1、 配电系统电压波动与闪变的检测和抑制技术研究综述课程名称 电能质量管理与控制 年级班别 2011 级电气 6 班 学 号 2111104147 学生姓名 田燕飞 指导教师 聂一雄 2012 年 06 月 01 日1.电压波动与闪变研究的意义电压波动和闪变主要是由于冲击性功率的电力负荷设备(如冶炼电弧炉、轧钢机、电气机车、电弧焊机等)在运行过程中有功功率和无功功率的大幅度变动引起的，它妨害其它电力用户的正常用电，构成电力公害。随着科学技术的发展与新工艺的应用，计算机和电子仪器控制设备的广泛使用，都对电能质量提出了越来越严格的要求。因此，研究电压波动与闪变，积极采取有效措施保证电能质量己成为当前供
2、用电部门一项重要而紧迫的任务。随着我国与国外经贸、技术交流的不断增强，国家标准与国际标准接轨将越来越明显，因此有必要研究关于电压波动和闪变的国际标准及其与标准相关的测量方法。IEC推荐的电压闪变测量方法是以模拟方式进行规定的，由于被测信号的动态范围较大，模拟技术对电路要求较高，而采用数字技术则避免了此类问题的发生，能够保证有足够的精度，并且系统函数容易改变，因此对新标准下的数字式闪变检测方法进行研究势在必行。2 电压波动与闪变检测技术的研究电压波动与闪变是重要的电能质量问题。闪变是对电压波动按大小、频率、波形三要素的综合评估。在五项电能质量问题中，频率、谐波、电压和三相不平衡的测量方法相对比较
3、成熟，而电压波动与闪变测量方法和实现技术的研究，因为重视程度不够相对滞后些。电压波动与闪变测量方法的研究，主要包括测量条件、测量仪器和测量结果评价方法的规定。在研究闪变的初期，对闪变的测量仅是一种预估。闪变预估主要是针对电弧炉等大功率波动性负荷能否接入电网运行而进行的闪变预测法，它可以预估新的波动性负荷投入运行后在公共供电点上所产生的电压闪变的大致幅度。的最大无功功率变动量预测法、互降常数预测法和短路压降法，它们都可简单地预估新的波动性负荷接入线路时，电力系统能否接受，但无法确切地了解大功率波动性负荷运行时，电力线路中电压闪变值的大小。国际电工委员会标准IEC61000-4-15和我国国标GB
4、l2326-2000给出了完整的闪变测试系统结构框图，以及有关反映人脑对频率选择特性的传递函数，根据该框图就可以设计符合IEC标准的闪变测试系统，得到测量的电压闪变值。现有的数字闪变仪多用间接解调的方法，而间接解调法最常用的就是离散傅里叶变换，但离散傅里叶变换从根本上难以避免频谱泄漏问题，所以近年来有诸多文献提出多种方法，从不同角度化电压闪变仪的设计。采用连续小波变换的算)(tU)(2tU)(tUO)(tU)(t )(tUO)(tU)(*tU)(tUO法来减小频谱的泄漏，但计算时间长、实时性差；采用遗传算法来计算闪变，通过合理选择采样频率和脉宽提高了计算精度，其缺点是计算量大、实时性差；而离散
5、瞬时闪变法，提高了运算速度并且减小了系统对硬件处理器的要求，缺点是间接解调法存在频谱泄漏，在高频处幅值衰减，精度较差；采用卡尔曼滤波法，可以处理有随机变动特性的闪变模型，其缺点是计算量庞大；采用最小绝对值估测法，此法的主要缺点是必须事先知道闪变频率。 目前，常用的波动电压检出方法有三种：平方解调检波法、半波有效值检波法和全波整流检波法。图一所示分别为三种方法的原理结构框图。图一 波动电压检出单元结构平方运算电路（a）平方解调法解调滤波器全波整流电路（a）全波整流检波发解调滤波器有效值变换电路（a）半波有效值发解调滤波器2.1 平方解调检波法 国际电工委员会(IEC)推荐平方解调检测法，即将u(
6、t)平方，然后利用解调带通滤波器检测出调幅渡。经过0.0530Hz的带通滤波器便能滤去直流分量和二倍工频分量，从而检测出m cos( t)的调2A幅波即电压波动分量。这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现。2.2 全波整流解调检波法全波整流检波法的基本原理是将输入交流电压U(t)全波整流即进行绝对值运算后再经过解调带通滤波器后便取得波动信号。设U(t)经整流后的电压为g(t)，则g(t)可看作U(t)和幅值为1频率为工频的方波p(t)的乘积。将g(t)经过0.053 OH z的带通滤波器便可检测出2mA/cos( t)的调幅波即电压波动分量。这种方法较适合干模拟电路加以实现。2.3 半波有效
