作者: 一. 阿尔梅达, “. 莫雷拉. Ĵ. 薄
ISR - 电气和科英布拉计算机工程大学系, POLO二 3030-290 科英布拉 (葡萄牙) 电话: +351 239 796 218, 传真: +351 239 406 672 电子邮件: adealmeida@isr.uc.pt, licinio@isr.uc.pt, Jdelgado@elect.estv.ipv.pt.
抽象: 在本文中, 主要的电能质量 (PQ的) 问题都与他们相关的原因和后果. 与电能质量相关的经济影响的特点. 最后, 一些解决方案，以缓解电能质量问题都.
关键词
电能质量, 电能质量问题, 电能质量成本, 电能质量解决方案.
1. 介绍
电能质量 (PQ的) 相关的问题是最为关注的今天. 广泛使用的电子设备, 如信息技术设备, 电力电子产品，如可调速驱动器 (房间隔缺损), 可编程逻辑控制器 (PLC的), 节能照明, 导致电力负荷的性质完全改变. 这些负载是同时的主要causers和电能质量问题的主要受害者. 由于其非线性, 所有这些负载扰动引起的电压波形.
随着技术的进步, 全球经济的组织已经发展走向全球化和许多活动的利润率趋于下降. 的过程，绝大多数的敏感性增加 (产业, 服务，甚至住宅) 以电能质量问题变成电能质量的可用性在每一个活动部门竞争力的关键因素. 最关键的地方是连续过程工业和信息技术服务. 当干扰发生时, 巨大的经济损失可能发生, 随着生产力和竞争力因此而丧失.
尽管已采取了公用事业许多努力, 一些消费者需要PQ的电平比由现代电力网络提供的电平较高. 这意味着，一些必须采取的措施，以实现更高水平的电能质量.
2. 电能质量问题的类型
电能质量问题的最常见类型的表我都.
3. 电能质量表征
即使在最先进的输电和配电系统都不能提供电能，其可靠性所要求的水平为现代社会的负载的正常运行. 现代Ŧ&ð (输配电) 系统预计为 99,9 至 99,99% 可用性. 这个值是高度依赖于网络的冗余水平的, 根据地理位置和电压电平是不同 (可用性是在高压电网高). 在一些偏远的站点, 的T可用性&D systems公司可能会低至 99%. 即使有 99,99% 水平存在的等效中断时间 52 每年分钟.
在现代数字经济最苛刻的流程需要的电能与 99.9999999% 可用性 (9-9的可靠性) 正常.
之间 1992 和 1997, 电科院开展在美国的一项研究表征扰动的平均持续时间. 其结果为一个典型的现场, 在6年期间呈列如下.
无花果. 1 - 电能质量扰动的典型分布及其持续时间为一典型的设施 6 岁月 (1992-97) 在美国 [2].
表I - 最常见的电能质量问题 [ 1], [4]
| 1. 电压暂降 (或浸) | 描述: 之间的正常电压电平的下降 10 和 90% 在工频额定电压有效值的, 对于持续时间 0,5 周期 1 分钟.原因: 传输或分发网络的故障 (大部分的时间在平行馈线). 在消费者的安装错误. 重负载的连接和启动大型电动机的.后果: 信息技术设备的故障, 即基于微处理器的控制系统 (电脑, PLC的, 自闭症, 等) 这可能导致一个过程停止. 跳闸接触器和机电继电器. 断开和在旋转电机效率的损失. |
|---|---|
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2. 很短时中断
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描述: 电力供应从数毫秒持续时间的总中断一或两秒.原因: 主要是由于保护装置的开启和自动重合闸退役网络的故障部分. 主要的故障原因是绝缘失效, 闪电和绝缘子闪络.后果: 跳闸保护装置, 数据处理设备的信息和故障损失. 敏感设备的停工, 如自闭症, 电脑, PLC的, 如果他们没有准备好应对这种情况. |
| 3. 长时间的中断 | 描述: 电力供应的持续时间大于总中断 1 至 2 秒原因: 在电力系统中的网络设备故障, 风暴和对象 (树, 汽车, 等) 醒目的线条或极, 火, 人为错误, 不好协调的保护装置或失败.后果: 所有设备的停工. |
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4. 电压尖峰
