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摘 要：随着电力用户对供电质量提出了越来越高的要求，如何改善电能质量问题就成为了供电企业所关注的问题。电力扰动发生装置的研制是电能质量问题研究的前提条件之一，本文介绍了国内外几种电力扰动发生装置的研发情况，通过电能质量问题的提出，描述当前几种电力扰动发生装置的原理及应用。本文论述的几种电力扰动发生装置可以为今后装置的研发和电能质量问题的研究扩展思路。
关键词：电力扰动；电能质量；可控性；变压器
中图分类号：TM714.1
1 电能质量问题的提出
近年来，电力系统中的电能质量问题得到了越来越广泛的关注。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变以及电压暂降与短时间中断等。理想的供电电压波形应该是纯正弦的，并具备标称的幅值与频率。但是由于供电电压的非理想性、线路的阻抗、供电系统所承受的各类扰动、负荷的时变性与非线性等原因，供电电压常常会呈现出各种各样的扰动形式，从而引发电能质量问题的出现。电能质量问题的出现不是偶然的，从某种意义上说，它是科技进步的必然结果。数字化控制是目前技术进步的主要特征，在电力系统中，数字化控制主要体现于一些可控电力电子装置的引入。这些装置的引入一方面使电力系统在发电、输电、配电等各个环节的运行更加灵活；但是，与此同时，因其具有非线性特征，常常会导致电压电流波形发生波动、畸变、失衡等电能质量问题。
现代电气设备中包含大量的电子元件，这些电子元件对电能质量非常地敏感，出于保证自身生产效率与经济利益的需要，电力用户已经开始对供电质量提出了要求。最为常见电力扰动形式是电压的暂时跌落，通常几个周波的电压跌落就会造成敏感电气设备的停机，从而严重损害用户的经济利益[1]。表1示出电压跌落对一些设备的影响。
表1 电压跌落对一些设备的影响
为了改善电能质量，各类补偿装置应运而生，例如无功功率补偿器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）、动态电压恢复器（DVR）、统一电能质量调节器（UPQC）等等。这些补偿装置已经在工程上得到了广泛的应用。为此，已有不少高校或科研机构建立了电能质量实验室。电能质量实验室的建立具体服务于三个目的：1.测试补偿设备在电力扰动下的运行状况；2.测试电能质量校正设备对扰动的补偿能力；3.通过与电网连接的装置来判定电力扰动的类型和幅度。总之，电能质量实验室主要侧重于电能质量事件检测与补偿装置的研发。目前，电网电压总体来说是稳定的，其故障扰动发生的时刻与类型具备随机性，这给电能质量事件的检测与补偿装置的测试带来了困难。因此，开发出一套能够模拟电网故障的装置是极其必要的。该装置可以产生不同类型的扰动电压信号，并具备一定的带载能力，以供实验研究。可以说，研发电力扰动发生装置是研究电能质量理论问题必不可少的条件，它具有重大的理论研究意义。此外，一些电力设备对电压扰动十分敏感，严重时可造成设备停机，由此带来巨大的经济损失[2]。所以，对出厂的用户电力设备(CPD)进行扰动电压工况下的测试是极其必要的，此时也需要电力扰动发生装置的参与，因此电力扰动发生装置的研发也具备很大的市场价值。
2 电力扰动类型
电力扰动的类型繁多，通常可以分为以下几种[3]：
1 电压的暂降与暂升 电压暂降通常是指电压或电流的有效值减小到0.1～0.9pu之间，持续工频的0.5周波到1分钟。电压暂升通常是指电压或电流的有效值增加到1.1～1.8pu之间，持续工频的0.5周波到1分钟。
2 电压中断 电压突然中断几个工频周波后恢复正常。
3 电压不平衡 电压不平衡被定义为三相电压（或电流）的平均值的最大偏差，用该偏差与平均值的百分比表示。不平衡度ξ可用下式表示，式中的UN为额定线电压，Uab,Ubc,Uca为实际线电压。
ξ=max[abs(Uab-UN),abs(Ubc-UN),abs(Uca-UN)]/UN
4 电压波动与闪变 电压波动是一种电压的包络线变化或随机电压变动，由电压波动带来的灯光闪烁成为电压闪变。
5 电力谐波 电力谐波是指周期性电压或电流除工频周期外，其他频率成分含量。
6 频率偏差 供电频率偏离工频频率。
7 相位突变 电压波形相位的突然变化。
3 电力扰动发生装置研究现状
3.1 基于放大器实现扰动波形的发出
