電壓波動(dòng)和閃變的檢測與控制方法

框1為輸入級，實(shí)現把不同等級的電源電壓降到適合于儀器內部電路的電壓值，此外也能產(chǎn)生標準的調制波用于儀器的自檢?？?、3、4綜合模擬了燈－眼－腦環(huán)節對電壓波動(dòng)的反應。其中框2反應燈光強度與電壓的關(guān)系，給出與調制波幅值成線(xiàn)形關(guān)系的電壓，具體參考前面調幅波的檢測；框3的帶通和視感度加權濾波器反應了人眼對不同頻率的電壓波動(dòng)的敏感程度，通頻帶為0.05～35Hz；框4包含一個(gè)平方器和一個(gè)一階低通濾波器，用來(lái)模擬人腦對光強變化的非線(xiàn)性響應和存儲響應，框4的輸出S(t)反應了人的視覺(jué)對電壓波動(dòng)的瞬時(shí)閃變視感度。然后對S(t)作不同處理可以反映電網(wǎng)電壓的閃變情況[5,6]?？?為閃變的統計分析，即根據框4輸出的S(t)進(jìn)行在線(xiàn)統計分析或將其輸出濾波做離線(xiàn)統計分析求得并輸出短時(shí)閃變嚴重度Pst。
根據此原理和框圖，可以設計出模擬式閃變檢測儀和數字式閃變檢測儀。模擬式閃變儀由于采用芯片實(shí)現濾波電路，具有處理速度快等特點(diǎn)，但對硬件電路要求較高，設計復雜；數字式檢測儀濾波運算采用軟件實(shí)現，計算量大，但結構簡(jiǎn)單，比較靈活。

2 電壓波動(dòng)與閃變的抑制
目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補償裝置，它們也都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能[6-9]，如靜止無(wú)功補償器(SVC)，有源濾波器(APF)，動(dòng)態(tài)電壓恢復器(DVR)，以及配電系統電能質(zhì)量統一控制器等。下面分析比較這些裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變方面的作用。
2.1 靜止無(wú)功補償器(SVC)
電壓閃變是電壓波動(dòng)的一種特殊反映，閃變的嚴重程度必將與負荷變化引起的電壓變動(dòng)相關(guān)，電壓變動(dòng)量通常按下式計算：

式(1)中,ΔP、ΔQ分別為評價(jià)母線(xiàn)上電力負荷有功、無(wú)功變化量；R、X為從電源到評價(jià)母線(xiàn)段供電系統等值電阻和電抗；UN為評價(jià)母線(xiàn)額定電壓。 在10KV以上系統中，由于R遠小于X，故有

式(2)中，SK為評價(jià)母線(xiàn)上的三相系統短路容量。
式(2)表明，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動(dòng)主要與無(wú)功負荷的變化量以及電網(wǎng)的短路容量有關(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(wú)功負荷的劇烈變動(dòng)所致，因此對于電壓閃變的抑制，最常用方法是安裝靜止無(wú)功補償裝置(SVC)，目前這方面技術(shù)已相當成熟。但是，由于某些類(lèi)型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無(wú)源濾波器并聯(lián)使用，實(shí)際運行時(shí)有可能由于系統諧波諧振使某些諧波嚴重放大。因此，在進(jìn)行補償時(shí)，要求采用具有短的響應時(shí)間、并且能夠直接補償負荷的無(wú)功沖擊電流和諧波電流的補償器。
2.2 有源電力濾波器(APF)
對于非線(xiàn)性沖擊性負荷，在幾個(gè)周波的時(shí)間內，其電流可能出現相當大的波動(dòng)，引起電壓閃變。因此，要抑制電壓閃變，必須在負荷電流急劇波動(dòng)的情況下，跟隨負荷變化實(shí)時(shí)補償無(wú)功電流。近年來(lái)采用電力晶體管(GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調制(PWM)技術(shù)等構成的有源濾波器，可對負荷電流作實(shí)時(shí)補償，如圖3所示。有源電力濾波器的工作原理與傳統的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件和基于坐標變換原理的瞬時(shí)無(wú)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電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統只須向負荷提供正弦的基波電流。