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描述: 电压值的持续时间从几微秒到几毫秒非常快的变化. 这些变化可能达到上万伏的, 即使在低电压.原因: 闪电, 线或功率因数校正电容器的开关, 重负载的断线.后果: 组件的破坏 (特别是电子元件) 和绝缘材料的, 数据处理错误或数据丢失, 电磁干扰. |
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5. 电压骤升
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描述: 电压的瞬时增加, 在电源频率, 正常公差范围, 与一个以上的周期，并且通常小于几秒钟的持续时间.原因: 开始重物/停止, 厉害尺寸电源, 非常规互感器 (主要是在非高峰时间).后果: 数据丢失, 灯光和屏幕的闪烁, 停止或敏感设备的损坏, 如果该电压值过高. |
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6. 谐波失真
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描述: 电压或电流波形呈非正弦波形. 波形对应于不同的正弦波的总和具有不同幅度和相位, 其频率是电力系统频率的倍数.原因: 经典的来源: 工作在磁化曲线的膝盖以上的电机 (磁饱和), 电弧炉, 焊接机, 整流器, 和直流有刷电机. 现代的来源: 所有非线性负载, 如电力电子设备，包括自闭症, 开关电源, 数据处理设备, 高效照明.后果: 在发生共振的概率增加, 在3相系统的中性超载, 所有电缆及设备过热, 在电机的效率损失, 与通信系统的电磁干扰, 在使用平均读数米时的措施错误, 热保护的误跳闸. |
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7. 电压波动
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描述: 电压值的振荡, 振幅与频率的信号调制 0 至 30 赫兹.原因: 电弧炉, 电动机的频繁起动/停止 (例如电梯), 摆动载荷.后果: 大多数的后果是共同的欠压. 最可感知的后果是灯光和屏幕的闪烁, 给人视觉感知的忽快忽慢的印象. |
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8. 噪音
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描述: 高频信号上的供电系统的频率的波形叠加.原因: 通过赫兹波引起电磁干扰，如微波炉, 电视传播, 和辐射由于焊接机, 电弧炉, 和电子设备. 接地不当也可能是一个原因.后果: 对敏感电子设备的干扰, 通常不是破坏性. 可能会导致数据丢失和数据处理错误. |
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9. 电压不平衡
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描述: 的电压变化的三相系统，其中的三个电压幅值或它们之间的相位角差是不相等.原因: 大单相负载 (感应炉, 牵引负荷), 所有单相负载的三相系统的分布不正确 (这可能是也由于故障).后果: 非平衡系统意味着负序是有害的存在于所有三相负载. 受影响最大的负载是三相感应电机. |
因为它可以在图可以看出. 1., 注册骚乱绝大多数 (关于 87%) 历时小于 1 第二，只 12 有持续时间大于 1 分钟. 很显然，不是所有的这些干扰造成设备故障, 但许多类型的敏感设备可能会受到影响.
电科院的另一个研究是, 之间 1993 和 1999, 为了在PQ上的低电压特性 (LV) 分销网络. 这项研究的结论是， 92% 在电能质量扰动的是电压暂降与幅度下降最多 50% 以下持续时间 2 秒. 无花果. 2 显示下凹陷的典型分布 0.5 秒和微中断.
无花果. 2 - 凹陷和微中断在美国低压配电网络 [3].
在欧洲发达国家的情况是非常相似的一个在美国的观察. 无花果. 3 显示PQ在一个工业区葡中心的表征期间2002年2月一月监控供应 2003.
无花果. 3 - 在工业设施在葡萄牙的电力能源供应的干扰特性.
4. 电能质量问题的成本
的电能质量问题的成本在很大程度上取决于几个因素, 活动的主要商务区. 其他因素, 像所使用的设备的灵敏度
在设施和市场条件, 其中, 也影响电能质量问题的成本.