7、值检波法半波有效值法是利用RMSDC变换器将波动输入交流电压变换成脉动直流电压，再经解调带通滤波器后获得波动信号。RMSDC变换器输出直流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分反映了输入电压方均根值的变化。根据半波有效值定义dtuTtUt4)(.2)(将电压u(t)乘方减去相当于平均值的参考电压U=A*A/2取积分，一般来说，大于等于2 的分量在工频一周期的积分值几乎为零，便有)cos(2sin(2)( mAk将 加以适当放大和补偿便可得到待测的调幅波。)(k2.4小波多分辨率信号分解同步检波法该方法用小波多分辨率信号分解滤波器取代同步检波器中的解调带通滤波器，可以检测出电压闪变信号的突变
8、时间，包络信号中的各个频率分量及其幅 度。但这种方法具有对信号所需采样数据多，运算量大，检测突变故障信号的故障时刻延时较长等特点，因而在采用小渡多分辨率信号分解时，必须寻求快速小波函数及其相应小波变换。电压波动与闪变是重要的电能质量问题。在输电和配电系统中，电压波动通过公共连接点(PCC)传递到电网其它馈电线路上危害其他用户的电气设备，给配电系统的电能质量造成了严重污染。因此，需加强对电压波动和闪变的监测。采用数字滤波器运算结构方法来实现闪变值的测量，但数字滤波器通过计算程序来实现，很复杂，而且可以看出整个闪变测量过程用软件实现计算量相当大，对CPU的速度要求足够快。通常至少要采用DSP或高档
9、工控机，很难用单片机等成本较低的微机来实现。基于随机理论和导纳矩阵的随机电压闪变功率潮流法，这种方法可以计算出每条母线的最大电压波动值和闪变值，也能检测出闪变源对系统电压的冲击，但这种方法在实际应用中存在很大的难度。3.电压波动与闪变的抑制研究3.1 电压闪变抑制原理及控制策略合理选择变压器的分接头，保证用电设备的电压水平。设置电容器进行人工补偿。电容器分为并联补偿和串联补偿。并联电容补偿用以改变网络中无功功率分配来抑制电压的波动。提高用户的功率因数，改善电压的质量。串联补偿主要是为了改变线路参数，从而减少线路电压损失、提高线路末端电压并减少电能损耗。3.2 电压波动与闪变的抑制方法改善电压波
10、动与闪变的方法主要有：选择合理的供电接线方式；合理减小系统阻抗；安装无功功率补偿装置；合理选择有载调压变压器等。目前，主要用于抑制电压波动与闪变的补偿装置有：静止无功补偿器(SVC)，静止无功发生器(SVG)，有源滤波器(APF)等。3.2.1 串联电压补偿器串联电压补偿器是一种串联在电网和负载之间通过向系统注入标准电压和系统电压的差值来补偿系统电压的波动的电力电子装置，它相当于一个可以快速调节的电压源，通过快速补偿特性为负载提供稳定正弦电压。一般来说，串联电压补偿器装置由五部分组成：检测单元、控制单元、逆变单元、储能单元、滤波单元。图二 串联电压补偿器结构原理图串联电压补偿器通过检测电源电压
11、的基波分量，然后和母线电压比较得到电压差，通过控制单元运算得到指令信号，对逆变器进行控制，产生需要的补偿电压；再经过滤波电路和变压器，叠加到负载电路中，从而确保负载电压的质量。针对电弧炉负荷的电压波动和闪变特性，对串联补偿进行了系统研究。研究证明采用串联电压补偿的方法可以很有效地抑制电弧炉产生的电压波动和闪变。线路出口加装限流电抗器。在变电所35kV线路出口加装限流电抗器，以增加线路的短路阻抗，限制线路故障时的短路电流，减小电压的波动范围，提高变电所的35kV母线遭短路时的电压。采用电抗值最小的高低压配电线路。架空线路的电抗约为0.4 km，电缆线路的电抗约为0.08 km。可见，在同样长度的
