电网电压波动的分析与抑制

电网电压波动的分析与抑制1.电压波动的定义与限值1.1电压波动的定义电压波动是指电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。

电压波动量化为电压方均根值的两个极值ax U m 和in U m 之差与其额定电压比值的百分值，即%100⨯=∆∆N V UV 。

其变化周期大于工频周期，每秒V ∆的变化大于%2.0者为电压波动，否则视为电压偏差(电压的慢变化)。

在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，其变化过程是多种多样的，有规则和不规则的，也有随机的。

电压波动的图形和变化过程相同，也是多种多样的，有跳跃形，准稳态形和斜坡形等。

1.2电压允许波动的范围电压波动的限值与考察点的位置、电压等级和电压变动频度有关。

以电网的公共连接点（PCC ）为例，对于电压变动频度较低（r ≤1000次/h)或 规 则 的 周 期 性 电 压 波 动，GB12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》给出了相应的电压波动限值，如下所示。

表1电压变动限值2. 电压波动的产生原因一个理想供电系统的三相交流电源对称、电压均方根值恒定，并且负荷特性与系统电压水平无关。

这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取电能，同时也要求公共连接点(PCC)的短路容量无穷大，系统的等值电抗为零。

而实际上，这些条件是不可能满足的，供电系统电压每时每刻都发生着变换。

电力系统的电压波动主要是由具有冲击性(快速变动)功率的负荷引起的，例如炼钢电弧炉、轧钢机、电弧焊机等。

特别是电弧炉，国外的有关规定主要是针对电弧炉的。

这些负荷的特点是在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动。

随着工业的发展，这类负荷的功率越来越大，达几万乃至十几万千瓦，因此对电能质量将产生不可忽视的影响。

具体一点可做如下分类：(1)电源引起的电压波动。

用户负荷的剧烈变化,会引起电压波动。

(2)大型电动机起动时引起的电压波动。

工厂供电系统中广泛采用鼠笼型感应电动机和异步起动的同步电动机,它们的起动电流可达到额定电流的4~6倍(3 000 r/min 的感应电动机可能达到其额定电流的9~11倍)。

一方面,电动机起动和电网恢复电压时的自起动电流流经网路及变压器,在各个元件上引起附加的电压损失,使该供电系统和母线都产生快速、短时的电压波动。

另一方面,起动电流不仅数值很大,且有很低的滞后功率因数,将造成更大的电压波动。

这种影响对于容量较小的电力系统尤其严重。

工业企业中,当重型设备的容量增大和某些生产过程功率变化非常剧烈时,电压波动值大,波及面广(3)由反复短时工作制负载引起电压波动。

这类负载的特点为负载作增减地变化，且周期性交替。

但交替的周期不为定值，其交替的幅值也不为定值。

如吊运工件的吊车，手工焊接用的交直流电焊机等。

目前，厂矿为了节约用电，交直流电焊机均装设了自动断电装置。

因此，在节约用电的同时，电动机的起动电流和焊接变压器的涌流却又加剧了所在电网的电压波动。

(4)大型电弧炼钢炉运行时造成大的电压波动和闪变。

电弧炉在熔炼期间频繁切断,甚至在一次熔炼过程可能达到10次以上。

熔炼期间升降电极、调整炉体、检查炉况等工艺环节,需要的电流很小,而炉料崩落则可在电极尖端形成短路,不同工艺环节所需电流的变化导致了电压波动或闪变。

(5)供电系统短路电流引起的电压波动。

厂矿中高、低压配电线路及电气设备发生短路故障时,若继电保护装置或断路器失灵,可能使故障持续存在,也可能造成越级跳闸。

这样可能会损坏配电装置,造成大面积的停电,延长整个电网的电压波动时间并扩大了电压波动范围。

3.电压波动的分析要对电压波动进行有效的抑制,首要的任务就是要准确地提取出波动信号,通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在0.05~35 Hz 的电压波动分量调制的调幅波。

因此,电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法,用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号,将电压波动分量与工频载波电压分离,通过带通滤波器得到波动分量。

考虑电压波动分量,就是在基波电压上叠加一系列的调幅波,为使分析简化又不失一般性,研究电压波动的检测方法可分析某单一频率的调幅波对工频载波的调制。

工频电压()t u 可表述为:()()[]ωt cos f 1t A t u += （式3-1）式中()t m t f ωcos =；A 一工频载波电压的幅值；ω工频载波电压的角频率； ()t f 一波动电压；m 一调幅波电压幅值；Ω一调幅波电压角频率。

目前，国内外电压波动的检测方法有五种，即平方检测、有效值检测、整流检测法、小波分解和同步检波对电压闪变信号的检测以及补偿迭代检测法。

3.1平方检测法平方解调法的基本检出原理是将输入电压进行平方运算后,经过解调滤波器经过0.05~30 Hz 的带通滤波器便能滤去直流分量和二倍工频分量，从而检测出调幅波即电压波动分量。

这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现。

对于电网电压中的调制信号()t m t f Ω=cos ，假设在某一时间间隔T 后，()t f 均为T 内()t f 的周期重复，则可把()t u 在T 内展开为傅氏级数()()∑=+Ω=2/1n n 0θcos n n t n mt f （式3-2）式中，n m 一调制系数；π2/ω0T N =；N /ω00=Ω显然N 为T 内所包含电压()t u 的工频周期个数。

