一、背景及發(fā)展過程
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，一方面，造成電能質(zhì)量問題的因素不斷增長，如以電力電子裝置為代表的非線性負荷的使用、各種大型用電設備的啟停等；另一方面，各種復雜的、精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設備不斷普及，人們對電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高。上述問題的矛盾越來越突出，這使得電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對人類生活和生產(chǎn)造成的損失也越來越大，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。
對供電質(zhì)量及可靠性的要求日益提高是和用戶的工藝過程水平的發(fā)展相聯(lián)系的，近代科技進步又促進生產(chǎn)過程的自動化和智能化，對電能質(zhì)量提出了更高更新的要求。一個計算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時的數(shù)據(jù)處理結(jié)果而造成上百萬元的經(jīng)濟損失。在大型機器制造廠，0.1s的電壓突降就可能造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞。當今自動化設備控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線，它們對配電系統(tǒng)中的干擾異常敏感，幾分之一秒的不正常供電就可能在工廠內(nèi)部造成混亂，其損失是難以估量的。這些用戶對不合格電力的容許度可嚴格到只有1～2周波?，F(xiàn)代化的商貿(mào)中心、銀行、醫(yī)院也是如此。諧波的嚴重危害和所造成的損失經(jīng)常被人們所提及，而無人值守變電站中計算機系統(tǒng)突然出現(xiàn)的死機現(xiàn)象，大多屬于電能質(zhì)量問題。
在我國,雖然總體經(jīng)濟和技術(shù)水平還比較落后，但在部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)電能質(zhì)量問題的影響已比較突出。而且，由于各種原因，在供電可靠性和電網(wǎng)電壓幅度的穩(wěn)定水平等指標上，我國的情況尤其落后。如何提高和保證電能質(zhì)量,已成為國內(nèi)外電工領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一。
近段時間提出的系統(tǒng)化綜合補償技術(shù)是解決電能質(zhì)量問題的“治本”途徑。對于穩(wěn)態(tài)時的電壓質(zhì)量問題有許多成熟的措施加以解決;但對于動態(tài)電能質(zhì)量問題,依靠傳統(tǒng)的無功補償和常規(guī)的濾波裝置則不能有效地解決,因為諸如電壓跌落(sags)、浪涌(surge)、電壓脈沖(impulse)與瞬時供電中斷(outage)這類電能質(zhì)量問題持續(xù)的時間很短、變化很快,并且有的電能質(zhì)量問題還伴隨著部分甚至全部的有功損失等情形。
作為facts(基于電力電子技術(shù)的靈活交流輸電系統(tǒng))技術(shù)與配電系統(tǒng)應用的延伸—dfacts技術(shù)已成為改善電能質(zhì)量的有力工具,該技術(shù)的核心器件igbt，它比gto具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達到一定規(guī)模，因此dfacts裝置具有更快的響應特性。目前dfacts裝置主要有：動態(tài)電壓恢復器(dvr)、配電系統(tǒng)用靜止同步補償器(d-statcom)、固態(tài)切換開關(guān)(ssts)等。
statcom在svc裝置基礎上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時，無法提供所需的無功支持，應付突發(fā)事件的能力較弱；而且占地面積大，過多的svc易引發(fā)系統(tǒng)振蕩的弊端，statcom的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內(nèi)恒定,在電壓低時仍能提供較強的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，使得其無功輸出相當于同容量svc的1.4～2倍；因statcom的靈活調(diào)壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數(shù)，從而減少分接頭故障次數(shù)。另外，statcom還可以抑制電壓閃變,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平,結(jié)合我國的國情和已有的技術(shù),發(fā)展statcom應是解決我國電壓穩(wěn)定問題的有效手段,并且也是dfacts技術(shù)發(fā)展的主要方向。