12、架空线路和电缆线路上因负载波动引起电压波动是相当悬殊的。因此，条件许可时，应尽量优先采用电缆线路供电。配电变压器并列运行。变压器并列运行是减少变压器阻抗的惟一方法。大型感应电动机带电容器补偿。其目的主要为了对大型感应电动机进行个别补偿，使它在整个负荷范围内都保持良好的功率因数。在线路结构上使电动机和电容器同时投入运行，所以一开始启动就有良好的功率因数，电动机较大的滞后启动电流和电容器较大的超前冲击电流的抵消作用，对电力系统电压波动起到了很好的稳定作用。采用电力稳压器稳压。电力稳压器主要用于低压供配电系统中，能在配电网络的供电电压波动或负载发生变化时自动保持输出电压的稳定，确保用电设备的正常运行
13、。目前大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置，它们也都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静无功补偿器(SVC)，有源滤波器(APF)，动态电压恢复器(DVR)，统一电能质量控制器(UPFC)等。3.2.2 SVC 及其对电压波动与闪变的抑制无功功率变动量是造成电弧炉电压波动和闪变的主要因素，所以维持系统无功功率不变就是改善和抑制电压波动和闪变的根本方法。常规并联电容器组由于阻抗固定。不仅不能动态跟踪负荷无功功率变化而调整无功补偿，而且会使谐波严重放大。因此不能用于电压波动和闪变较大的场合。静止无功补偿器(SVC)是目前电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备。IEEE将静止无功补偿器定义为一种
14、并联型的静止无功发生器或者吸收器，其输出可以调节以变换容性或者感性电流。快速而准确的补偿电力系统中的无功缺额，从而有效维持或者控制电力系统中的某些特定参数(一般为母线电压)。静止无功补偿器是电网中控制无功功率的装置，它根据无功功率的需求自动补偿。所谓静止无功补偿的静止是指它没有机械运动部件，与同步调相机相比较，SVC是完全静止的设备。但它的补偿是动态的。即根据无功的需求或电压的变化自动跟踪补偿，从而稳定电压，保持电网稳定性。SVC由可控电感、固定或可变电容支路并联组成，在工程上应用实现的有以下几种电感电容支路型：饱和电抗器(SR)、晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管
15、控制的高阻抗变压器(TCT)。由于TCR型SVC具有反应时间快、平滑调节补偿、运行可靠、能分相调节、能平衡有功、适用范围广、价格较便宜等优点，实际应用最广，在控制电弧炉负荷产生的电压闪变时，几乎都采用这种型式。随着我国电力工业的高速发展，人们对供电质量以及可靠性的要求越来越高，超高压大电网的形成及负荷变化的加剧，要求大量快速响应的可调无功电源来补偿系统所缺无功，以此来调整电压、维持系统无功潮流平衡、减少损耗、提高供电质量和可靠性。对SVC的关键技术性问题进行深入的研究和考虑如何利用SVC来改善电力系统的电压稳定性具有极其重要的实际意义。3.2.3 静止无功发生器(SVG) 静止无功发生器原理图
16、见下图，电网电压和SVG输出的交流电压分别用向量U和 表示，则连接电抗X上的电压 即为Us和 的向量1 LU1差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的，这个电流就是SVG从电网吸收的电流I,因此，改变SVG交流侧输出电压 的幅值及其相1对于U的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。图三 SVG单相等效电路与SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围更宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容元件要小，这