一. 电能质量成本评估
相关的PQ扰动的成本可以被划分:
- 直接成本. ，可直接归属于该干扰的费用. 这些费用包括在设备的损坏, 生产损失, 原料的损失, 在非生产期间的工资成本，并重新启动成本. 有时, 在非生产期间的一些积蓄都实现, 如节约能源, 它必须减去的成本. 一些干扰，并不意味着停产, 但可能有关联的其他费用, 如降低设备的效率和降低设备寿命.
- 间接成本. 这些费用很难评估. 由于一些障碍和非生产期间, 一家公司可能无法完成的最后期限为一些交付和适度宽松的未来订单. 投资，以防止电能质量问题可被视为间接成本.
- 非物质不便. 由于电源干扰一些不便也无法表达的钱, 如不听收音机或看电视. 考虑到这些不便的唯一途径是建立的金额，消费者愿意支付，以避免这种不便 [4], [5].
乙. 对电能质量成本的估计
几项研究已评估的电能质量问题是消费者的成本. 准确的评估价值几乎是不可能的; 因此，所有这些研究都是基于估计. 一些研究介绍如下.
- 商业周刊 (1991). PQ的成本估计在 26,000 万美元，每年在美国.
- 电科院 (1994). 这项研究指出 400,000 万美元，每年在美国PQ成本.
- 美国能源部 (1995). PQ的成本估计在 150,000 万美元，每年为美国.
- 财富杂志 (1998). 表示，PQ成本大约 10,000 万美元，每年在美国.
- 辰源 (2001). 研究包括连续过程工业, 金融服务和食品加工在美国, 估计的电能质量问题的年均成本 60,000 至 80,000 每个安装美元.
- 在欧盟PQ成本 (2001). 在工业和商业整体PQ成本, 在欧洲联盟, 估计在 10,000 每年百万欧元 [6].
各项研究的估计相差很多, 但都指向一个共同的因素: PQ的代价是巨大的.
Ç. 瞬时中断的成本
中断是PQ问题上设施最可感知的影响. 表II总结了瞬时中断的典型成本 (1 分钟) 对于不同类型的消费者. 提出的成本是无技术的重大投资，以实现穿越能力，以应对中断. 这些值是根据已公布的服务和Electrotek概念的经验与个别研究 [5].
表二 - 典型的瞬时中断的成本 (1 分钟, 以$ / kW的需求, 对于不同类型的工业和服务设施.
| 瞬间中断成本 ($/千瓦需求) | ||
|---|---|---|
| 最大 | 最低限度 | |
| 产业 | ||
| 汽车制造 | 5.0 | 7.5 |
| 橡胶和塑料 | 3.0 | 4.5 |
| 纺织品 | 2.0 | 4.0 |
| 纸 | 1.5 | 2.5 |
| 印花 (报纸) | 1.0 | 2.0 |
| 石化 | 3.0 | 5.0 |
| 金属加工 | 2.0 | 4.0 |
| 玻璃 | 4.0 | 6.0 |
| 采矿 | 2.0 | 4.0 |
| 食品加工 | 3.0 | 5.0 |
| 医药 | 5.0 | 50.0 |
| 电子 | 8.0 | 12.0 |
| 半导体制造 | 20.0 | 60.0 |
| 服务 | ||
| 通讯, 信息处理 | 1.0 | 10.0 |
| 医院, 银行, 公务员制度 | 2.0 | 3.0 |
| 餐厅, 酒吧, 酒店 | 0.5 | 1.0 |
| 商业店铺 | 0.1 | 0.5 |
如可以看出, 工业部门是受影响最严重的中断, 尤其是连续过程工业. 在服务行业, 通信和信息处理是受影响最大的业务领域.
是中断的成本也是其持续时间功能. 无花果. 4 描述了针对其持续时间中断的代价.
无花果. 4 - 中断的讼费功能及其持续时间 [5].
5. 用于电能质量问题的解决方案
的电能质量问题的缓解可能发生在不同层次: 传输, 分布和最终使用设备. 如可见于图. 5, 可以采取在这些水平若干措施.
无花果. 5 - 用于数字电源解决方案 [7]
6. 电网充足
许多电能质量问题都起源于输配电网. 从而, 适当的输配电电网, 有充分的规划和维护, 是必不可少的，以减少电能质量问题的发生.