有源電力濾波器與普通SVC相比[10]，有以下優(yōu)點(diǎn)：響應時(shí)間快，對電壓波動(dòng)、閃變補償率高，可減少補償容量；沒(méi)有諧波放大作用和諧振問(wèn)題，運行穩定；控制強，能實(shí)現控制電壓波動(dòng)、閃變，穩定電壓作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補償功率因數。
我國雖然在理論上取得了一定的進(jìn)展，但由于多方面條件的限制，至今未有并聯(lián)型有源電力濾波器正式用于實(shí)際。而在日本和美國，已普遍使用有源電力濾波器來(lái)抑制電弧爐等引起的電壓閃變。
2.3 動(dòng)態(tài)電壓恢復器
由式(1)知，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 )導致電壓閃變，這就要求補償裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變時(shí)除了進(jìn)行無(wú)功功率補償使供電線(xiàn)路無(wú)功功率波動(dòng)減小外，還得提供瞬時(shí)有功功率補償。因而傳統的無(wú)功補償方法不能有效的改善這類(lèi)電能質(zhì)量問(wèn)題，只有帶儲能單元的補償裝置才能滿(mǎn)足要求。
動(dòng)態(tài)電壓恢復器(DVR)的基本結構如圖4所示，其接法是將一個(gè)由三單相電壓源變流器構成的三相變流器串聯(lián)接入電網(wǎng)與欲補償的負荷之間[11-13]。這里逆變器采用3個(gè)單相結構，目的是為了更靈活地對三相電壓和電流進(jìn)行控制，并提供對系統電壓不對稱(chēng)情況的補償。該裝置的核心部分為同步電壓源逆變器，當線(xiàn)路側電壓發(fā)生突變時(shí)，DVR通過(guò)對直流側電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，再通過(guò)變壓器與原電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，來(lái)補償系統電壓的跌落或抵消系統電壓的浪涌。由于DVR通過(guò)自身的儲能單元，能夠在ms級內向系統注入正常電壓與故障電壓之差[2]，可用于克服系統電壓波動(dòng)對用戶(hù)的影響，因此是解決電壓波動(dòng)、不對稱(chēng)、諧波等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題的有效工具。至今西屋公司、西門(mén)子公司和ABB公司都已研制出該類(lèi)裝置，并已取得良好的運行效果[10]。

由DVR裝置的結構圖可以看出，它起了將系統與負荷隔離的作用，是面向負荷的補償裝置。該裝置僅對特定負荷加以補償，所以其容量?jì)H取決于負荷的補償容量和要求的補償范圍。目前大部分DVR裝置的直流側采用電容來(lái)提供直流電壓，只能提供有限的能量，若要求DVR長(cháng)時(shí)間提供電壓補償，則必須讓DVR輸出的電壓和電流垂直，這樣DVR裝置不提供有功，只進(jìn)行無(wú)功交換，可以滿(mǎn)足長(cháng)期工作的要求。
2.4 統一電能質(zhì)量控制器及其它補償裝置
統一電能質(zhì)量控制器(UPFC)結合了串、并聯(lián)補償裝置的特點(diǎn)，具有對電壓、電流質(zhì)量問(wèn)題統一補償的功能，屬于綜合的補償裝置。如文獻[14]提出的含有儲能單元的串、并聯(lián)組合的用戶(hù)電力綜合補償裝置，該裝置除了應用于配電系統的諧波補償外，還可以解決瞬時(shí)供電中斷和電壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題，提高供電的可靠性。
另外，除了前面的所介紹的補償裝置外，靈活交流輸電系統(FACTS)也能抑制電壓波動(dòng)和閃變。該系統通過(guò)控制電力系統的基本參數來(lái)靈活控制系統潮流，使輸送容量更接近線(xiàn)路的熱穩極限，能提高輸電系統輸送容量。目前主要的FACTS有：靜止無(wú)功補償器(STATCOM)，晶閘管投切電容器型(TSSC)，可控串聯(lián)補償電容器(TCSC)等。根據前面的式(2)知，在10KV以上系統中，通過(guò)FACTS改變線(xiàn)路電抗能減小電壓波動(dòng)，特別是并聯(lián)補償裝置----STATCOM，通過(guò)與系統進(jìn)行無(wú)功功率交換，以維持線(xiàn)路電壓恒定，因此是抑制系統電壓波動(dòng)、閃變和提高系統穩定性特別是電壓穩定性的有力工具。

3 結論
在輸電和配電系統中，由沖擊性功率負荷引起的電壓波動(dòng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(PCC)傳遞到電網(wǎng)其它饋電線(xiàn)路上危害其他用戶(hù)的電氣設備，給配電系統的電能質(zhì)量造成了嚴重污染。因此，需加強對電壓波動(dòng)和閃變的監測與控制。本文論述了電壓波動(dòng)和閃變的常用檢測方法，比較分析了幾種常用的改善電壓波動(dòng)和閃變的補償裝置性能特點(diǎn)。這些研究，對研制閃變檢測儀器或采取電壓波動(dòng)抑制措施，具有借鑒和參考價(jià)值。