安装了大量光伏和风电场的系统，一种可能的解决方案是通过高压直流（HVDC）互联线进行带死区的频率控制。
风力涡轮机的输出可以抑制频率波动。短周期成分的控制通常通过无调速器（GF）操作方法进行，而长周期成分的控制通常通过负荷频率控制（LFC）方法进行。图21显示了通过HVDC线带死区的频率控制方法。
图21
太阳能资源的储能系统也是需要解决的重要问题。太阳能资源的大规模储能系统需要具有高度的供需匹配。最近，提出了一种称为Opti-Match的框架来解决这个问题。如果将总体供电量与输入除以输出（I/O）需求成比例，那么就可以实现对可再生能源的最大利用。通过这种方法，已经实现了约94%的利用率。
通过采取这些措施，我们可以有效解决太阳能和风能发电系统中的频率和电压波动问题。这有助于提高系统的稳定性和可靠性，并推动可再生能源的大规模应用。
在风能系统（WES）中，可以引入另一种方法，即基于LCL滤波器的网侧连接永磁同步发电机（PMSG）的风能系统模型。该提议的系统在无功功率补偿、直流链接电压控制和LCL滤波器方面具有良好的性能。控制算法基于同步旋转坐标系（SRF）和高级Takagi-Sugeno（TS）模糊控制器开发，相比传统控制器，具有更优越的性能。完整的系统如图22所示。
该模型包括四个组件：PMSG、MPPT控制、LCL滤波器和直流链接电压。Gupta等人对该模型进行了详细讨论。此前对连接375兆瓦混合风光发电场的多机电力系统进行了稳定性分析。特定的运行条件可保持系统稳定。当风速和太阳辐照度增加时，电机机电模式的阻尼条件得到改善。超级电容器（SC）可以抑制功率、风速和太阳辐照度的波动。用于研究多机电力系统稳定性的模型示意图如图23所示。
图23
在多机电力系统的稳定性分析中提出的模型中，风力发电机（WTG）和光伏阵列都连接到一个公共的直流链路。风力发电机通过电压源变流器连接，光伏阵列通过直流/直流升压转换器连接。在该模型中，与公共直流链路相关的功率通过一个复杂的系统传递到多机电力系统中。
该系统包括电压源逆变器、升压变压器和连接线。超级电容器能量存储单元通过双向直流/直流变换器集成到公共直流链路中（图24）。该单元用于减少由于风速和/或太阳辐照度变化引起的功率波动。
图24
<<·——直流系统中的电能质量——·>>
要讨论直流配电系统中的电能质量问题，首先需要研究直流配电系统的基本应用。这种类型的系统通过消除一些整流和逆变的功率电子转换器级别，更有效地集成了能量储存和发电设备。以前已经证明，直流系统使能量存储设备的集成更简单。它可以满足能量和功率缓冲的需求。
在电信行业中，AC和DC系统都得到了应用，研究结果表明，设计良好的直流系统比交流系统具有更高的可靠性。此外，将多个电源集成到直流系统中不需要频率控制和相位同步，这使得设计比交流系统更简单。然而，检测和清除直流总线上的故障是直流系统面临的重要障碍。
此外，直流系统存在稳定性问题。用于创建直流电压的功率电子变流器的非线性动力学会导致系统失稳。在图25中，负载转换器指的是IT设备作为恒定功率负载的接口。这些负载会使系统不稳定。
我们聚焦于电力质量问题、相关标准、减轻方法以及直流系统中的电力质量问题。研究的总体成果可以归类为五个部分。
首先，电力质量问题的两个最常见影响是电气设备效率下降以及过高或过低的电压。负载切换会引起电压波动，重负荷启动会导致电压下降/上升，绝缘故障会引起长时间的电压中断，负载切换会导致长时间的电压中断，非线性负载会产生谐波问题。
IEEE 519、IEC 61000-3-2 (1995-03)和IEC/TS 61000-3-4 (1998-10)标准提供了限制谐波问题的指导。电压下降问题在IEEE P1564和EEE P1547a标准中得到解决。前者讨论了电压下降的影响，后者探讨了通过减轻电压下降问题使系统更加稳定的方法。
IEC 61000-4-15标准对闪烁问题进行了表征。一般的电力质量问题在IEEE 1159-1995标准中进行了描述。电力质量问题的影响及相应解决方案在IEEE 1250-1995和EEE P1409标准中有所描述。微电网的特性及其与电力系统的互联在IEEE P1547标准中进行了讨论。