7. 分布式资源 - 能源存储系统
在使用分布式能源的兴趣 (本) 因为他们的潜力大大增加，在过去几年中以提供更高的可靠性. 这些资源包括分布式发电和储能系统.
能量存储系统, 也被称为还原技术, 用于提供电负载与差的PQ环境穿越能力.
无花果. 6 - 恢复技术原理 [1].
在电力电子和存储技术的最新技术进步正在转向溢价解决方案的恢复技术之一，以减轻电能质量问题.
无花果. 7 - 工作的能量存储系统的原理.
在PQ的领域中使用的所述第一能量存储技术, 但今天最常用的, 是电化学电池. 虽然新技术, 如飞轮, 超级电容器和超导磁储能 (中小企业) 目前许多优点, 电化学电池仍然由于其低廉的价格和成熟的技术规则.
一. 飞轮
飞轮是一种机电装置，其耦合的旋转电机 (电动机/发电机) 一个旋转物体以储存能量的持续时间短. 电动机/发电机绘制由电网提供的电力，以保持所述飞轮旋转的转子. 在电源干扰, 存储在所述转子的动能由发电机转化为直流电能, 通过一个反相器和一个控制系统在一个恒定的频率和电压的和能量传递. 无花果. 8 描绘了一个飞轮的方案, 其中该系统的主要优点是解释.
无花果. 8 - 飞轮 [HTTP://www.beaconpower.com]
传统的飞轮转子通常是用钢建造的，并仅限于每分钟几千转的旋转速度 (RPM). 高级构造的碳纤维材料和磁轴承飞轮在真空中旋转速度高达 40,000 至 60,000 RPM. 储存的能量成比例的转动惯量，并以所述旋转速度的平方. 高速飞轮可以储存更多的能量比传统的飞轮.
飞轮期间提供公用电力的损耗和市电无论是退货或后备电源系统的开始之间的时间段提供电源 (即, 柴油发电机组). 飞轮通常提供 1-100 的惯性通过时间秒, 和备用发电机都能够得到在网上 5-20 秒.
乙. 超级电容器
超级电容器 (也被称为超级电容器) 是DC能量源，并且必须接口到电力网的静态功率调节器, 提供能量输出在电网频率. 超级电容器在短时中断或电压骤降提供电源.
中等大小的超级电容器 (1 毫焦耳) 是市售的小型电子设备实现跨越能力, 但大型超级电容器是仍处于发展, 但可能很快成为储能领域的一个可行的组成部分.
无花果. 9 - 双电层超级电容器 [HTTP://www.esmacap.com]
电容是非常大的，因为在板之间的距离是非常小的 (几个埃), 并且因为导体表面的面积 (对活性炭的实例) 下游 1500-2000 米2/克 (16000-21500 英尺2/克). 从而, 通过这种电容器中存储的能量可达到 50-60 焦耳/克 [8].
Ç. 中小企业
磁场是由流通的直流电流在超导导线的闭合线圈中产生. 线圈电流流通的路径可以打开一个固态开关, 被调制打开和关闭. 由于线圈的高电感, 当开关处于关闭状态 (开), 磁线圈相当于一个电流源，将迫使电流进入功率转换器，其将充电到一定的电压电平. 适当调制的固态开关的可逆变器的正常操作范围内保持电压, 而转换为直流电压变换成交流电力.
无花果. 10 - 超导储能系统 [9].
由液氦冷却的低温SMES是市售. 高温超导储能用液氮冷却仍处于发展阶段，并可能在未来成为一个可行的商业能源存储源，由于其潜在的降低成本.
超导储能系统是大，持续时间短，一般用于, ，如公用事业切换事件.
ð. 存储系统的比较
无花果. 11 显示了不同的存储技术在比功率和比能量方面的比较.
无花果. 11 - 比功率与特定能量范围的存储技术 [9].
无花果. 12 - 特定的能量存储装置的成本 [10].
