電壓波動(dòng)和閃變的檢測(cè)與控制方法

由沖擊性功率負(fù)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(cè)方法，比較分析了幾種改善電壓波動(dòng)和閃變補(bǔ)償裝置的性能特點(diǎn)，為電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)與閃變的監(jiān)測(cè)及抑制提供參考。
關(guān)鍵詞：電壓波動(dòng)；閃變；檢測(cè)；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
隨著大量的基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和自動(dòng)化程度很高的用電設(shè)備相繼投入使用，工業(yè)用戶對(duì)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(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化程度很高的工業(yè)用戶一般每年要遭受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?cè)趦?nèi)的動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題造成的事故數(shù)約占事故總數(shù)的83％[1]。電壓波動(dòng)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(duì)其進(jìn)行有效地監(jiān)視與抑制。
電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和閃變主要是由具有沖擊性功率的負(fù)荷引起的[2]，如變頻調(diào)速裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼機(jī)等。這些非線性、不平衡沖擊性負(fù)荷在生產(chǎn)過(guò)程中有功和無(wú)功功率隨機(jī)地或周期性地大幅度變動(dòng)，當(dāng)其波動(dòng)電流流過(guò)供電線路阻抗時(shí)產(chǎn)生變動(dòng)的壓降，導(dǎo)致同一電網(wǎng)上其它用戶電壓以相同的頻率波動(dòng)。這種電壓幅值在一定范圍內(nèi)(通常為額定值的90％～110％)有規(guī)律或隨即地變化，即稱為電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)通常會(huì)引起許多電工設(shè)備不能正常工作，如影響電視畫面質(zhì)量、使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度遠(yuǎn)低于白熾燈，為此，選擇人對(duì)白熾燈照度波動(dòng)的主觀視感，即“閃變”，作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 電壓波動(dòng)與閃變的檢測(cè)
1.1 調(diào)幅波檢測(cè)
要對(duì)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(zhǔn)確的提取出波動(dòng)信號(hào)，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(diào)制的調(diào)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(diào)制信號(hào)解調(diào)方法，用與載波信號(hào)同頻同相的周期信號(hào)乘以被調(diào)信號(hào)，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(diào)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(cè)方法可分析某單一頻率的調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制，將工頻電壓u(t)的瞬時(shí)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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)框圖。

(1)平方解調(diào)檢波法
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦平方解調(diào)檢測(cè)法，即將u(t)平方，然后利用解調(diào)帶通濾波器檢測(cè)出調(diào)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(cè)出mA2cos(Ωt)的調(diào)幅波即電壓波動(dòng)分量。這種方法較適合用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
(2)全波整流解調(diào)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(duì)值運(yùn)算后再經(jīng)過(guò)解調(diào)帶通濾波器后便取得波動(dòng)信號(hào)。設(shè)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(cè)出的調(diào)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(xiàn)，英國(guó)ERA和法國(guó)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(diào)幅波，但存在檢出誤差，誤差的大小取決于波動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。
(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(diào)帶通濾波器后獲得波動(dòng)信號(hào)。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(jù)半波

這種方法，就實(shí)際線路而言，要將方均根值的計(jì)算時(shí)間準(zhǔn)確地整定在半個(gè)工頻周期是相當(dāng)困難的，而且其元件參數(shù)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(diào)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(guó)產(chǎn)的VFF-1型電壓波動(dòng)閃變分析儀和日本的△V10測(cè)量?jī)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(hào)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(yīng)用于調(diào)幅波檢測(cè)。如，文獻(xiàn)[3]提出了一種采用小波多分辨率信號(hào)分解和同步檢波的電壓閃變信號(hào)檢測(cè)新方法，該方法用小波多分辨率信號(hào)分解濾波器取代同步檢波器中的解調(diào)帶通濾波器，可以檢測(cè)出電壓閃變信號(hào)的突變時(shí)間，包絡(luò)信號(hào)中的各個(gè)頻率分量及其幅度。但這種方法具有對(duì)信號(hào)所需采樣數(shù)據(jù)多，運(yùn)算量大，檢測(cè)突變故障信號(hào)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(hào)分解時(shí)，必須尋求快速小波函數(shù)及其相應(yīng)小波變換。
另外，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于隨機(jī)理論和導(dǎo)納矩陣的隨機(jī)電壓閃變功率潮流法，這種方法可以計(jì)算出每條母線的最大電壓波動(dòng)值和閃變值，也能檢測(cè)出閃變?cè)磳?duì)系統(tǒng)電壓的沖擊，但這種方法在實(shí)際應(yīng)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(duì)人眼視覺(jué)產(chǎn)生刺激的響應(yīng)。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(duì)工頻電壓的調(diào)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(hào)mcos(Ωt)的基礎(chǔ)上，根據(jù)人眼視感度曲線進(jìn)行相應(yīng)的處理。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)依據(jù)1982年國(guó)際電熱協(xié)會(huì)(UIE)的推薦，給出了檢測(cè)電壓閃變的設(shè)計(jì)規(guī)范，其框圖如圖2所示。