電網(wǎng)電壓波動(dòng)的分析與抑制

1、電網(wǎng)電壓波動(dòng)的分析與抑制電壓波動(dòng)的定義與限值1.1電壓波動(dòng)的定義電壓波動(dòng)是指電壓均方根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動(dòng)量化為電壓方均根值的兩個(gè)極值U皿和U碩之差與其額定電壓比值的百分值，即AV = VNX1。其變化周期大于工頻周期，每秒AV的變化大于 0.2%者為電壓波動(dòng)，否則視為電壓偏差(電壓的慢變化)。在配電系統(tǒng)運(yùn)行中，這種電壓波動(dòng)現(xiàn)象有可能多次出現(xiàn)，其變化過程是多種多樣的，有規(guī)則和不規(guī)則的，也有隨 機(jī)的。電壓波動(dòng)的圖形和變化過程相同，也是多種多樣的，有跳躍形，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)形和斜坡形等。1.2電壓允許波動(dòng)的范圍電壓波動(dòng)的限值與考察點(diǎn)的位置、電壓等級(jí)和電壓變動(dòng)頻度有關(guān)。以電網(wǎng)的公共連

2、接點(diǎn)(PCC)為例，對(duì)于電壓 變動(dòng)頻度較低(r 1000次/h)或規(guī)則的周期性電壓波動(dòng)，GB123262008電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變給 出了相應(yīng)的電壓波動(dòng)限值，如下所示。表1電壓變動(dòng)限值r/（lfc/h）d/%LV.MVHVVI4317103*2310710021.5100rl OODL251注1：很少的變動(dòng)頻度(每日少于1次)，電壓變動(dòng)限值d還可以放寬，但不在本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定.注2：對(duì)于隨機(jī)性不規(guī)則的電壓波動(dòng)，如電弧爐負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)，表中標(biāo)有的值為其限值。注3：參照GB/T 1562007,本標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)標(biāo)稱電壓等級(jí)按以下劃分：低壓(LV)kV中壓(MV)1 kVVUN35 kV高壓(HV)3

3、5 kVUN220 kV對(duì)于220 kV以上超高壓(EHV)系統(tǒng)的電壓波動(dòng)限值可參照高壓(HV)系統(tǒng)執(zhí)行。電壓波動(dòng)的產(chǎn)生原因一個(gè)理想供電系統(tǒng)的三相交流電源對(duì)稱、電壓均方根值恒定，并且負(fù)荷特性與系統(tǒng)電壓水平無關(guān)。這就要求電力 用戶的負(fù)荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取電能，同時(shí)也要求公共連接點(diǎn)PCC)的短路容量無窮大，系統(tǒng)的等值電抗 為零。而實(shí)際上，這些條件是不可能滿足的，供電系統(tǒng)電壓每時(shí)每刻都發(fā)生著變換。電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)主要是由具有沖擊性(快速變動(dòng))功率的負(fù)荷引起的，例如煉鋼電弧爐、軋鋼機(jī)、電弧焊機(jī)等。 特別是電弧爐，國外的有關(guān)規(guī)定主要是針對(duì)電弧爐的。這些負(fù)荷的特點(diǎn)是在生產(chǎn)過程中有功和無功功率

4、隨機(jī)地或周期 性地大幅度變動(dòng)。隨著工業(yè)的發(fā)展，這類負(fù)荷的功率越來越大，達(dá)幾萬乃至十幾萬千瓦，因此對(duì)電能質(zhì)量將產(chǎn)生不可 忽視的影響。具體一點(diǎn)可做如下分類：電源引起的電壓波動(dòng)。用戶負(fù)荷的劇烈變化會(huì)引起電壓波動(dòng)。大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)引起的電壓波動(dòng)。工廠供電系統(tǒng)中廣泛采用鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和異步起動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)它們 的起動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的46倍(3 000 r/min的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可能達(dá)到其額定電流的911倍)。一方面，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和電網(wǎng)恢復(fù)電壓時(shí)的自起動(dòng)電流流經(jīng)網(wǎng)路及變壓器，在各個(gè)元件上引起附加的電壓損失,使該供 電系統(tǒng)和母線都產(chǎn)生快速、短時(shí)的電壓波動(dòng)。另一方面，起動(dòng)電流不僅數(shù)值很大，且有很低的滯后功率因