电压和频率波动以及谐波是风电场和/或光伏电池板等可再生能源系统中的主要电力质量问题。可再生能源资源的部分不可预测性和无法控制的变动性是可再生能源侧电力质量问题的原因。电力网络侧的干扰是可再生能源系统中电力质量问题的另一个原因。所有这些问题持续的时间不同，出现的频率也不同。
图26显示了电力质量问题的持续时间及其对整个系统的经济影响。因此，监测电力质量是必要的。已经开发了几种技术用于这一目的。
图26
其中，LabVIEW工具、PMU技术、ADALINE、KF等在谐波检测和监测方面非常有效。ADALINE技术也可以有效检测其他电力质量问题，如电压下降、电压上升、中断等。高分辨率方法、HT和TEO方法有助于监测电压闪烁问题。
在解决电力质量问题方面，UPOC通过其串联电路解决了电压下降/上升、闪烁、电压不平衡和谐波问题。通过其并联电路，它解决了功率因数、负载谐波电流和负载不平衡问题。D-STATCOM可以改善低功率因数和电流谐波问题。它还可以作为滤波器、电压调节器用于配电母线，以及负载平衡器。紧急停电情况可以通过使用UPS来处理，UPS主要用于电子和通信设备。
TVSS可以纠正电压突变问题。隔离变压器可用于将敏感负载与突变隔离开来。要解决电压下降/上升问题，DVR是一个潜在的选择。使用改进的Icosp算法的STATCOM可以减少可再生能源系统中的电力质量问题。由于其多种优点，如功能特性优越、性能更快、体积更小、成本降低以及提供有功和无功功率的能力，STATCOM可以是解决可再生能源系统中电力质量问题的最佳选择。表4描述了各种减轻技术及其性能水平。
表4
直流系统比交流系统具有更高的可靠性。它们还通过减少整流和电力电子变换器的需求，简化了能源存储和发电的集成。然而，直流系统也面临其他障碍，例如稳定性问题。故障的检测和清除也是直流系统的另一个关注点。我们引用的大部分文献来自不同国家或研究工作。这些研究可能存在一些差异，可能会影响分析结果。
此外，在可再生能源中，只考虑了太阳能和风能。其他能源，如潮汐能和海洋能，只是在此简要提及。此外，可能还有许多正在进行的研究工作旨在解决未在本文中涉及的电力质量问题。我们仅讨论了最重要的问题和解决方案。
未来在电力质量问题方面的研究范围很广泛，包括但不限于以下几个方面：
有必要对水力发电系统的电力质量问题进行全面研究。需要更加深入地研究电力质量问题及其减轻技术。通常，可再生能源资源的不可控变化会影响使用可再生能源的系统。这种变化以及电网干扰可能成为未来潜在的学术研究课题。
针对电压突变问题，还可以进一步讨论减轻和监测技术。需要开发适当的监测、跟踪和检测方案来处理这种非常快速变化的电压。需要开发电压下降、上升、噪声、中断、瞬变等监测设备，以更准确地跟踪和检测这些问题。可以进行时域和小波域分析，并比较两种方法在监测电力质量问题方面的效率。
高次谐波和互谐波的检测和减轻需要进行深入研究。对这两个问题的监测也是未来研究中需要关注的重要方面。此外，微电网与电网之间的相互作用可能引入额外的电力质量问题，如损耗、不稳定性等。这些问题的减轻和监测也需要进行分析。
还需要对SR级别的合适设计进行研究，因为在电力系统中，SR级别不当可能导致意外事件，如突然负载变化和可再生能源的间歇性，可能对电力质量产生严重影响。
<<·——结论——·>>
我们讨论了基于太阳能和风能等可再生能源的分布式发电系统的电力质量问题。对电力质量问题、问题来源和参数进行了全面的讨论。随后对电力质量标准进行了讨论。然后，阐述了可再生能源系统中的电力质量问题、电力质量监测技术、用于监测的设备以及应用CPD来减轻电力质量问题。
接着讨论了改善可再生能源系统的电力质量的方法，以及对直流系统中的电力质量进行分析；最后总结了本研究的发现。
从研究结果来看，瞬变被发现是最严重的电力质量问题，其次是电压突变和波动。电力质量监测技术主要用于监测谐波，而UPOC、STATCOM和旋转备用发电被发现是最有效的电力质量控制装置。研究发现STATCOM是一个潜在的选择，因为它具有诸多优势。
<<·——参考文献——·>>
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