高速飞轮是在大约相同的成本范围内为中小企业和超级电容器和有关 5 倍低速飞轮由于其更复杂的设计和有限的额定功率更贵. 电化学电池具有高度的成熟和简单的设计. 下面的存储时间 25 秒的低速飞轮可以更加成本比电池有效.
8. 分布式资源 - 分布式发电
分布式发电 (DG) 单位可以用来提供干净的电源关键负载, 从原产骚乱电网隔离开来. DG单位也可以用作备用发电机，以保证能量供给到关键负载期间持续中断. 此外DG机组可用于负荷管理旨意来降低高峰需求.
目前, 往复式发动机是普遍的技术，DG市场, 但随着技术的进步, 其他技术正变得更有吸引力, 如微型燃气轮机和燃料电池 (表三).
表三 - DG技术的演进.
| 往复式发动机 | 微型燃气轮机 | 燃料电池 | |
|---|---|---|---|
| 定时 | •持续 | •现在新兴 | •从200的 |
| 市场 | •待机/备份利用率 | •调峰和PQ | •常用功率和PQ |
| 经济学 | • 300 一 600 $/•千瓦 33-45% •高效率 <5% •利用 15-30 美分/千瓦时 | • 750 $/•千瓦 20-30% •〜20％的有效利用• 10-15 美分/千瓦时 | • 1000* 一 4000 $/•千瓦 45-60% •高效率 >80% •利用 5* 美分/千瓦时 * 预测 |
如果危险品的单位将被用作备份代, 一个存储单元，必须使用过程中的扰动的原点和启动应急发电机之间的时间提供能量给负载.
最常见的解决方案是电化学电池，UPS和柴油发电机组的组合. 目前, 飞轮和柴油发电机组在一个单元的整合也成为一种流行的解决方案, 许多制造商提供.
无花果. 13 - 连续动力系统的计划, 利用飞轮和柴油发电机组 [www.geindustrialsystems.com].
无花果. 14 - 动态UPS, 通过海泰克电源保护, BV. [HTTP://www.hitec-ups.com].
9. 增强型接口设备
除了能源存储系统和DG, 一些其它装置可以被用来解决问题的PQ.
使用适当的接口设备, 人们可以从干扰从网格导出隔离负载.
一. 动态电压恢复器
动态电压恢复器 (DVR) 等连接在与负载串联的电压源的行为. 最常见的录像机的工作原理是类似图. 7. DVR的输出电压是通过使用一个升压变压器和/或存储的能量，以在输出供给槽电压转换器注入有功和无功功率保持为大致恒定的电压在负载端.
乙. 瞬态电压浪涌抑制器 (TVSS)
瞬态电压浪涌抑制器作为动力源和敏感负载之间的接口, 使瞬变电压由TVSS之前到达负载夹紧. TVSSs通常包含一个非线性电阻元件 (金属氧化物变阻器或一个齐纳二极管) 限制过度的线路电压，并进行任何多余的脉冲能量到地面.
Ç. 恒压变压器
恒压变压器 (CVT) 分别用于减轻电压骤降和瞬变的影响第一PQ的解决方案之一. 为了保持电压恒定, 他们使用那些通常避免两个原则: 共振和磁芯饱和.
无花果. 15 - 恒定电压互感器.
当发生共振, 的电流将增加至一个点，使变压器的磁芯的饱和. 如果磁芯饱和, 然后磁通量将保持大致恒定，变压器将产生近似恒定的电压输出.
如果不正确使用, 无级变速器将发起更多的电能质量问题比那些缓解. 它可以产生瞬变, 谐波 (电压波夹在顶部和侧面) 并且它是低效率 (关于 80% 在满负荷). 其应用日益少见，由于在其他领域的技术进步.
ð. 噪声滤波器
噪声滤波器用于避免不必要的高频电流或电压信号 (噪音) 到达敏感设备. 这可以通过使用用于创建到更高频率的低阻抗路径的基波频率和高阻抗的电容和电感的组合来实现, 就是说, 一个低通滤波器. 当用频率在kHz范围内的噪声是相当大的，他们应使用.
它. 隔离变压器
隔离变压器可用于从瞬态和噪声从电源推导隔离敏感负载. 在某些情况下 (三角形星形连接) 隔离变压器保持负载所产生的谐波电流从获得上游变压器.