目前城市和農(nóng)村配網(wǎng)存在低功率因數(shù)和諧波污染問題。大量無功電流在電網(wǎng)中的流動會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴重。諧波污染則會使用電設備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設備帶來危害。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致由以下幾個方面：
1．諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的三次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。
2．影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。
3．諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使諧波危害大大增加，甚至引起嚴重事故。
4．諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。
5．諧波對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
二、用戶電力技術(shù)
80年代以來，電力電子學已逐漸成為一門新興交叉邊緣學科，與此相對應的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也得到迅速發(fā)展。以計算機技術(shù)和功率半導體制造技術(shù)為基礎和先導，開關(guān)器件功率處理能力和切換速度有了顯著提高。采用電力電子裝置等高新技術(shù),在高效使用電能上已越來越多地被人們所認識。
用戶電力技術(shù)(custompower)是美國電力科學研究院（epri）的n.g.hingorani博士繼在1986年提出柔性交流輸電技術(shù)（flexibleactransmissionsystem，簡稱facts）之后，于1988年針對配電網(wǎng)中供電質(zhì)量問題提出的新概念。其主要內(nèi)容是：對供電質(zhì)量的各種問題采用綜合的解決辦法，在配電網(wǎng)和大量商業(yè)用戶的供電端使用新型電力電子控制器。
facts技術(shù)和用戶電力技術(shù)都是以大功率可控硅為基礎，與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)技術(shù)相比具有精確、快速、靈活等特點，是解決電能質(zhì)量問題的有效手段。根據(jù)解決問題的出發(fā)點不同，這兩種技術(shù)分屬于系統(tǒng)側(cè)技術(shù)與用戶側(cè)技術(shù)。柔性輸電裝置側(cè)重于輸電系統(tǒng)，具有工作電壓高，裝置容量大等特點，其功能常常是為滿足一個區(qū)域的多數(shù)用戶而設計的；用戶電力裝置側(cè)重于配電系統(tǒng)，具有工作電壓低，裝置容量小等特點，其功能往往是根據(jù)少數(shù)用戶的要求而設計的。盡管兩種技術(shù)的側(cè)重點不同，使用目的和經(jīng)濟評價標準不同，但是在使電網(wǎng)高度柔性化，提高輸電能力的效果上是一樣的。有些裝置甚至既可以用于輸電網(wǎng)，又可以用于配電網(wǎng)，例如有源濾波裝置（activepowerfilter）和同步并聯(lián)補償器（statcom）等等。因此可以把柔性輸電技術(shù)與用戶電力技術(shù)看作同一種技術(shù)在電力系統(tǒng)不同方面的應用。
根據(jù)工作原理，用戶電力技術(shù)可以分為基于半可控器件－晶閘管的，利用其開關(guān)特性調(diào)節(jié)無源器件如電容和/或電抗的等效阻抗，以達到改變系統(tǒng)參數(shù)的目的的第一代阻抗調(diào)節(jié)型控制器，如svc和tcsc等。以及以全可控器件如igbt，gto等所構(gòu)成的電壓和電流源變流器所產(chǎn)生的同步電壓（或電流）來對系統(tǒng)的電壓和電流進行控制的第二代同步電源控制器，如同步并聯(lián)補償器statcom，同步串聯(lián)補償器和統(tǒng)一潮流控制器upfc等。上述在輸電系統(tǒng)中得到迅速發(fā)展和經(jīng)過實際運行考驗的控制器實際上均可以有效地應用于配電系統(tǒng)。
目前，facts已被國內(nèi)外一些權(quán)威的專家預測為電力系統(tǒng)“新時代的三項支撐技術(shù)（柔性交流輸電技術(shù)、先進的能量管理系統(tǒng)技術(shù)和綜合自動化技術(shù)）之一”，和“現(xiàn)代電力系統(tǒng)中三項具有變革性影響的前沿課題（柔性交流輸電技術(shù)，智能控制和基于gps的動態(tài)安全分析與監(jiān)測系統(tǒng)）之一”。
facts采用電子式的開關(guān)操作，無機械磨損，速度快（毫秒級）；既可以斷續(xù)調(diào)節(jié)，也可以連續(xù)調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)的參數(shù)。這些特點可大大提高控制的靈活性，對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)品質(zhì)的提高是有益的。