17、将大大缩小装置的体积和成本。当然SVG的控制方法和控制系统比传统SVC复杂，另外SVG要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高得多，因此，SVG由于用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势还有待于随着器件水平的提高和成本的降低来得以发挥。SVG所具有的优越性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。3.2.4 有源电力滤波器(APF) APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。APF与普通SVC相比，有以下优点：响应时间快，对电压波动、闪变补偿率高，可减少补偿容量；没有谐波放
18、大作用和谐振问题，运行稳定；控制强，能实现控制电压波动、闪变、稳定电压作用，同时也能有效地滤除高次谐波，补偿功率因数。4 总结与展望电压波动与闪变，作为电能质量问题之一，与电压偏差、三相不平衡、谐波、频率偏移等其它电能质量问题相比，检测较为复杂，研究相对不足，测量设备较少，因此有些问题需要进一步研究。减小频谱分析误差，提高闪变测量精度。新方法基于对电压信号均方根曲线(即调幅波)的频谱分析，频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应等都会引起频谱计算误差。当调幅波为矩形波时，由于矩形波包含其基波频率整数倍的高次谐波(理论上上限为无穷大)，对调幅波采样无法满足采样定理，会出现频谱混叠：当调幅波频率很低(如接近0
19、05Hz)时，频谱分析截断时间又较短时，频谱泄漏会比较严重：栅栏效应也与截断时间有关。增加对调幅波的采样频率和频谱分析的截断时间，可有效减小上述误差，但会显著增加运算量。因此，如何在保持新算法计算量较小的优点的同时，减小误差，提高测量精度，值得继续研究。短时电压变动的分析与测量。电压波动与闪变的测量，是对一段时间内(几分钟到几个小时)电压变动情况的评估，其测量值是该时间段内电压变动的统计值。短时电压变动，如电压间断、电压凹陷和电压凸起等现象，不属于电压波动与闪变的研究范围，目前还没有相应的国家标准，对它的研究工作也很少。但电压间断、电压凹陷和电压凸起等，对电力用户的危害更大，短时电压变动的分析
20、与测量方法的研究亟待进行。IEC推荐的闪变测量原理仅适合检测平稳的电压波动信号，对于非平稳的信号还有待研究，采用小波多分辨同步检波法来实现电压波动信号的检测可能会带来很好的效果；电弧炉是现代炼钢的重要手段，由于其有功功率与无功功率的快速变化而引起的电压波动与闪变对电力系统的正常运行构成威胁，所以对其进行综合补偿是电网电能质量管理的一项重点。选择合理的供电接线方式；合理减少系统阻抗是抑制电压波动与电压闪变的最直接的方法，并能有效地提高电弧炉的经济效益；SVC的应用已经在电弧炉综合偿的实践中显示了技术上的优势和良好的效果，有效地降低了对电网的不利影响。静止无功发生器SVG比静止无功补偿器SVC补偿
21、优越，有源滤波器APF也比LC无源滤波器补偿优越，这将是谐波治理与无功综合补偿的方向。参考文献1 周明华浅析电压波动与闪变的检测与抑制广东江门台山供电局，20082 魏光 苏健. SVC 对电压波动与闪变的抑制.山东省禹城市电力总公司，20103 杨洪耕 肖先勇 刘俊勇 .电能质量问题的研究和技术进展.四川大学电气信息学院，20044 陈铭明 周 玮 孙 辉.基于串联补偿的电弧炉电压波动和闪变的抑制研究. 大连理工大学电气工程与应用电子学院，20095 魏晓璞 徐永海 肖湘宁.电压波动与闪变检测方法综述.华北电力大学电气与电子工程学院, 20106 文峰.电压波动与闪变的检测方法研究.郑州大学 电力系统及其自动化，20067 董利科.基于 FPGA 的电压波动与闪变测量的数字化实现研究.江苏大学农业电气化与自动化,2009