隔离变压器的特殊性是接地屏蔽由位于初级和次级之间的非磁性箔. 这来自于源的任何噪声或瞬时过初级和屏蔽之间的电容和上向地面传送和未达到负载.
无花果. 16 - 隔离变压器.
F. 静止无功补偿器
静止无功补偿器 (SVR) 用电容器和电抗器的组合，以快速地调节电压. 固态开关控制在适当的大小的电容器和电抗器的插入，以防止电压波动从. SVR的主要应用是在高电压和消除闪烁引起的大负载的电压调节 (诸如感应炉).
ĝ. 谐波滤波器
谐波滤波器用于减少无用的谐波. 它们可以分为两组: 无源滤波器和有源滤波器.
无花果. 17 - 谐波滤波器 [11].
无源滤波器 (无花果. 17 左) 包含在一个低阻抗路径的谐波使用无源元件被衰减的频率 (电感器, 电容器和电阻器). 并联连接的几个无源滤波器可能是必要的，以消除一些谐波分量. 如果系统变化 (谐波分量的变化), 无源滤波器可能会变得无效并引起共鸣.
有源滤波器 (无花果. 17 右边) 分析由所述负载消耗的电流和建立的电流抵消由负载所产生的谐波电流. 有源滤波器在过去是昂贵的, 但他们正在成为成本效益补偿未知或不断变化的谐波.
10. 制定规范和标准
一些已采取措施来规范PQ最低水平公用事业必须提供给消费者和免疫水平的设备应具有正常运作时所提供的功率是在标准之内.
在这个方向的一个重要步骤是与CBEMA曲线 (无花果 18), 通过计算机和商用设备制造商协会建立. 本标准规定了计算机设备的最低承受能力，电压暂降, 微中断和过电压.
无花果. 18 - CBEMA曲线.
无花果. 19 - ITIC曲线
这条曲线, 虽然通过ITIC最近取代 (信息技术产业理事会) 曲线 (无花果. 19), 仍然是在PQ的区域的参考. 当电压由阴影区所确定的范围内, 该设备应正常. 当电压由上所允许的区域下面的区域, 该设备可能出现故障或停止. 当电压被包括在上层禁区, 除了设备故障, 设备上的损害可能发生.
其他标准化组织 (符合IEC, CENELEC的, IEEE, 等) 已经制定了一套标准，相同的目的. 在欧洲，, 在PQ最相关的标准是EN 50160 (由CENELEC) 和IEC 61000.
表四 – 通过欧洲标准定义的最重要的参数 50160:2001.
| 范围 | |
| 频率 | 必须保持在 49.5 (-1%) 和 50.5 (+1%) 赫兹. |
| 电压 | 上的电压必须介于 90% 和 110% 标称电压的. |
| 电压不平衡 | 负序不能假设幅度高于 2% 直接序列. |
| 谐波电压 | 总谐波失真 < 8 % V3 < 5.0% V5 < 6.0% 2013 < 5.0% |
11. 使终端使用设备较不敏感
设计的设备是对干扰不敏感的通常是最符合成本效益的措施，以防止电能质量问题. 最终使用的一些设备制造商现在认识到这个问题，, 但在竞争激烈的市场意味着制造商必须降低成本，只有客户的要求作出回应. 唯一的例外是ASD市场, 其中制造商都在积极推动产品具有增强的穿越能力.
添加一个电容容量更大的电源供应器, 使用电缆较大的中线, 降额变压器和调整欠压继电器, 是可以采取由制造商降低设备的灵敏度，电能质量问题的措施.
12. 结论
电力与高品质的可用性是现代社会的运转至关重要. 如果一些部门是满意的权力，公用事业所提供的质量, 有些则要求更高.
为了避免与电能质量问题的巨大损失, 最苛刻的消费者必须采取行动，防止问题. 在各项措施, 选择较不敏感的设备可以起到重要的作用. 当即使最强大的设备影响, 那么其他必须采取的措施, 如安装恢复技术, 分布式发电或接口装置，以防止电能质量问题.