電網(wǎng)電壓波動的分析與抑制

1、電網(wǎng)電壓波動的分析與抑制電壓波動的定義與限值1.1電壓波動的定義電壓波動是指電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動量化為電壓方均根值的兩個極值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，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電壓允許波動的范圍電壓波動的限值與考察點(diǎn)的位置、電壓等級和電壓變動頻度有關(guān)。以電網(wǎng)的公共連

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

3、5 kVUN220 kV對于220 kV以上超高壓(EHV)系統(tǒng)的電壓波動限值可參照高壓(HV)系統(tǒng)執(zhí)行。電壓波動的產(chǎn)生原因一個理想供電系統(tǒng)的三相交流電源對稱、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)電壓每時每刻都發(fā)生著變換。電力系統(tǒng)的電壓波動主要是由具有沖擊性(快速變動)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。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。用戶負(fù)荷的劇烈變化會引起電壓波動。大型電動機(jī)起動時引起的電壓波動。工廠供電系統(tǒng)中廣泛采用鼠籠型感應(yīng)電動機(jī)和異步起動的同步電動機(jī)它們 的起動電流可達(dá)到額定電流的46倍(3 000 r/min的感應(yīng)電動機(jī)可能達(dá)到其額定電流的911倍)。一方面，電動機(jī)起動和電網(wǎng)恢復(fù)電壓時的自起動電流流經(jīng)網(wǎng)路及變壓器，在各個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、短時的電壓波動。另一方面，起動電流不僅數(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。這種影響對于容量較小的電力 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，電壓波動值大，波及面廣由反復(fù)短時工作制負(fù)載引起電壓波動。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)了自動斷電裝置。因此，在節(jié)約用電的同時，電動機(jī)的起動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。大型電弧煉鋼爐運(yùn)行時造成大的電壓波動和閃變。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)致了電壓波動或閃變。供電系統(tǒng)短路電流引起的電壓波動。廠礦中高、低壓配電線路及電氣設(shè)備發(fā)生短路故障時若繼電保護(hù)裝置或斷 路器失靈，可能使故障持續(xù)存在,也可能造成越級跳閘。這樣可能會損壞配電裝置，造成大面積的停電，延長整個電網(wǎng)的電 壓波動時間并擴(kuò)大了電壓波動范圍。電壓波動的分析要對電壓波動進(jìn)行有效的抑制,首要的任務(wù)就是要準(zhǔn)確地提取出波動信號，通常將波動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的電壓波動分量調(diào)制的調(diào)幅波。因此電壓波動分量的檢出方法可

7、采用通 信理論中大功率載波調(diào)制信號解調(diào)方法，用與載波信號同頻同相的周期信號乘以被調(diào)信號,將電壓波動分量與工頻載波 電壓分離，通過帶通濾波器得到波動分量?？紤]電壓波動分量，就是在基波電壓上疊加一系列的調(diào)幅波，為使分析簡化又不 失一般性，研究電壓波動的檢測方法可分析某單一頻率的調(diào)幅波對工頻載波的調(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)外電壓波動的檢測方法有五種，即平方檢測、有效值檢

8、測、整流檢測法、小波分解和同步檢波對電壓 閃變信號的檢測以及補(bǔ)償?shù)鷻z測法。3.1平方檢測法平方解調(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，從而檢測出調(diào)幅波即電壓波動分量。這種方法較適合用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)。對于電網(wǎng)電壓中的調(diào)制信號f(t)= mcosQt，假設(shè)在某一時間間隔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，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f 0來。圖3 一 2信號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:首先對采樣信號平方，然后用截止頻率零點(diǎn)幾個赫茲 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)行絕對值運(yùn)算后再經(jīng)過解調(diào)帶通濾波器后便取得 波動信號。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信號的頻譜結(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。對于式(3 3)表示的信號()，因

11、為o n o的頻譜，即可從u（t）中 提取出調(diào)制信號/ （）來。全波整流檢波法檢出結(jié)果與平方調(diào)解法一樣，也將存在檢測誤差，最大相對誤差可達(dá)10%。從原理分析可以得到整流檢波的實(shí)現(xiàn)步驟:首先對采樣信號取絕對值，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法是將原電壓波動信號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）將波動的輸入交流電壓變換成脈動的直流電壓，再經(jīng) 解調(diào)濾波器后獲得波動信號。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。對于電壓u（t），取任一周期G,T +1），并將此周期后的信號看成是該周期的周期延拓，由此可計算有效值（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。但同時又考慮到三 點(diǎn)：ss/2的電壓波動對人的視覺影響極小;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)，在時域頻域具有表征信號局部特征的能力，是一種時間窗和頻率窗都可以改 變的時頻局部化分析方法。將小波變換方法用于電壓波動信號的檢測時，要在電壓波動數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將電壓平方以使整個頻帶擴(kuò)大一 倍，從而將調(diào)幅波信號劃分到各子頻帶中。利用小波多分辨分

14、析進(jìn)行頻帶劃分，將各種頻率的波動信號劃分到相應(yīng)的 子頻帶中，利用x。= 無d八甲八。+無七私。對信號進(jìn)行重構(gòu)，再對重構(gòu)出的各種波動信號進(jìn)行分析，計 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方法評價平方檢測法優(yōu)點(diǎn)：簡便，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：忽略了波動分量中的頻移分量。有效值檢測法優(yōu)點(diǎn)：對于實(shí)際線路來說，此方法最簡 單。缺點(diǎn)：很難數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。整流檢測法優(yōu)點(diǎn)：檢測出的波動電壓信號基本不失 真。缺點(diǎn)：對于實(shí)際線路而言，要準(zhǔn)確地把 均方根值的計算時間整定在半個1：頻 周期上是非常不容易的。小波分解和同步檢測法優(yōu)點(diǎn)：檢出的電壓波動信號精確度高. 缺點(diǎn)：對硬件要求高。

15、Hilbert變換檢測法優(yōu)點(diǎn)：對非平穩(wěn)信號處理比較好 缺點(diǎn)：容易失真HilbertHuang變換檢測法優(yōu)點(diǎn)：對非平穩(wěn)信號處理比較好 缺點(diǎn)：計算量大瞬時無功功率理論檢測法優(yōu)點(diǎn)：簡便，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)：計算量稍大。電壓波動的抑制裝置目前，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與閃變的功能69),如靜止無功補(bǔ)償器 (SVC),有源濾波器(APF)，動態(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)荷的劇烈變動所致，因此對于電壓閃變的抑制，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 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，要求采用具有短的響應(yīng)時間、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)荷電流急劇波動的情況下，跟隨負(fù)荷變化實(shí)時補(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、對負(fù)荷電流作實(shí)時補(bǔ)償，如圖4 一 1所示。 有源電力濾波器的罪線性， 時壁負(fù)截控制和推動鍛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)時間快,對電壓波動、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、閃變,穩(wěn)定電壓作用，同時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同樣會導(dǎo)致電壓閃變，這就要求補(bǔ)償裝置在抑制電壓 波動與閃變時除了進(jìn)行無功功率補(bǔ)償使供電線路無功功率波動減小外,還得提供瞬時有功功率補(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)？動態(tài)成復(fù)器裝置的結(jié)構(gòu)接法是將1臺由3個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個單相結(jié)構(gòu),目的是為了更靈活地對三相電壓和電流進(jìn)行控 制，并提供對系統(tǒng)電壓不對稱情況的補(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,DVR通 過對直流側(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通過自身的儲能單元,能夠在ms級內(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 動對用戶的影響,因此是解決電