電壓波動和閃變的檢測與控制方法

框1為輸入級，實現(xiàn)把不同等級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)生標準的調(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)對電壓波動的反應(yīng)。其中框2反應(yīng)燈光強度與電壓的關(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；框3的帶通和視感度加權(quán)濾波器反應(yīng)了人眼對不同頻率的電壓波動的敏感程度，通頻帶為0.05～35Hz；框4包含一個平方器和一個一階低通濾波器，用來模擬人腦對光強變化的非線性響應(yīng)和存儲響應(yīng)，框4的輸出S(t)反應(yīng)了人的視覺對電壓波動的瞬時閃變視感度。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(tǒng)計分析，即根據(jù)框4輸出的S(t)進行在線統(tǒng)計分析或?qū)⑵漭敵鰹V波做離線統(tǒng)計分析求得并輸出短時閃變嚴重度Pst。
根據(jù)此原理和框圖，可以設(shè)計出模擬式閃變檢測儀和數(shù)字式閃變檢測儀。模擬式閃變儀由于采用芯片實現(xiàn)濾波電路，具有處理速度快等特點，但對硬件電路要求較高，設(shè)計復(fù)雜；數(shù)字式檢測儀濾波運算采用軟件實現(xiàn)，計算量大，但結(jié)構(gòu)簡單，比較靈活。

2 電壓波動與閃變的抑制
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與閃變的功能[6-9]，如靜止無功補償器(SVC)，有源濾波器(APF)，動態(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與閃變方面的作用。
2.1 靜止無功補償器(SVC)
電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映，閃變的嚴重程度必將與負荷變化引起的電壓變動相關(guān)，電壓變動量通常按下式計算：

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

式(2)中，SK為評價母線上的三相系統(tǒng)短路容量。
式(2)表明，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動主要與無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功負荷的劇烈變動所致，因此對于電壓閃變的抑制，最常用方法是安裝靜止無功補償裝置(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，實際運行時有可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴重放大。因此，在進行補償時，要求采用具有短的響應(yīng)時間、并且能夠直接補償負荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器。
2.2 有源電力濾波器(APF)
對于非線性沖擊性負荷，在幾個周波的時間內(nèi)，其電流可能出現(xiàn)相當大的波動，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的情況下，跟隨負荷變化實時補償無功電流。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，可對負荷電流作實時補償，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變換原理的瞬時無功理論進行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)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：響應(yīng)時間快，對電壓波動、閃變補償率高，可減少補償容量；沒有諧波放大作用和諧振問題，運行穩(wěn)定；控制強，能實現(xiàn)控制電壓波動、閃變，穩(wěn)定電壓作用，同時也能有效地濾除高次諧波，補償功率因數(shù)。
我國雖然在理論上取得了一定的進展，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際。而在日本和美國，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同樣會導致電壓閃變，這就要求補償裝置在抑制電壓波動與閃變時除了進行無功功率補償使供電線路無功功率波動減小外，還得提供瞬時有功功率補償。因而傳統(tǒng)的無功補償方法不能有效的改善這類電能質(zhì)量問題，只有帶儲能單元的補償裝置才能滿足要求。
動態(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)與欲補償?shù)呢摵芍g[11-13]。這里逆變器采用3個單相結(jié)構(gòu)，目的是為了更靈活地對三相電壓和電流進行控制，并提供對系統(tǒng)電壓不對稱情況的補償。該裝置的核心部分為同步電壓源逆變器，當線路側(cè)電壓發(fā)生突變時，DVR通過對直流側(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通過自身的儲能單元，能夠在ms級內(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)電壓波動對用戶的影響，因此是解決電壓波動、不對稱、諧波等動態(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，所以其容量僅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(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長時間提供電壓補償，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，只進行無功交換，可以滿足長期工作的要求。
2.4 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其它補償裝置
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPFC)結(jié)合了串、并聯(lián)補償裝置的特點，具有對電壓、電流質(zhì)量問題統(tǒng)一補償?shù)墓δ?，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)組合的用戶電力綜合補償裝置，該裝置除了應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補償外，還可以解決瞬時供電中斷和電壓波動等動態(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償裝置外，靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)也能抑制電壓波動和閃變。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(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，特別是并聯(lián)補償裝置----STATCOM，通過與系統(tǒng)進行無功功率交換，以維持線路電壓恒定，因此是抑制系統(tǒng)電壓波動、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，由沖擊性功率負荷引起的電壓波動通過公共連接點(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)量造成了嚴重污染。因此，需加強對電壓波動和閃變的監(jiān)測與控制。本文論述了電壓波動和閃變的常用檢測方法，比較分析了幾種常用的改善電壓波動和閃變的補償裝置性能特點。這些研究，對研制閃變檢測儀器或采取電壓波動抑制措施，具有借鑒和參考價值。