電壓波動(dòng)和閃變的檢測(cè)與控制方法

框1為輸入級(jí)，實(shí)現(xiàn)把不同等級(jí)的電源電壓降到適合于儀器內(nèi)部電路的電壓值，此外也能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制波用于儀器的自檢。框2、3、4綜合模擬了燈－眼－腦環(huán)節(jié)對(duì)電壓波動(dòng)的反應(yīng)。其中框2反應(yīng)燈光強(qiáng)度與電壓的關(guān)系，給出與調(diào)制波幅值成線形關(guān)系的電壓，具體參考前面調(diào)幅波的檢測(cè)；框3的帶通和視感度加權(quán)濾波器反應(yīng)了人眼對(duì)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，用來模擬人腦對(duì)光強(qiáng)變化的非線性響應(yīng)和存儲(chǔ)響應(yīng)，框4的輸出S(t)反應(yīng)了人的視覺對(duì)電壓波動(dòng)的瞬時(shí)閃變視感度。然后對(duì)S(t)作不同處理可以反映電網(wǎng)電壓的閃變情況[5,6]。框5為閃變的統(tǒng)計(jì)分析，即根據(jù)框4輸出的S(t)進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)分析或?qū)⑵漭敵鰹V波做離線統(tǒng)計(jì)分析求得并輸出短時(shí)閃變嚴(yán)重度Pst。
根據(jù)此原理和框圖，可以設(shè)計(jì)出模擬式閃變檢測(cè)儀和數(shù)字式閃變檢測(cè)儀。模擬式閃變儀由于采用芯片實(shí)現(xiàn)濾波電路，具有處理速度快等特點(diǎn)，但對(duì)硬件電路要求較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜；數(shù)字式檢測(cè)儀濾波運(yùn)算采用軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量大，但結(jié)構(gòu)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(bǔ)償裝置，它們也都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能[6-9]，如靜止無功補(bǔ)償器(SVC)，有源濾波器(APF)，動(dòng)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 靜止無功補(bǔ)償器(SVC)
電壓閃變是電壓波動(dòng)的一種特殊反映，閃變的嚴(yán)重程度必將與負(fù)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(jì)算：

式(1)中,ΔP、ΔQ分別為評(píng)價(jià)母線上電力負(fù)荷有功、無功變化量；R、X為從電源到評(píng)價(jià)母線段供電系統(tǒng)等值電阻和電抗；UN為評(píng)價(jià)母線額定電壓。 在10KV以上系統(tǒng)中，由于R遠(yuǎn)小于X，故有

式(2)中，SK為評(píng)價(jià)母線上的三相系統(tǒng)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)主要與無功負(fù)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功負(fù)荷的劇烈變動(dòng)所致，因此對(duì)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(SVC)，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(shí)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(shí)，要求采用具有短的響應(yīng)時(shí)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。
2.2 有源電力濾波器(APF)
對(duì)于非線性沖擊性負(fù)荷，在幾個(gè)周波的時(shí)間內(nèi)，其電流可能出現(xiàn)相當(dāng)大的波動(dòng)，引起電壓閃變。因此，要抑制電壓閃變，必須在負(fù)荷電流急劇波動(dòng)的情況下，跟隨負(fù)荷變化實(shí)時(shí)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，可對(duì)負(fù)荷電流作實(shí)時(shí)補(bǔ)償，如圖3所示。有源電力濾波器的工作原理與傳統(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(shí)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[10]，有以下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)電壓波動(dòng)、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(dòng)、閃變，穩(wěn)定電壓作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補(bǔ)償功率因數(shù)。
我國(guó)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(guó)，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。
2.3 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)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(dǎo)致電壓閃變，這就要求補(bǔ)償裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變時(shí)除了進(jìn)行無功功率補(bǔ)償使供電線路無功功率波動(dòng)減小外，還得提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償。因而傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方法不能有效的改善這類電能質(zhì)量問題，只有帶儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置才能滿足要求。
動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，其接法是將一個(gè)由三單相電壓源變流器構(gòu)成的三相變流器串聯(lián)接入電網(wǎng)與欲補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷之間[11-13]。這里逆變器采用3個(gè)單相結(jié)構(gòu)，目的是為了更靈活地對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行控制，并提供對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)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(shí)，DVR通過對(duì)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(chǔ)能單元，能夠在ms級(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差[2]，可用于克服系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)用戶的影響，因此是解決電壓波動(dòng)、不對(duì)稱、諧波等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問題的有效工具。至今西屋公司、西門子公司和ABB公司都已研制出該類裝置，并已取得良好的運(yùn)行效果[10]。

由DVR裝置的結(jié)構(gòu)圖可以看出，它起了將系統(tǒng)與負(fù)荷隔離的作用，是面向負(fù)荷的補(bǔ)償裝置。該裝置僅對(duì)特定負(fù)荷加以補(bǔ)償，所以其容量?jī)H取決于負(fù)荷的補(bǔ)償容量和要求的補(bǔ)償范圍。目前大部分DVR裝置的直流側(cè)采用電容來提供直流電壓，只能提供有限的能量，若要求DVR長(zhǎng)時(shí)間提供電壓補(bǔ)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)行無功交換，可以滿足長(zhǎng)期工作的要求。
2.4 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其它補(bǔ)償裝置
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPFC)結(jié)合了串、并聯(lián)補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)，具有對(duì)電壓、電流質(zhì)量問題統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)墓δ?，屬于綜合的補(bǔ)償裝置。如文獻(xiàn)[14]提出的含有儲(chǔ)能單元的串、并聯(lián)組合的用戶電力綜合補(bǔ)償裝置，該裝置除了應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補(bǔ)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)量問題，提高供電的可靠性。
另外，除了前面的所介紹的補(bǔ)償裝置外，靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)也能抑制電壓波動(dòng)和閃變。該系統(tǒng)通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來靈活控制系統(tǒng)潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩(wěn)極限，能提高輸電系統(tǒng)輸送容量。目前主要的FACTS有：靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)，晶閘管投切電容器型(TSSC)，可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器(TCSC)等。根據(jù)前面的式(2)知，在10KV以上系統(tǒng)中，通過FACTS改變線路電抗能減小電壓波動(dòng)，特別是并聯(lián)補(bǔ)償裝置----STATCOM，通過與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換，以維持線路電壓恒定，因此是抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)、閃變和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性特別是電壓穩(wěn)定性的有力工具。

3 結(jié)論
在輸電和配電系統(tǒng)中，由沖擊性功率負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)通過公共連接點(diǎn)(PCC)傳遞到電網(wǎng)其它饋電線路上危害其他用戶的電氣設(shè)備，給配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染。因此，需加強(qiáng)對(duì)電壓波動(dòng)和閃變的監(jiān)測(cè)與控制。本文論述了電壓波動(dòng)和閃變的常用檢測(cè)方法，比較分析了幾種常用的改善電壓波動(dòng)和閃變的補(bǔ)償裝置性能特點(diǎn)。這些研究，對(duì)研制閃變檢測(cè)儀器或采取電壓波動(dòng)抑制措施，具有借鑒和參考價(jià)值。