電壓波動和閃變的檢測與控制方法

2020-11-25 電子產品世界

由衝擊性功率負荷引起的電壓波動與閃變是電能質量問題的重要方面之一。本文論述了電壓波動和閃變的常用檢測方法，比較分析了幾種改善電壓波動和閃變補償裝置的性能特點，為電力系統電壓波動與閃變的監測及抑制提供參考。
關鍵詞：電壓波動；閃變；檢測；抑制；電能質量

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/162457.htm

Detection and Suppression Methods for Voltage Fluctuation and Flicker

GUO Shang-hua， HUANG Chun，WANG Lei，CAO Guo-jian

(College of Electricity Information Engineering of Hunan University，
Changsha 410082,China)

Abstract：Voltage fluctuation and flicker, caused by fast-speed varying load, is one of the most important aspects of power quality. In this paper, the methods of detecting voltage flicker are detailed, and the performances of some common device that suppressed the voltage fluctuation are analyzed and compared. All the study is helpful for the supervision and control of voltage fluctuation and flicker.
Key words: voltage fluctuation; flicker; detection; suppression; power quality

0 引言
隨著大量的基於計算機系統的控制設備和自動化程度很高的用電設備相繼投入使用，工業用戶對電能質量的要求越來越高，甚至幾分之一秒的不正常就可造成的巨大的損失。據統計，自動化程度很高的工業用戶一般每年要遭受10～50次與電能質量問題有關的幹擾，其中因包括電壓波動和閃變在內的動態電壓質量問題造成的事故數約佔事故總數的83％[1]。電壓波動和閃變已成為威脅許多重要用戶供電可靠性的主要原因之一，必須對其進行有效地監視與抑制。
電力系統的電壓波動和閃變主要是由具有衝擊性功率的負荷引起的[2]，如變頻調速裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼機等。這些非線性、不平衡衝擊性負荷在生產過程中有功和無功功率隨機地或周期性地大幅度變動，當其波動電流流過供電線路阻抗時產生變動的壓降，導致同一電網上其它用戶電壓以相同的頻率波動。這種電壓幅值在一定範圍內(通常為額定值的90％～110％)有規律或隨即地變化，即稱為電壓波動。電壓波動通常會引起許多電工設備不能正常工作，如影響電視畫面質量、使電動機轉速脈動、使電子儀器工作失常、使白熾燈光發生閃爍等等。由於一般用電設備對電壓波動的敏感度遠低於白熾燈，為此，選擇人對白熾燈照度波動的主觀視感，即「閃變」，作為衡量電壓波動危害程度的評價指標。

1 電壓波動與閃變的檢測
1.1 調幅波檢測
要對電壓波動與閃變進行有效的抑制，首先的任務就是要準確的提取出波動信號，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範圍在0.05~35Hz的電壓波動分量調製的調幅波。因此，電壓波動分量的檢出方法可採用通信理論中大功率載波調製信號解調方法，用與載波信號同頻同相的周期信號乘以被調信號，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。
考慮電壓波動分量，就是在基波電壓上疊加有一系列的調幅波，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幅波對工頻載波的調製，將工頻電壓u(t)的瞬時值解析式寫成：

式中：A為工頻載波電壓的幅值，ω0為工頻載波電壓的角頻率，m為調幅波電壓的幅值，mcos(Ωt)為波動電壓。
目前，常用的波動電壓檢出方法有三種：平方解調檢波法、全波整流檢波法和半波有效值檢波法，圖1所示分別為三種方法的原理結構框圖。


(1)平方解調檢波法
國際電工委員會(IEC)推薦平方解調檢測法，即將u(t)平方，然後利用解調帶通濾波器檢測出調幅波。經過0.05～30HZ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mA2cos(Ωt)的調幅波即電壓波動分量。這種方法較適合用數位訊號處理的方法來實現。
(2)全波整流解調檢波法
全波整流檢波法的基本原理是將輸入交流電壓u(t)全波整流即進行絕對值運算後再經過解調帶通濾波器後便取得波動信號。設u(t)經整流後的電壓為g(t)，則g(t)可看作u(t)和幅值為±1、頻率為工頻的方波的乘積。將經過0.05～30HZ的帶通濾波器便可檢測出的調幅波即電壓波動分量。
這種方法較適合於模擬電路加以實現，英國ERA和法國EDF等閃變儀採用此方案。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構。
(3)半波有效值檢波法
半波有效值法是利用RMS/DC變換器將波動的輸入交流電壓變換成脈動的直流電壓，再經解調帶通濾波器後獲得波動信號。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，其脈動成份即反映了輸入電壓方均根值的變化。根據半波

這種方法，就實際線路而言，要將方均根值的計算時間準確地整定在半個工頻周期是相當困難的，而且其元件參數整定較為困難。另外，該方法可去除直流分量和二倍工頻分量等，只保留調幅波，但其中不會完全沒有直流分量，仍需隔直和濾波。瑞士的MEFP型閃變儀，國產的VFF-1型電壓波動閃變分析儀和日本的△V10測量儀等均採用每個周波求一個有效值。
(4)小波多解析度信號分解同步檢波法及其它方法
近年來一些新理論和新原理應用於調幅波檢測。如，文獻[3]提出了一種採用小波多解析度信號分解和同步檢波的電壓閃變信號檢測新方法，該方法用小波多解析度信號分解濾波器取代同步檢波器中的解調帶通濾波器，可以檢測出電壓閃變信號的突變時間，包絡信號中的各個頻率分量及其幅度。但這種方法具有對信號所需採樣數據多，運算量大，檢測突變故障信號的故障時刻延時較大等特點，因而在採用小波多解析度信號分解時，必須尋求快速小波函數及其相應小波變換。
另外，文獻[4]提出了一種基於隨機理論和導納矩陣的隨機電壓閃變功率潮流法，這種方法可以計算出每條母線的最大電壓波動值和閃變值，也能檢測出閃變源對系統電壓的衝擊，但這種方法在實際應用中存在很大的難度。
1.2 閃變值的獲得
閃變是由於電網電壓的波動，所引起的燈光閃爍對人眼視覺產生刺激的響應。它不僅和電壓波動大小有關，而且和波動的頻率(即對工頻電壓的調幅頻率)、照明燈具的性能及人的視感因素有關。因此，要獲得閃變值，就必須在取得電壓波動信號mcos(Ωt)的基礎上，根據人眼視感度曲線進行相應的處理。國際電工委員會(IEC)依據1982年國際電熱協會(UIE)的推薦，給出了檢測電壓閃變的設計規範，其框圖如圖2所示。
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