典型的扰动系统如图1所示。扰动信号由一个低电压任意波形发生器发出，信号发生器既可以是商业信号发生器产品，也可以使用相关的计算机软件来制造扰动信号，并通过数模转换器发出信号，输出信号大小一般在10V左右。扰动特性决定波形发生器发出扰动信号的类型，它既可以是标准的扰动信号，也可以是通过收集现场数据而生成的实际扰动信号。放大器将信号发生器输出的小扰动信号提升到一定的电压等级，作用于待测试装置。由于过多精密器件的投入，这类扰动装置的造价是比较高的。
图1 波形发生器与放大器实现扰动信号的发出
3.2 基于变压器的电力扰动发生装置
基于变压器的电力扰动发生装置通常由适当的开关设备与变压器的连接来实现。它能够产生0.5周波到1分钟的电压中断或暂降，相比其他类型的电力扰动装置，它具备成本低和稳定性好等优点，十分适合于实验室的研发。
2008年，美国亚利桑那大学George Karady博士和他的学生Yan Ma研发了一套基于变压器的电力扰动发生装置[4]。装置结构如图2所示，该扰动主要由三部分组成：1.移相控制电路：主要控制电压暂降扰动信号或额定电压信号的作用时间。2.驱动电路：根据控制信号来发出暂降电压或额定电压波形。3.可调电力变压器：产生暂降电压和额定电压两个电压值。在驱动电路中，两个开关均为移相控制电路控制。当开关1导通时，电源向负荷提供标准额定电压；当开关2导通时，电源向负荷提供暂降扰动电压。 图2 基于变压器的电力扰动装置示意图
3.3 基于TCR（晶闸管可控电抗器）的电力扰动发生装置
利用TCR控制升压变压器来达到期望的电压等级，通过触发角的延迟或关断来得到电压凸起和过电压信号。凹陷和欠电压则可以通过电抗器上的压降来产生，其幅值和持续时间也可以由TCR的触发角来控制。此外，在保持系统电压给定的范围内，也可以通过控制TCR触发角来产生谐波电流。但是这种方法需要从母线中吸收大量无功潮流。例如，如果要想产生50%的电压暂降，那就必须吸收2.2倍于负荷视在功率的无功功率。
3.4 基于同步发电机的电力扰动发生装置
同步发电机的端口电压是由转子励磁电流控制的，通常二者呈现正比的关系。因此通过调节同步发电机转子励磁电流可以改变发电机端电压，进而获得扰动信号。它的优点是调节方便且迅速。但是它的重量与体积太大，不易作相关实验研究。
3.5 基于电力电子变流装置的电力扰动发生装置
近年来，由于电力电子技术的飞速发展，电力电子变流装置控制技术也日益成熟，利用电力电子变流装置开发电力扰动发生装置已经成为一个研发趋势。2004年，韩国学者研发了一套基于串联变流器的电力扰动发生装置，并在KCPP（韩国电网）做了扰动试验，取得了良好的效果[5]。与此同时，我国华北电力大学电能质量实验室研发出一套基于电压源型变流器的电力扰动发生装置[6]。该系统由三相不可控整流器对直流电容进行充电，建立直流电压，再通过控制逆变器输出指定的扰动波形。这类装置的优点是技术成熟，成本低廉，且扰动类型丰富，可控性好；不足之处是不可控整流时直流侧电压的脉动较大，从而影响了扰动波形输出的精度。
4 结语
本文综述了国内外电力扰动发生装置发展的现状，论述了其原理及应用，可以为今后装置的研发和电能质量问题的研究扩展思路。
参考文献
[1] Walid G. Morsi，and M.E.El-Hawary. A New Perspective for the IEEE Standard 1459-2000 Via Stationary Wavelet Transform in the Presence of Nonstationary Power Quality Disturbance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2008，Vol23(4)：2356～2365
[2] Pedro Roncero-Sánchez，Enrique Acha，Jose Enrique Ortega-Calderon，Vicente Feliu，and Aurelio García-Cerrada. A Versatile Control Scheme for a Dynamic Voltage Restorer for Power-Quality Improvement. IEEE Transactions on Power Delivery.2009，Vol24(1)：277～284
[3] 肖湘宁，徐永海，刘连光. 供电系统电能质量[M].北京：机械工业出版社，2000.
