電壓跌落產(chǎn)生的原因及對策分析

陳淑平　臧海峰

摘要：目前，動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)已引起國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，而該技術(shù)中最為關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)：實時檢測評估技術(shù)和動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的工作原理及實現(xiàn)策略則更是成為當(dāng)今研究的熱點。本文對目前常用的實時檢測手段和動態(tài)補(bǔ)償方法的原理及其優(yōu)缺點進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述和深入的分析。最后，本文還介紹了現(xiàn)今已推出的幾種動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，并對其性能做了詳細(xì)的比較。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；電壓跌落；動態(tài)電能調(diào)節(jié)技術(shù)；動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

1電壓跌落概述

電壓跌落(又可稱dips)是指在某一時刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短的一段時間后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象。目前，多數(shù)文獻(xiàn)都用跌落的幅值和持續(xù)時間來作為描述電壓跌落的特征量，但對幅值大小和持續(xù)時間的界定范圍還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。例如，在IEEE電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對電壓跌落特征量的界定范圍是幅值標(biāo)么值在0．1~0．9之間，持續(xù)時間為半個周期至1分鐘；而IEC標(biāo)準(zhǔn)則用跌落前后電壓的差值與正常電壓的百分比來描述電壓跌落的深度，持續(xù)時間限定為半個周期至幾十秒。此外，有的文獻(xiàn)把電壓相位偏移角和發(fā)生頻率也作為描述電壓跌落的特征量。惡劣的天氣條件是引起電壓跌落的主要原因。統(tǒng)計表明60％以上的電壓跌落都和惡劣的天氣(如雷擊、暴風(fēng)雨)有關(guān)。系統(tǒng)故障，尤其是系統(tǒng)單相對地故障是造成電壓跌落的另一個重要原因。當(dāng)電力系統(tǒng)輸電線路發(fā)生故障時，該線路上甚至幾百米開外的電力用戶依然會受到影響，其正常工作狀態(tài)受到干擾。此外，一些大負(fù)荷(如大電機(jī)、煉鋼電弧爐等)突然啟動時伴隨的電流嚴(yán)重畸變現(xiàn)象也會導(dǎo)致該負(fù)荷所連接的母線電壓發(fā)生跌落。

2電壓跌落檢測技術(shù)

考慮到電壓跌落發(fā)生的隨機(jī)性和快速性，要使動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置具有良好的實時控制效果，首先要解決的是在保證能對裝置的控制信號(通常為電壓、電流)在一定檢測準(zhǔn)確度的前提下實現(xiàn)快速跟蹤檢測問題。目前可用于檢測電壓跌落并且可兼顧動態(tài)實時性和檢測準(zhǔn)確度的方法，主要有基于瞬時無功功率理論的αβ0變換方法、dq0變換方法和小波分析法。下面本文將對以上幾種方法進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1αβ0變換方法或dq0變換方法

隨著配電系統(tǒng)中各類非線性負(fù)荷的不斷增加和電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，它所引起的電網(wǎng)電壓的畸變問題日益嚴(yán)重。在這種背景下，基于平均值基礎(chǔ)上定義的傳統(tǒng)無功功率理論因其只適用電壓、電流均為正弦波的特性而不能滿足要求。為此，人們提出了瞬時無功功率理論，即首先把電壓、電流的瞬時值通過坐標(biāo)變換，然后在新坐標(biāo)系下獲得瞬時無功功率、瞬時有功功率和瞬時無功電流的定義。該理論不僅適用于正弦波，也適用于任何非正弦波和任何過渡過程情況，它是傳統(tǒng)無功功率理論的推廣和延伸。

從三相電路瞬時無功功率理論的推導(dǎo)過程中可以看出：在新坐標(biāo)系下定義的瞬時有功功率、瞬時無功功率的交直流分量與abc坐標(biāo)系下的基波、諧波、正序、負(fù)序、零序的電壓和電流之間相互作用的各個分量有明確的對應(yīng)關(guān)系，故通過此對應(yīng)關(guān)系可以方便的實時檢測到電網(wǎng)的諧波、無功電流及電壓、電流的各種畸變分量。

αβ0變換方法與dq0變換方法所選取的變換坐標(biāo)系不同，故兩種方法實現(xiàn)起來各有優(yōu)缺點。αβ0變換方法是把a(bǔ)bc坐標(biāo)系變換到靜止的αβ0坐標(biāo)系，其變換矩陣為常數(shù)矩陣，故該方法實現(xiàn)起來比較簡單，但只適用于系統(tǒng)電壓為三相正弦對稱且負(fù)載對稱的情況，否則將存在比較大的檢測誤差。dq0變換方法是把a(bǔ)bc坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系中，其變換矩陣為時變?nèi)蔷仃嚒檫\用該方法，通常都需要一個與電網(wǎng)工頻同步的三角函數(shù)發(fā)生器，故實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，但該方法能適用于任意非正弦、非對稱三相電路。

2．2小波分析方法

長期以來，傅立葉變換作為最經(jīng)典的信號處理手段在電能質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)檢測中發(fā)揮了重要作用，但由于其缺乏空間局部性，時間窗長，故對諸如電壓跌落、電壓驟升等電能質(zhì)量的突變信號和非平穩(wěn)信號的檢測無能為力。而近年來發(fā)展起來的小波分析方法則為電能質(zhì)量突變信號的檢測提供了新的思路。小波分析方法是一種窗口大小固定但形狀可改變的時頻局部化分析方法，它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，而在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率，所以有"數(shù)學(xué)顯微鏡"之美稱。由于電壓跌落的發(fā)生時刻和恢復(fù)時刻通常都對應(yīng)著電壓信號的奇異點，即在這兩個時刻系統(tǒng)電壓波形都會出現(xiàn)細(xì)小的突變，而小波變換本身對信號的奇異點特別敏感，所以通過小波變換可將信號的細(xì)小突變放大并顯示出來，從而可實現(xiàn)對電壓跌落的精確檢測和定位。

3動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)是解決電壓跌落問題的最終途徑。依據(jù)采用補(bǔ)償信號的種類的不同及動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的連接方式的不同，動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)可以分為串聯(lián)電壓補(bǔ)償和并聯(lián)電流補(bǔ)償兩種方式。

3．1串聯(lián)電壓補(bǔ)償:串聯(lián)電壓補(bǔ)償技術(shù)是面向負(fù)荷的一種補(bǔ)償方式，其核心是指在供電電壓跌落期間，迅速向系統(tǒng)注入幅值、相角和頻率都可控的三相電壓，與供電電壓相串聯(lián)，來抵消供電電壓的跌落成分。依據(jù)電壓相位的不同，串聯(lián)電壓補(bǔ)償有三種方式：同相電壓補(bǔ)償、恒相電壓補(bǔ)償和超前相電壓補(bǔ)償

3．2并聯(lián)電流補(bǔ)償:并聯(lián)電流補(bǔ)償可用于兩種目的，一是消除大容量負(fù)荷啟動時伴隨的電流嚴(yán)重畸變現(xiàn)象對電網(wǎng)的影響，避免公共母線上發(fā)生電壓跌落現(xiàn)象；二是當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或波動時，維持負(fù)荷處的電壓仍在正常工作水平，避免敏感負(fù)荷的正常工作狀態(tài)受到干擾。前者的實現(xiàn)原理是通過向系統(tