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时间；电压跌落时还往往伴随着电压相位的突然改变，称为相位跳变。当电压均方根值降低到接近于零时，称为电压中断。根据中断持续时间的长短，电压中断又可以分为长时间中断和短时间中断。对长短时间中断的持续时间，其定义还未统一，一般将2~3分钟以内的中断定义为短时间中断，3分钟以上的为长时间中断。短时间中断又称为瞬间断电，它可以引起灯光熄灭、显示屏幕空白，甚至破坏正常的生产过程，使计算机信息丢失，控制系统失灵。瞬间断电往往给用户带来不便甚至是严重的经济损失，产生不良的社会影响。 当电力系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器及电容器组的投切时，均有可能导致电压跌落。其中，短路故障、感应电机启动和雷击又是电压跌落的主要诱因。电力系统中的永久性故障可以被断路器清除，但这也就导致了该线路上的长时间供电中断的故障，当保护动作可以短时间内重新供电时，这种故障就转化为短时间中断。 1.2.1.3 电压三相不平衡
电力系统电压三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两类。电压事故性不平衡是由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。正常性不平衡是电力系统在正常运行情况下，由供电环节的不平衡或用电环节的不平衡引起的。供电环节一般涉及到发电机、变压器和线路，其中供电线路的不平衡是引起电压不平衡的主要因素；用电环节的三相负荷不对称是引起系统电压不平衡的主要因素。 系统电压的三相不平衡会对电气设备产生不良影响。负序电压会对电动机产生制动转矩，引起电动机振动，同时增加电动机的铜耗，使得电动机的效率降低；由于电压的三相不平衡，换流器会产生较大的谐波，这就会对换流器的谐波治理提出更高的要求；电压三相不平衡系统的负序分量过大，可能导致一些相关的保护和自动装置误动作，威胁到电力系统的安全运行；电压三相不平衡还会增加线路上的附加损耗，降低电力系统运行的经济性。
1.2.1.4 电压波动与闪变
电压波动是电压的均方根值一系列的相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，或是随机的。引起电压波动的原因是多种多样的：配电系统的短路故障或开关操作，无功功率补偿装置或大型整流设备的投切，功率冲击性波动负荷都可能导致电压波动，其中以波动性负荷为电压波动的主要诱因。
电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但由于实际情况中电压波动值往往小于电气设备的电压敏感值，所以它很少造成电气设备的损坏。但在办公、商用和民用设备的照明电光源中，白炽灯占很大比例，而白炽灯的电功率与电源电压的平方成正比，受电压波动的影响较大。因此，研究电压波动的影响时，通常选白炽灯光照设备受影响的程度作为判断电压波动是否可以接受的依据。电光源的电压波动造成灯光照度不稳定引起人眼的视觉反应称为闪变。
1.2.1.5 电压的谐波分量
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波一般是在稳态情况下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的或至少持续几秒种，但有的暂态动作引起的波形畸变也可能持续时间比较长，这种情况下就可能会导致谐波的出现。20世纪80年代以来，电力电子学已经逐渐成为一门新兴的科学，与之对应的现代电力电子技术也得到了迅速的发展。电力电子装置在实现功率控制和处理的同时，都将不可避免地产生非正弦
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波形，向电力系统注入谐波电流，使得公共连接点的电压波形产生畸变，从而影响电能质量。
谐波的污染与危害主要表现在对电力和信号的干扰影响方面。在电力危害方面，谐波会导致旋转电机等的附加损耗增加，缩短使用寿命；会产生过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；会造成电能计量的错误。在信号干扰方面，谐波会对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；会使自动控制和保护装置不正确动作；会危害功率处理器的正常运行。
1.2.2 电压质量问题的重要性
总的来说，电能质量关系到国民经济的总体效益，是国家发展和人民生活进步的基本条件与保障。