[4] Yan Ma, George G. Karady. A Single-Phase Voltage Sag Generator for Testing Electrical Equipments[C]. Transmission and Distribution Conference and Exposition，2008.1～5
[5] Y.H. Chung, G.HKwon, T.B. Park, H.J. Kim and YS Jeon. Voltage Sag and Swell Generator with Series Injected Inverter for the KCPP[C]. 2004 lntemallonal Conference on Power System Technology - POWERCON 2004 Singapore, 2004.21～24
[6] 韩民晓，金秀月，尤勇，等.VSI型电力扰动发生装置的实现[J].电工技术杂志，2004，Vol10(6)：65～68
关键词：电力扰动；电能质量；可控性；变压器
中图分类号：TM714.1
1 电能质量问题的提出
近年来，电力系统中的电能质量问题得到了越来越广泛的关注。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变以及电压暂降与短时间中断等。理想的供电电压波形应该是纯正弦的，并具备标称的幅值与频率。但是由于供电电压的非理想性、线路的阻抗、供电系统所承受的各类扰动、负荷的时变性与非线性等原因，供电电压常常会呈现出各种各样的扰动形式，从而引发电能质量问题的出现。电能质量问题的出现不是偶然的，从某种意义上说，它是科技进步的必然结果。数字化控制是目前技术进步的主要特征，在电力系统中，数字化控制主要体现于一些可控电力电子装置的引入。这些装置的引入一方面使电力系统在发电、输电、配电等各个环节的运行更加灵活；但是，与此同时，因其具有非线性特征，常常会导致电压电流波形发生波动、畸变、失衡等电能质量问题。
现代电气设备中包含大量的电子元件，这些电子元件对电能质量非常地敏感，出于保证自身生产效率与经济利益的需要，电力用户已经开始对供电质量提出了要求。最为常见电力扰动形式是电压的暂时跌落，通常几个周波的电压跌落就会造成敏感电气设备的停机，从而严重损害用户的经济利益[1]。表1示出电压跌落对一些设备的影响。
表1 电压跌落对一些设备的影响
为了改善电能质量，各类补偿装置应运而生，例如无功功率补偿器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）、动态电压恢复器（DVR）、统一电能质量调节器（UPQC）等等。这些补偿装置已经在工程上得到了广泛的应用。为此，已有不少高校或科研机构建立了电能质量实验室。电能质量实验室的建立具体服务于三个目的：1.测试补偿设备在电力扰动下的运行状况；2.测试电能质量校正设备对扰动的补偿能力；3.通过与电网连接的装置来判定电力扰动的类型和幅度。总之，电能质量实验室主要侧重于电能质量事件检测与补偿装置的研发。目前，电网电压总体来说是稳定的，其故障扰动发生的时刻与类型具备随机性，这给电能质量事件的检测与补偿装置的测试带来了困难。因此，开发出一套能够模拟电网故障的装置是极其必要的。该装置可以产生不同类型的扰动电压信号，并具备一定的带载能力，以供实验研究。可以说，研发电力扰动发生装置是研究电能质量理论问题必不可少的条件，它具有重大的理论研究意义。此外，一些电力设备对电压扰动十分敏感，严重时可造成设备停机，由此带来巨大的经济损失[2]。所以，对出厂的用户电力设备(CPD)进行扰动电压工况下的测试是极其必要的，此时也需要电力扰动发生装置的参与，因此电力扰动发生装置的研发也具备很大的市场价值。
2 电力扰动类型
电力扰动的类型繁多，通常可以分为以下几种[3]：
1 电压的暂降与暂升 电压暂降通常是指电压或电流的有效值减小到0.1～0.9pu之间，持续工频的0.5周波到1分钟。电压暂升通常是指电压或电流的有效值增加到1.1～1.8pu之间，持续工频的0.5周波到1分钟。
2 电压中断 电压突然中断几个工频周波后恢复正常。
3 电压不平衡 电压不平衡被定义为三相电压（或电流）的平均值的最大偏差，用该偏差与平均值的百分比表示。不平衡度ξ可用下式表示，式中的UN为额定线电压，Uab,Ubc,Uca为实际线电压。
ξ=max[abs(Uab-UN),abs(Ubc-UN),abs(Uca-UN)]/UN
4 电压波动与闪变 电压波动是一种电压的包络线变化或随机电压变动，由电压波动带来的灯光闪烁成为电压闪变。
5 电力谐波 电力谐波是指周期性电压或电流除工频周期外，其他频率成分含量。
6 频率偏差 供电频率偏离工频频率。
7 相位突变 电压波形相位的突然变化。
3 电力扰动发生装置研究现状
3.1 基于放大器实现扰动波形的发出
典型的扰动系统如图1所示。扰动信号由一个低电压任意波形发生器发出，信号发生器既可以是商业信号发生器产品，也可以使用相关的计算机软件来制造扰动信号，并通过数模转换器发出信号，输出信号大小一般在10V左右。扰动特性决定波形发生器发出扰动信号的类型，它既可以是标准的扰动信号，也可以是通过收集现场数据而生成的实际扰动信号。放大器将信号发生器输出的小扰动信号提升到一定的电压等级，作用于待测试装置。由于过多精密器件的投入，这类扰动装置的造价是比较高的。
