電壓波動(dòng)和閃變的檢測與控制方法

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

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(zhù)大量的基于計算機系統的控制設備和自動(dòng)化程度很高的用電設備相繼投入使用，工業(yè)用戶(hù)對電能質(zhì)量的要求越來(lái)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(dòng)化程度很高的工業(yè)用戶(hù)一般每年要遭受10～50次與電能質(zhì)量問(wèn)題有關(guān)的干擾，其中因包括電壓波動(dòng)和閃變在內的動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題造成的事故數約占事故總數的83％[1]。電壓波動(dòng)和閃變已成為威脅許多重要用戶(hù)供電可靠性的主要原因之一，必須對其進(jìn)行有效地監視與抑制。
電力系統的電壓波動(dòng)和閃變主要是由具有沖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(xiàn)性、不平衡沖擊性負荷在生產(chǎn)過(guò)程中有功和無(wú)功功率隨機地或周期性地大幅度變動(dòng)，當其波動(dòng)電流流過(guò)供電線(xiàn)路阻抗時(shí)產(chǎn)生變動(dòng)的壓降，導致同一電網(wǎng)上其它用戶(hù)電壓以相同的頻率波動(dòng)。這種電壓幅值在一定范圍內(通常為額定值的90％～110％)有規律或隨即地變化，即稱(chēng)為電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)通常會(huì )引起許多電工設備不能正常工作，如影響電視畫(huà)面質(zhì)量、使電動(dòng)機轉速脈動(dòng)、使電子儀器工作失常、使白熾燈光發(fā)生閃爍等等。由于一般用電設備對電壓波動(dòng)的敏感度遠低于白熾燈，為此，選擇人對白熾燈照度波動(dòng)的主觀(guān)視感，即“閃變”，作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評價(jià)指標。

1 電壓波動(dòng)與閃變的檢測
1.1 調幅波檢測
要對電壓波動(dòng)與閃變進(jìn)行有效的抑制，首先的任務(wù)就是要準確的提取出波動(dòng)信號，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0.05~35Hz的電壓波動(dòng)分量調制的調幅波。因此，電壓波動(dòng)分量的檢出方法可采用通信理論中大功率載波調制信號解調方法，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(dòng)分量與工頻載波電壓分離，通過(guò)帶通濾波器得到波動(dòng)分量。
考慮電壓波動(dòng)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(jiǎn)化又不失一般性，研究電壓波動(dòng)的檢測方法可分析某單一頻率的調幅波對工頻載波的調制，將工頻電壓u(t)的瞬時(shí)值解析式寫(xiě)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(dòng)電壓。
目前，常用的波動(dòng)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(huì )(IEC)推薦平方解調檢測法，即將u(t)平方，然后利用解調帶通濾波器檢測出調幅波。經(jīng)過(guò)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(dòng)分量。這種方法較適合用數字信號處理的方法來(lái)實(shí)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(jìn)行絕對值運算后再經(jīng)過(guò)解調帶通濾波器后便取得波動(dòng)信號。設u(t)經(jīng)整流后的電壓為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(jīng)過(guò)0.05～30HZ的帶通濾波器便可檢測出的調幅波即電壓波動(dòng)分量。
這種方法較適合于模擬電路加以實(shí)現，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(guò)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(dòng)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(dòng)的輸入交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)解調帶通濾波器后獲得波動(dòng)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(dòng)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(shí)際線(xiàn)路而言，要將方均根值的計算時(shí)間準確地整定在半個(gè)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(huì )完全沒(méi)有直流分量，仍需隔直和濾波。瑞士的MEFP型閃變儀，國產(chǎn)的VFF-1型電壓波動(dòng)閃變分析儀和日本的△V10測量?jì)x等均采用每個(gè)周波求一個(gè)有效值。
(4)小波多分辨率信號分解同步檢波法及其它方法
近年來(lái)一些新理論和新原理應用于調幅波檢測。如，文獻[3]提出了一種采用小波多分辨率信號分解和同步檢波的電壓閃變信號檢測新方法，該方法用小波多分辨率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(shí)間，包絡(luò )信號中的各個(gè)頻率分量及其幅度。但這種方法具有對信號所需采樣數據多，運算量大，檢測突變故障信號的故障時(shí)刻延時(shí)較大等特點(diǎn)，因而在采用小波多分辨率信號分解時(shí)，必須尋求快速小波函數及其相應小波變換。
另外，文獻[4]提出了一種基于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(xiàn)的最大電壓波動(dòng)值和閃變值，也能檢測出閃變源對系統電壓的沖擊，但這種方法在實(shí)際應用中存在很大的難度。
1.2 閃變值的獲得
閃變是由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，所引起的燈光閃爍對人眼視覺(jué)產(chǎn)生刺激的響應。它不僅和電壓波動(dòng)大小有關(guān)，而且和波動(dòng)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(guān)。因此，要獲得閃變值，就必須在取得電壓波動(dòng)信號mcos(Ωt)的基礎上，根據人眼視感度曲線(xiàn)進(jìn)行相應的處理。國際電工委員會(huì )(IEC)依據1982年國際電熱協(xié)會(huì )(UIE)的推薦，給出了檢測電壓閃變的設計規范，其框圖如圖2所示。