在近五到十年，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机，微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中的大量使用，他们对系统干扰比机电设备更敏感，因此对电压质量的要求也越来越高。一旦出现电压质量问题，轻则造成设备故障,重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。据报道，1995年美国工业由于电源电压质量问题造成的损失超过200亿美元。在电压质量问题中尤其要注意的是电压跌落和瞬时断电两种干扰，而且因电压跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的事故次数的10倍。专家们认为，电压跌落与瞬时断电已上升为最重要的电能质量问题之一，应引起足够的重视。
1.3 引起电压干扰的原因与解决办法
引起电压干扰的原因多种多样，但总体来说可以分为如下几种类型：
表1.1 引起电压干扰的原因 类型 谐波 扰动性质 稳态 特征指标 三相不对称 稳态 陷波 稳态 电压闪变 稳态 谐振暂态 脉冲暂态 暂态 暂态 后果 设备过热、 谐波频谱电非线性负 继电保护误 压、电流波载、固态开 动、设备绝形 关负载 缘破坏 设备过热、 继电保护误 不平衡因子 不对称负载 动、通信干 扰 计时器计时 持续时间、调速驱动 错误、通信幅值 器 干扰 波动幅值、电弧炉、电伺服电机运 出现频率、机启动 行不正常 调制频率 线路、负载 设备绝缘破 波形、峰值、和电容器组坏、损坏电 持续时间 的投切 力电子设备 上升时间、闪电电击 设备绝缘破 产生原因 解决方法 有源、无源 滤波 静止无功补 偿 电容器、隔 离电感器 静止无功补偿 滤波器、隔 离变压器、避雷器 避雷器 第５页 瞬时电压上 升、瞬时电 压下降 噪声 暂态 稳态/暂态 峰值、持续线路、感性坏 时间 电路开合 幅值、持续远端发生 设备停运、 不间断电 时间、瞬时故障、电机敏感负载不 源、动态电 值/时间 启动 能正常运行 压恢复器 不正常接 微处理器控 正确接地、 幅值、频谱 地、固态开制设备不正 滤波器 关负载 常运行 1.3.1 引起电压干扰的原因
根据表1-1能够看出，引起电压干扰的起因可大致分为两类： （1）内因。
系统中本身接有干扰性负荷，如电弧炉、整流器、单相负荷等。这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等主要根源就在于非线性负荷侧。而且，这些负面影响可能通过PCC（公共连接点）波及其他终端用户。 （2）外因。
雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换、大功率电动机启动等都可能干扰系统，造成断电或电压下降，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。 1.3.2 解决电压质量波动的措施
电压质量是稳定电能质量的关键，在实际生产中，通常有两种方法来提高电能质量，第一种是改善负荷特性，降低用户设备对电能质量的敏感程度，使具有更高的抗扰动的能力；第二种方法就是加装补偿装置，来抵消系统中的干扰，使用户侧的电能减少不必要的扰动。实际中，第二种方法被广泛的采用，不仅加装补偿装置简单、方便、易于调节，而且获得收益更高，电压质量更稳定。现在，补偿装置有了很大的发展，除了传统的并联电容器、有载调压变压器、同步调相机等外，还有许多新兴基于电力电子技术的补偿装置，极大地改善了电网中的电能质量。
1.4 储能设备的发展现状
现阶段，可应用于配电网的储能系统主要有下面几类：超导储能系统、蓄电池储能系统、飞轮储能系统和超级电容器储能系统。 1.超导储能（SMES）
超导储能是利用超导线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，在需要时再送回电网或直接给负荷供电。由于超导储能存储的电磁能不经过其它形式的能量转换，且线圈在接近零下273℃的低温环境下电阻很小，所以其能量损耗很少，转换效率可达到95%以上。此外，超导储能还有调节容易，不受地域限制，维护方便，无污染等优点。超导储能正得到越来越深入的研究，但其也有冷却费用高，对磁场环境和电流强度等敏感的缺点。
2.蓄电池储能系统（BESS）
蓄电池储能系统是最早的多次利用电源，由于各种原因在电力系统中一直没有受到重视。随着电力电子技术的发展，使蓄电池的直流形式的电能可以转变成交流电并入电网或供应交流用户。现在一般用蓄电池储能系统解决变电站操作电源问题，有时也用蓄电池储能来协助无功补偿装置，或用于抑制电压波动和闪变。然而蓄电池的充电电压不能太高，
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要求充电器具有稳压和限压功能。蓄电池的充电电流不能过大，要求充电器具有稳流和限流功能，所以它的充电回路也比较复杂。另外，电池受充放电电流的限制，充电时间长，一般为十几小时，充放次数仅数百次，因此限制了使用寿命，导致维修费用较高。如果过度充电或短路容易爆炸，而且由于在蓄电池中使用了铅等有害金属，其容易造成环境污染 3. 飞轮储能（FES）
早在50年代就有人提出了利用高速旋转的飞轮来存储能量，并将其用于电动汽车的设想。90年代以来，超导磁悬浮技术研究进展很快，配合真空技术，把电机的摩擦损耗和风损耗降到了最低限度。另外，高强度的碳素纤维合成材料的出现，大大增加了动能储量。这些都对飞轮储能的发展产生了重要的影响。飞轮储能与外界交换能量通过电动/发电机系统。当飞轮储存能量时，飞轮储能作为电动机运行，飞轮加速；当飞轮释放能量时，飞轮储能作为发电机运行，飞轮减速。飞轮储能一般应用在系统调峰和对增加系统稳定性方面。但是由于飞轮系统的组成和控制相当复杂，导致其造价较为昂贵，对材料要求较高，安全性和可靠性不稳定。 4.超级电容器储能
超级电容器(Super capacitors)是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的重视，目前发展十分迅速。
图 1-1 几种超级电容的外部结构
1.5 本章小结
本章描述了现在社会随着科技的发展，人们的生产和生活对电网电压的质量问题要求越来越高，于是电能质量这一概念就被人提出。在最近的时间里，补偿装置有了很大的发展，除了传统的并联电容器、有载调压变压器、同步调相机等外，还有许多新兴基于电力电子技术的补偿装置，极大地改善了电网中的电能质量。各种电力电子器件对提高电网中电能的质量起到了极大地作用，但是仍然有各自的优缺点。
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2 超级电容器简介
采用电化学双电层原理的超级电容器——双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor；EDLC）,也叫功率电容器（Power Capacitor）,是一种介于普通电容器和二次电池之间的一种新型储能装置。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身, 具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，被广泛应用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等, 尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。
2.1 超级电容器的产生背景
1879年，亥姆霍茨(Helmholtz)发现界面双电层现象，提出了平板电容器的解释模型，但直到1957年Becker获得了双电层电容器的专利，才使得超级电容器的产品化有了新的突破。到目前超级电容器已有50多年的发展历史，其间对于超级电容器的研究主要集中在寻找电极活性物质作为电极的研究上。今后人们将会继续研究与开发新颖的电极材料、选择合适的电解液、优化电容器的组装技术 。目前电极材料可以分为三类：第一类是碳材料；第二类是过渡金属氧化物；第三类是导电聚合物材料。
实际上，后两种物质作电极的性能要优于碳材料，但昂贵的贵金属材料以及性能不稳定的导电聚合物掺杂，使得后两类超级电容器的研究多限于实验室，短期内不太可能进行商业化。此外，还有使用不同正负电极材料的非对称型超级电容器(也称混合超级电容器或杂化超级电容器)，其储能能力大大增加 。
在超级电容器的产业化上，最早是1980年NEC／Tokin与1987年松下三菱的产品。到20世纪90年代，Econd和ELIT推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans，SAFT，Cap—xx，NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。总的来说，目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的基本上都是双电层电容器 。
2.2 超级电容器的原理及分类
按采用的电极不同，超级电容器主要有以下几种类型：碳基电极电容器、贵金属氧化物电极电容器和导电聚合物电极电容器等类型，现在应用最为广泛的为碳基超级电容器。 按存储电能的机理不同，超级电容器可以分为两种类型，一种是“双电层电容器”(Double Layer Capacitor，DLC)，其电容的产生主要基于“电极/电解液”上电荷分离所产生，如碳基电极电容器；另一种则被称为“法拉第准电容”(Faradic pseundo Capacitance)，由贵金属或贵金属氧化物电极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物表面及体相中发生氧化还原反应而产生的吸附电容，该类电容的产生机制与双电层电容不同，并伴随电荷传递的过程发生，通常具有更大的比容性，但由于贵金属价格昂贵，因此此种电容一般用于军事领域。
碳基超级电容器(Double Layer Capacitor，DLC)是如今应用最为广泛的一种超级电容器，它的电极材料由碳材料构成，使用有机电解液作为介质，活性炭与电解液之间形成离子双电层，通过极化电解液来储能，能量贮存于双电层和电极内部，电化学双电层电容器的性能在很大程度上取决于碳材料的性质，电极材料的表面积、粒径分布、电导率、电化