图1 波形发生器与放大器实现扰动信号的发出
3.2 基于变压器的电力扰动发生装置
基于变压器的电力扰动发生装置通常由适当的开关设备与变压器的连接来实现。它能够产生0.5周波到1分钟的电压中断或暂降，相比其他类型的电力扰动装置，它具备成本低和稳定性好等优点，十分适合于实验室的研发。
2008年，美国亚利桑那大学George Karady博士和他的学生Yan Ma研发了一套基于变压器的电力扰动发生装置[4]。装置结构如图2所示，该扰动主要由三部分组成：1.移相控制电路：主要控制电压暂降扰动信号或额定电压信号的作用时间。2.驱动电路：根据控制信号来发出暂降电压或额定电压波形。3.可调电力变压器：产生暂降电压和额定电压两个电压值。在驱动电路中，两个开关均为移相控制电路控制。当开关1导通时，电源向负荷提供标准额定电压；当开关2导通时，电源向负荷提供暂降扰动电压。 图2 基于变压器的电力扰动装置示意图
3.3 基于TCR（晶闸管可控电抗器）的电力扰动发生装置
利用TCR控制升压变压器来达到期望的电压等级，通过触发角的延迟或关断来得到电压凸起和过电压信号。凹陷和欠电压则可以通过电抗器上的压降来产生，其幅值和持续时间也可以由TCR的触发角来控制。此外，在保持系统电压给定的范围内，也可以通过控制TCR触发角来产生谐波电流。但是这种方法需要从母线中吸收大量无功潮流。例如，如果要想产生50%的电压暂降，那就必须吸收2.2倍于负荷视在功率的无功功率。
3.4 基于同步发电机的电力扰动发生装置
同步发电机的端口电压是由转子励磁电流控制的，通常二者呈现正比的关系。因此通过调节同步发电机转子励磁电流可以改变发电机端电压，进而获得扰动信号。它的优点是调节方便且迅速。但是它的重量与体积太大，不易作相关实验研究。
3.5 基于电力电子变流装置的电力扰动发生装置
近年来，由于电力电子技术的飞速发展，电力电子变流装置控制技术也日益成熟，利用电力电子变流装置开发电力扰动发生装置已经成为一个研发趋势。2004年，韩国学者研发了一套基于串联变流器的电力扰动发生装置，并在KCPP（韩国电网）做了扰动试验，取得了良好的效果[5]。与此同时，我国华北电力大学电能质量实验室研发出一套基于电压源型变流器的电力扰动发生装置[6]。该系统由三相不可控整流器对直流电容进行充电，建立直流电压，再通过控制逆变器输出指定的扰动波形。这类装置的优点是技术成熟，成本低廉，且扰动类型丰富，可控性好；不足之处是不可控整流时直流侧电压的脉动较大，从而影响了扰动波形输出的精度。
4 结语
本文综述了国内外电力扰动发生装置发展的现状，论述了其原理及应用，可以为今后装置的研发和电能质量问题的研究扩展思路。
参考文献
[1] Walid G. Morsi，and M.E.El-Hawary. A New Perspective for the IEEE Standard 1459-2000 Via Stationary Wavelet Transform in the Presence of Nonstationary Power Quality Disturbance[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2008，Vol23(4)：2356～2365
[2] Pedro Roncero-Sánchez，Enrique Acha，Jose Enrique Ortega-Calderon，Vicente Feliu，and Aurelio García-Cerrada. A Versatile Control Scheme for a Dynamic Voltage Restorer for Power-Quality Improvement. IEEE Transactions on Power Delivery.2009，Vol24(1)：277～284
[3] 肖湘宁，徐永海，刘连光. 供电系统电能质量[M].北京：机械工业出版社，2000.
[4] Yan Ma, George G. Karady. A Single-Phase Voltage Sag Generator for Testing Electrical Equipments[C]. Transmission and Distribution Conference and Exposition，2008.1～5
[5] Y.H. Chung, G.HKwon, T.B. Park, H.J. Kim and YS Jeon. Voltage Sag and Swell Generator with Series Injected Inverter for the KCPP[C]. 2004 lntemallonal Conference on Power System Technology - POWERCON 2004 Singapore, 2004.21～24
[6] 韩民晓，金秀月，尤勇，等.VSI型电力扰动发生装置的实现[J].电工技术杂志，2004，Vol10(6)：65～68