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題一般僅是關(guān)注系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況下是否供電可靠，事實上，對于大部分傳統(tǒng)設備來說，短時間的電壓電流變化對設備的影響不大，甚至當供電在一定范圍內(nèi)變化的情況下也可以保證工作。但隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)中自動生產(chǎn)線、精密加工工業(yè)、計算機系統(tǒng)、機器人等先進技術(shù)使用日益廣泛，家庭用戶和商業(yè)用戶中計算機、復印機等現(xiàn)代化辦公設備使用也越來越普遍，供電系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量惡化很可能會帶來極為嚴重的影響，因此現(xiàn)在用戶對電能質(zhì)量的要求要遠比以前嚴格。對于敏感的電力電子設備或信息設備來說，即使幾個周期的供電中斷，或電壓跌落都將影響這些設備的正常工作，造成巨大的經(jīng)濟損失。由于用戶要求的提高，保證用戶的供電質(zhì)量就成為一個非常重要而困難的課題，比如一次雷擊都會影響在方圓幾千平方公里內(nèi)任一敏感負荷的正常運行，因此要保證用戶的電能質(zhì)量依靠傳統(tǒng)的設備和方法是不行的。
facts的提出在全世界引起很大反響，各國的電力研究機構(gòu)、高等院校和制造廠家都開展了這方面的研究工作。美國、日本及歐洲一些發(fā)達國家已投入大量資金和人力進行研究開發(fā)，包括對現(xiàn)行網(wǎng)絡的評估、硬件設備的開發(fā)及facts裝置在電力系統(tǒng)中的配置應用等。國際大網(wǎng)絡會議（cigre）也于1990年成立了相應的專門研究小組，并多次召開專門的國際性學術(shù)會議。
三、目前常用設備比較
低壓無功補償裝置通常用接觸器或者晶閘管控制電容器組投切來實現(xiàn)。由于電容器組投切裝置工作原理簡單，投資少，效果好，因此它被電力部門廣泛采用。但是由于它是依靠并聯(lián)電容器組來提供無功功率，因而存在如下缺點：
1、響應時間長，通常要幾百個毫秒，不能補償動態(tài)無功。
2、補償容量受到電網(wǎng)電壓的限制，電網(wǎng)電壓越低，輸出無功越小，而此時恰恰需要向電網(wǎng)輸出無功，以期抬高電網(wǎng)電壓水平。
3、由于向電網(wǎng)并聯(lián)了電容，有可能因此引起諧波放大，甚至引起諧振短路支路。
4、因為分級投切電容，受電容器額定容量限制，補償無功容量和系統(tǒng)所需無功有一定的差別，功率因數(shù)不能提的很高。
無源濾波裝置是由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成。由于無源濾波具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波的主要手段。由于無源濾波器是通過在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，以起到濾波作用，其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而存在以下缺點：
1．諧波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大。
2．只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用。
3．濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)。
4．諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載。
5．有效材料消耗多，體積大。
statcom與以往的無功補償裝置如自動投切電容器組裝置和svc相比具有如下創(chuàng)新：
1、響應時間快
自動投切電容器組裝置的響應時間需要幾秒鐘，這是受電容器放電時間所限制。國標規(guī)定電力電容器放電時間為3秒鐘，如果放電時間太少，則電容器的剩余電荷不能放電干凈，如再次投入可能會導致電容器發(fā)生過壓擊穿現(xiàn)象。
2、不會引起諧振短路
雖然該裝置仍然采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，但是它與電網(wǎng)之間有連接電抗器，因此不會出現(xiàn)并聯(lián)諧振現(xiàn)象。
3、可以吸納無功
該裝置不僅可以應用在感性負荷場合，還可以應用在容性負荷的場合，可以提高補償效果，降低線路損耗。
4、精準電壓控制
該裝置除了可以按照功率因數(shù)或者無功功率控制之外，還可以按照電壓幅值來控制，確保用戶獲得的電壓的平穩(wěn)性，降低電壓紋波。
5．具有自適應功能，實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。
6．可同時對諧波和無功功率進行補償，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
7．受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
四、意義
發(fā)展statcom裝置具有巨大的社會效益，對國民經(jīng)濟發(fā)展有積極的意義。代表了現(xiàn)階段無功補償、電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向。