求和下限n=1，是因为合适地选择包络波的假想零线，可使()t f 的直流分量为零。

设()t f 为频带受限信号，其上限频率2/0m ωω<，则上式求和上限为2/N 。

式(3一2)代入式(3一1)中得()t u =[()]t t n m A n n 02/1n n 0cos θcos 1ω∑=+Ω+ （式3一3）对()t u 做傅氏变换后的频谱()ωu 示于图3—1。

其中包络线下的部分为()t f 的频谱，与t 0cos ω相乘的结果，使它在ω轴上左右各平移了0ω。

因为假设调制频率的上限2/0m ωω<，所以()t f 的频谱线集中在2/00ωωω±<的范围内。

显然直接通过低通滤波的方法很难提取出信号()t f 来。

计算()t f2的傅氏变换，由式（式3一1）得 ()()()[]()t t f t f t u A 0222cos 1212ω+++= （式3一4）设()t f 2、()()[]t f t f A 22212++)]的傅氏变换分别为()ωF 、()ω1F 则 ()()()()[]010121122ωωωωωω-+++=F F F F （式3一5）()ωF 的频谱示于图3一2，实际上它是频谱()ωu 自身卷积的结果。

用滤波器去()ωF 中。

ω=0及0ωω>的部分，即可提取出调制信号()t f 来。

图3一1信号()t f 的幅度谱图3一2信号()t f2的幅度谱从以上分析可以知道平方检波的原理，给出平方检波的步骤:首先对采样信号平方，然后用截止频率零点几个赫兹的高通滤波器去直流分量，再应用截止频率为0ω的低通滤波器滤去高频成份，得到()t f 。

3.2整流检波法全波整流检波法的基本原理是将输入交流电压()t u 全波整流即进行绝对值运算后再经过解调带通滤波器后便取得波动信号。

这种方法较适合于模拟电路加以实现,英国ERA 和法国EDF 等闪变仪采用此方案。

它跟平方检波法一样,都要通过带通滤波器保留调幅波,但存在检出误差,误差的大小取决于波动信号的频谱结构。

设()t u 经整流后的电压为()t g ,则()t g 可看作()t u 和幅值为±1、频率为工频的方波()t p 的乘积。

对于式(3一3)表示的信号()t u ，因为1n ≤ω，因此()t u 的波动部分()t f 不会影响()t u 的正负及过零点。

电压()t u 经过整流后的信号()t g 可以看成()t u 与一幅值为士1、频率为工频的矩形波信号()t p 相乘的结果: ()()()t p t u t g =，将()t g 经过0.05~30Hz 的带通滤波器便可检测出t mA Ωcos 2π的调幅波即电压波动分量。

查傅立叶级数表可得()[] -+-=t t t t p ωωωπ5cos 3cos cos 51314，设()t u 、()t p 的傅氏变换为()ωU 、()ωP ，()ωU 为()[]t A f 1+]的傅氏变换，则()ωU 在ω轴上左右各平移了0ω，得()()()[]2/1111ωωωωω-++=U U U （式3一6）()()()∑=-=0n 042/sin ωωδπωπn n P （式3一7）图3一3整流检波解调方法的频谱由卷积定理得()t g 的傅氏变换()ωG ：()()()ωωωπP U G *21= （式3一8）()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=∑=--+0n 01141121221ωωωωπn U U G n n （式3一9） 图3一3所示为整流检波方法中各信号频谱的示意图。

滤去频谱()ωG 中ω=0及0ωω>的频谱，即可从()t u 中提取出调制信号()t f 来。

全波整流检波法检出结果与平方调解法一样,也将存在检测误差,最大相对误差可达10%。

从原理分析可以得到整流检波的实现步骤:首先对采样信号取绝对值，然后滤去直流分量和频率高于工频的分量，就得到()t f 的采样。

3.3有效值检波有效值检测法是将原电压波动信号平方后减去载波电压均值再进行积分运算，将得到的信号进行隔直和滤波后得到调幅波。

利用单片RMS/DC （有效值—直流）变换器(如AD536)将波动的输入交流电压变换成脉动的直流电压,再经解调滤波器后获得波动信号。

RMS/DC 变换器输出的直流电压值为输入交流电压的方均根值,其脉动成份即反映了输入电压方均根值的变化。

我国生产的VF-9101型闪变仪采用此方案。

对于电压()t u ，取任一周期()ττ+T ,，并将此周期后的信号看成是该周期的周期延拓，由此可计算有效值()()⎰+=T T dt t u τττ21k （式3一10） 将()t u 2减去参考电压2/20A u =，积分得 ()()[]d t A t u T T ⎰+-=τττ2/k 2212 （式3一11） 将（式3一1）代入（式3一11）()()()()()[]d t t t t f t t f t f T A T ⎰+++++=ττωωωτ00202122cos 2cos 212cos 22k 2 （式3一12） 式 （式3一12）中考虑到()t os t f 02c ω和t os 02c ω项的频谱在m Ω>-02ωω的范围内，因此也可以忽略掉这两项，同时考虑到从1<<n m ，因此忽略()t f 2项，得()()dt t T T A ⎰+≈τττf k 22 （式3一13）由以上有效值检波方法的原理。