5、數(shù)，將造成更大的電壓波動(dòng)。這種影響對(duì)于容量較小的電力 系統(tǒng)尤其嚴(yán)重。工業(yè)企業(yè)中，當(dāng)重型設(shè)備的容量增大和某些生產(chǎn)過程功率變化非常劇烈時(shí)，電壓波動(dòng)值大，波及面廣由反復(fù)短時(shí)工作制負(fù)載引起電壓波動(dòng)。這類負(fù)載的特點(diǎn)為負(fù)載作增減地變化，且周期性交替。但交替的周期不 為定值，其交替的幅值也不為定值。如吊運(yùn)工件的吊車，手工焊接用的交直流電焊機(jī)等。目前，廠礦為了節(jié)約用電， 交直流電焊機(jī)均裝設(shè)了自動(dòng)斷電裝置。因此，在節(jié)約用電的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和焊接變壓器的涌流卻又加劇了 所在電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。大型電弧煉鋼爐運(yùn)行時(shí)造成大的電壓波動(dòng)和閃變。電弧爐在熔煉期間頻繁切斷，甚至在一次熔煉過程可能達(dá)到10 次以上。熔煉期間

6、升降電極、調(diào)整爐體、檢查爐況等工藝環(huán)節(jié)，需要的電流很小，而爐料崩落則可在電極尖端形成短路, 不同工藝環(huán)節(jié)所需電流的變化導(dǎo)致了電壓波動(dòng)或閃變。供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動(dòng)。廠礦中高、低壓配電線路及電氣設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)若繼電保護(hù)裝置或斷 路器失靈，可能使故障持續(xù)存在,也可能造成越級(jí)跳閘。這樣可能會(huì)損壞配電裝置，造成大面積的停電，延長(zhǎng)整個(gè)電網(wǎng)的電 壓波動(dòng)時(shí)間并擴(kuò)大了電壓波動(dòng)范圍。電壓波動(dòng)的分析要對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行有效的抑制,首要的任務(wù)就是要準(zhǔn)確地提取出波動(dòng)信號(hào)，通常將波動(dòng)電壓看成以工頻額定電壓為 載波、其電壓的幅值受頻率范圍在0.0535 Hz的電壓波動(dòng)分量調(diào)制的調(diào)幅波。因此電壓波動(dòng)分量的檢出方法可

7、采用通 信理論中大功率載波調(diào)制信號(hào)解調(diào)方法，用與載波信號(hào)同頻同相的周期信號(hào)乘以被調(diào)信號(hào),將電壓波動(dòng)分量與工頻載波 電壓分離，通過帶通濾波器得到波動(dòng)分量?？紤]電壓波動(dòng)分量，就是在基波電壓上疊加一系列的調(diào)幅波，為使分析簡(jiǎn)化又不 失一般性，研究電壓波動(dòng)的檢測(cè)方法可分析某單一頻率的調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制。工頻電壓u G)可表述為：(式 3-1)(t )= All + f QLos rot式中f (t)= m cos rot ； A 一工頻載波電壓的幅值；工頻載波電壓的角頻率；f (t)一波動(dòng)電壓；m 一調(diào)幅波電 壓幅值；Q 一調(diào)幅波電壓角頻率。目前，國內(nèi)外電壓波動(dòng)的檢測(cè)方法有五種，即平方檢測(cè)、有效值檢

8、測(cè)、整流檢測(cè)法、小波分解和同步檢波對(duì)電壓 閃變信號(hào)的檢測(cè)以及補(bǔ)償?shù)鷻z測(cè)法。3.1平方檢測(cè)法平方解調(diào)法的基本檢出原理是將輸入電壓進(jìn)行平方運(yùn)算后,經(jīng)過解調(diào)濾波器經(jīng)過0.0530 Hz的帶通濾波器便能濾去 直流分量和二倍工頻分量，從而檢測(cè)出調(diào)幅波即電壓波動(dòng)分量。這種方法較適合用數(shù)字信號(hào)處理的方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電網(wǎng)電壓中的調(diào)制信號(hào)f(t)= mcosQt，假設(shè)在某一時(shí)間間隔T后，f Q均為T內(nèi)f G)的周期重復(fù)，則可 把u(t)在T內(nèi)展開為傅氏級(jí)數(shù)f (t)= 2m cos(nQ t + 0 )(式 3-2)n =1式中，m 一調(diào)制系數(shù)；N = Tro/2n ； Q = rojN顯然N為T內(nèi)所包含電壓

9、u(t)的工頻周期個(gè)數(shù)。求和下限n=1，是因?yàn)楹线m地選擇包絡(luò)波的假想零線，可使f () 的直流分量為零。設(shè)f Q為頻帶受限信號(hào)，其上限頻率們皿氣/2，則上式求和上限為N/2。式(3 2)代入式(3 一 1)中得uO = A I- 1 + 里2 m cos（nO t + 0 ）cosw t（式 3 3）n=1對(duì)0做傅氏變換后的頻譜么）示于圖31。其中包絡(luò)線下的部分為f G）的頻譜，與cos wt相乘的結(jié)果，使它在w軸上左右各平移了w0。因?yàn)榧僭O(shè)調(diào)制頻率的上限wm w/2，所以f （t）的頻譜線集中在|w|w0的部分，即可提取出調(diào)制信號(hào)f 0來。圖3 一 2信號(hào)f 2（t）的幅度譜從以上分析可以知

10、道平方檢波的原理，給出平方檢波的步驟:首先對(duì)采樣信號(hào)平方，然后用截止頻率零點(diǎn)幾個(gè)赫茲 的高通濾波器去直流分量，再應(yīng)用截止頻率為w0的低通濾波器濾去高頻成份，得到f 0。3.2整流檢波法全波整流檢波法的基本原理是將輸入交流電壓0全波整流即進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算后再經(jīng)過解調(diào)帶通濾波器后便取得 波動(dòng)信號(hào)。這種方法較適合于模擬電路加以實(shí)現(xiàn)英國ERA和法國EDF等閃變儀采用此方案。它跟平方檢波法一樣，都 要通過帶通濾波器保留調(diào)幅波，但存在檢出誤差,誤差的大小取決于波動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。設(shè)(t)經(jīng)整流后的電壓為gQ,則g(t)可看作(t)和幅值為1、頻率為工頻的方波P(t)的乘積。對(duì)于式(3 3)表示的信號(hào)()，因

11、為o n o的頻譜，即可從u（t）中 提取出調(diào)制信號(hào)/ （）來。全波整流檢波法檢出結(jié)果與平方調(diào)解法一樣，也將存在檢測(cè)誤差，最大相對(duì)誤差可達(dá)10%。從原理分析可以得到整流檢波的實(shí)現(xiàn)步驟:首先對(duì)采樣信號(hào)取絕對(duì)值，然后濾去直流分量和頻率高于工頻的分量， 就得到f （）的采樣。3.3有效值檢波有效值檢測(cè)法是將原電壓波動(dòng)信號(hào)平方后減去載波電壓均值再進(jìn)行積分運(yùn)算，將得到的信號(hào)進(jìn)行隔直和濾波后得 到調(diào)幅波。利用單片RMS/DC （有效值一直流）變換器（如AD536）將波動(dòng)的輸入交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng) 解調(diào)濾波器后獲得波動(dòng)信號(hào)。RMS/DC變換器輸出的直流電壓值為輸入交流電壓的方均根值，其脈動(dòng)成份

12、即反映了輸入 電壓方均根值的變化。我國生產(chǎn)的VF-9101型閃變儀采用此方案。對(duì)于電壓u（t），取任一周期G,T +1），并將此周期后的信號(hào)看成是該周期的周期延拓，由此可計(jì)算有效值（式 3 一, 10）（式 3 一, 11）（式 3 一, 12）因此也可以忽略掉這兩（式 3 一, 13）k（）=ZFd T T將U2 G）減去參考電壓u = A2 /2，積分得k2 G）=+ fT+TU 2（ ）A2/2*T X將（式3 一, 1）代入（式3 一, 11）k20=Ef （）+ 2f （）cos2o t + f 2（）1 + 2cos2o t）+ cos2o tdt式（式3 一 12）中考慮到f （

13、：t 2 t和c5 2o t項(xiàng)的頻譜在| 2J Q 的范圍內(nèi)，項(xiàng)，同時(shí)考慮到從氣0/2，則采用平方檢波后的頻譜將發(fā)生混疊現(xiàn)象，整流檢波卻不會(huì)。但同時(shí)又考慮到三 點(diǎn)：ss/2的電壓波動(dòng)對(duì)人的視覺影響極小;白熾燈的照度與電壓平方成正比;平方檢波與整流檢波相比較，它的直 流分量和二倍工頻分量與調(diào)幅波之比均小一倍。3.5小波變換小波變換具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時(shí)域頻域具有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種時(shí)間窗和頻率窗都可以改 變的時(shí)頻局部化分析方法。將小波變換方法用于電壓波動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)時(shí)，要在電壓波動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將電壓平方以使整個(gè)頻帶擴(kuò)大一 倍，從而將調(diào)幅波信號(hào)劃分到各子頻帶中。利用小波多分辨分

14、析進(jìn)行頻帶劃分，將各種頻率的波動(dòng)信號(hào)劃分到相應(yīng)的 子頻帶中，利用x。= 無d八甲八。+無七私。對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，再對(duì)重構(gòu)出的各種波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì) j =8 k =一8k =一8算出調(diào)幅波的頻率和幅值。表2幾種檢波方法的比較檢測(cè)方法評(píng)價(jià)平方檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：忽略了波動(dòng)分量中的頻移分量。有效值檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于實(shí)際線路來說，此方法最簡(jiǎn) 單。缺點(diǎn)：很難數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。整流檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)出的波動(dòng)電壓信號(hào)基本不失 真。缺點(diǎn)：對(duì)于實(shí)際線路而言，要準(zhǔn)確地把 均方根值的計(jì)算時(shí)間整定在半個(gè)1：頻 周期上是非常不容易的。小波分解和同步檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：檢出的電壓波動(dòng)信號(hào)精確度高. 缺點(diǎn)：對(duì)硬件要求高。

