电气工程中的电能质量改善技术研究

引言

在现代社会，电力作为一种不可或缺的能源，其质量的优劣直接影响着电力系统的安全稳定运行以及各类用电设备的正常工作。随着工业的快速发展和电力电子技术的广泛应用，大量非线性负载接入电网，导致电能质量问题愈发突出。例如，谐波污染会使电气设备发热、损耗增加，甚至引发设备故障；电压波动和闪变会影响照明设备的正常使用，降低生产效率。因此，深入研究电气工程中的电能质量改善技术具有重要的现实意义。

一、电能质量问题分析

（一）电能质量问题的表现形式

电能质量问题主要表现为电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动与闪变等形式，其成因复杂，影响广泛，直接关系到电力系统的安全运行和用电设备的正常工作。电压偏差是指电网实际电压偏离系统额定值的现象，长期运行于过高或过低电压状态下，不仅会降低电动机、变压器等关键设备的工作效率，还可能加速绝缘老化，缩短设备使用寿命。特别是在配电网末端负荷波动剧烈的情况下，电压偏差问题更为突出，严重时可导致配电变压器过载甚至烧毁。频率偏差则是指电力系统实际频率与标准频率之间的偏离，对于依赖恒定频率运行的旋转设备如异步电动机和精密仪器，频率不稳定将引发转速波动、效率下降，甚至导致系统失稳。这种现象在电源结构变化频繁、调频能力不足的电网中尤为明显，尤其是在新能源发电占比不断提高的背景下，频率调节难度进一步加大。谐波问题源于大量非线性负载设备的接入，例如整流装置、变频器及LED 照明等，其产生的高次谐波电流会引起电压与电流波形畸变，造成线路过热、保护误动以及通信干扰等问题。此外，谐波还会引起无功补偿设备的异常运行，甚至诱发谐振放大效应，加剧对电网的破坏作用。电压波动与闪变通常由短时冲击负荷引起，例如电弧炉、大型电动机频繁启停等，这类动态扰动会使照明设备出现明显闪烁，影响视觉舒适度，并对敏感电子设备造成干扰。此类问题在冶金、机械制造等行业中尤为常见，已成为制约电能质量提升的重要因素之一。上述各类电能质量问题往往相互交织，加剧了对电力系统稳定性和供电可靠性的挑战，尤其在新能源大规模并网与电力电子设备广泛应用的背景下，相关问题日益突出。由于风电、光伏等间歇性能源的接入方式具有较强的不确定性，其并网逆变器运行特性亦会对电能质量产生显著影响，亟需从技术与管理层面加以系统研究与有效应对。

（二）电能质量问题产生的原因

电能质量问题的产生主要源于两个方面。一方面，电力系统内部的发电、输电和配电环节在运行过程中不可避免地存在一定的技术局限与设备缺陷。例如，发电机在负载突变或调速系统响应滞后的情况下，可能引发频率波动与电压不稳定；变压器铁芯饱和、绕组接触不良等问题也会导致输出电压波形畸变，进一步影响电能质量。同时输配电线路的老化、三相不平衡以及接地故障等问题，都会在不同程度上加剧电压偏差和功率损耗。另一方面，随着现代电力电子技术的发展，大量非线性负载设备广泛接入电网，成为引发谐波污染的主要因素。工业领域中广泛应用的整流装置、变频调速系统、电弧炉等设备，在运行过程中会产生显著的高次谐波电流；而在居民用电环节，诸如开关电源、LED照明、家用电器等也均属于典型的非线性负载，其工作特性决定了其对电网电流波形的畸变效应。这些谐波电流注入公共电网后，不仅会引起电压总谐波畸变率升高，还可能导致继电保护误动作、电容器过载损坏甚至引发共振放大现象，严重威胁电力系统的安全稳定运行。因此，从系统结构和负载特性两个维度深入分析电能质量问题的成因，是实现电网高质量运行的前提和基础。

二、电能质量改善技术研究

（一）有源电力滤波器技术

有源电力滤波器（APF）作为现代电能质量治理的重要装置，其核心功能在于实时检测并动态补偿电网中的谐波电流。通过快速识别负载侧产生的谐波分量，并利用逆变电路生成幅值相等、相位相反的补偿电流注入系统，从而实现对谐波的有效抑制。该过程基于瞬时无功功率理论（ ⋅p-q 理论或 方法），在同步旋转坐标系下完成对电流信号的分解与重构，确保了对非线性负载引起的电流畸变具有较高的跟踪精度与响应速度。APF 不仅能有效消除特定次谐波，还可同时处理三相不平衡及无功功率补偿问题，具备多功能集成优势。其控制策略通常采用闭环反馈机制，结合数字信号处理器（DSP）与高精度电流传感器，提升系统的动态响应能力与稳态补偿精度。相比于传统无源滤波方案，APF 无需针对特定频率设计滤波支路，避免了与系统阻抗发生谐振的风险，适应性更强。此外，随着宽禁带器件（如SiC、GaN）的应用，APF 在开关频率、效率与体积方面均获得显著优化，进一步增强了其在复杂电网环境下的适用性与稳定性。因此，APF 已成为当前解决谐波污染、提升电能质量的关键技术之一。

（二）静止无功补偿器技术

静止无功补偿器（SVC）作为电力系统中常见的动态无功补偿装置，其核心作用在于实现对电网无功功率的快速、连续调节，从而有效提升功率因数，稳定系统电压，抑制电压波动与闪变。该装置主要由晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）以及固定电容器组等部分构成，形成一个具备自适应调节能力的综合补偿系统。其中，TCR 通过改变晶闸管的触发导通角来实现对电抗器吸收感性无功功率的连续调节，具备较高的动态响应特性；而 TSC 则利用晶闸管实现对并联电容器的迅速投切，在满足无功需求的同时避免机械开关带来的磨损与延迟。二者结合可实现从感性到容性范围内无功功率的平滑调节，增强系统的动态稳定性。SVC 在结构上还引入了相应的控制算法，如基于电压偏差的反馈控制或基于模糊逻辑的智能调节策略，以提高装置在复杂运行工况下的响应性能和补偿精度。SVC 系统常配备过流保护、谐波抑制和阻尼控制等功能模块，确保其在电网扰动情况下仍能可靠运行。由于其响应速度快、调节精度高、运行维护成本低等优势，SVC 广泛应用于输配电系统、冶金、风电接入及轨道交通等领域，成为改善电能质量与提升电网运行效率的重要技术手段之一。

结论

电能质量问题在电气工程中日益凸显，对电力系统和用电设备都产生了严重的影响。通过对电能质量问题的深入分析，我们明确了其表现形式和产生原因。研究了有源电力滤波器和静止无功补偿器等电能质量改善技术，这些技术在实际应用中能够有效地解决电能质量问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。未来，随着电力技术的不断发展，还需要进一步探索更加先进、高效的电能质量改善技术，以适应不断变化的电力需求。

参考文献

[1] 吴周兵 , 赖捷 . 电力系统电能质量分析与改善技术研究 [J]. 电力设备管理 ,2024,(23):207-209.

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