15、Hilbert變換檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理比較好 缺點(diǎn)：容易失真HilbertHuang變換檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)處理比較好 缺點(diǎn)：計(jì)算量大瞬時(shí)無功功率理論檢測(cè)法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)：計(jì)算量稍大。電壓波動(dòng)的抑制裝置目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能69),如靜止無功補(bǔ)償器 (SVC),有源濾波器(APF)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器(DSUniCon )等。下面分析比較這些 裝置在抑制電壓波動(dòng)方面的作用。4.1靜止無功補(bǔ)償器(SVC)在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動(dòng)主要與無功負(fù)荷的變化量以及電網(wǎng)的短路容量有

16、關(guān)。在電網(wǎng)短路容量一定的情 況下，電壓閃變主要是由于無功負(fù)荷的劇烈變動(dòng)所致，因此對(duì)于電壓閃變的抑制，最常用方法是安裝靜止無功補(bǔ)償裝置,目 前這方面技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無源濾波器并聯(lián)使用，實(shí)際運(yùn)行時(shí) 有可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴(yán)重放大。因此在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要求采用具有短的響應(yīng)時(shí)間、并且能夠直接補(bǔ)償負(fù) 荷的無功沖擊電流和諧波電流的補(bǔ)償器。4.2有源電力濾波器(APF)要抑制電壓閃變,必須在負(fù)荷電流急劇波動(dòng)的情況下，跟隨負(fù)荷變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償無功電流。近年來采用電力晶體管 (GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器，可

17、對(duì)負(fù)荷電流作實(shí)時(shí)補(bǔ)償，如圖4 一 1所示。 有源電力濾波器的罪線性， 時(shí)壁負(fù)截控制和推動(dòng)鍛TCBT/GiH 逆變器1圖4 一1有源濾波器結(jié)構(gòu)工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件和基于坐標(biāo)變換原理的瞬時(shí)無功理論進(jìn)行控制其作 用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供所需的畸變電流從而保證系統(tǒng)只須向負(fù)荷提供正弦的基波電 流。有源電力濾波器與普通SVC相比,有以下優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)時(shí)間快,對(duì)電壓波動(dòng)、閃變補(bǔ)償率高，可減少補(bǔ)償容量;沒有諧波 放大作用和諧振問題，運(yùn)行穩(wěn)定;控制強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)控制電壓波動(dòng)、閃變,穩(wěn)定電壓作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補(bǔ)償 功率因數(shù)。我國雖然在理論上取得

18、了一定的進(jìn)展但由于多方面條件的限制，至今未有并聯(lián)型有源電力濾波器應(yīng)用。而 在日本和美國，已普遍使用有源電力濾波器來抑制電弧爐等引起的電壓閃變。4.3動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)在中低壓配電網(wǎng)中，由于R與X相差不大,有功功率的快速波動(dòng)同樣會(huì)導(dǎo)致電壓閃變，這就要求補(bǔ)償裝置在抑制電壓 波動(dòng)與閃變時(shí)除了進(jìn)行無功功率補(bǔ)償使供電線路無功功率波動(dòng)減小外,還得提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償。因而傳統(tǒng)的無功償 方法不能有效的改善這類電能質(zhì)量問題，只有帶儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置才能滿足要求。法波舞Vr兔荷側(cè)/VHQ旁路保護(hù)？動(dòng)態(tài)成復(fù)器裝置的結(jié)構(gòu)接法是將1臺(tái)由3個(gè)單相電壓源變流器構(gòu)成的三相變流由IGUT拘成的圖4 一 2動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的基本結(jié)構(gòu)如圖圖4 一 2器串聯(lián)接入電網(wǎng)與欲補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷之間。這里逆變器采用3個(gè)單相結(jié)構(gòu),目的是為了更靈活地對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行控 制，并提供對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱情況的補(bǔ)償。該裝置的核心部分為同步電壓源逆變器當(dāng)線路側(cè)電壓發(fā)生突變時(shí),DVR通 過對(duì)直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，再通過變壓器與原電網(wǎng)電壓相串聯(lián),來補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的跌落或抵消系統(tǒng)電壓的 浪涌。由于DVR通過自身的儲(chǔ)能單元,能夠在ms級(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差),可用于克服系統(tǒng)電壓波 動(dòng)對(duì)用戶的影響,因此是解決電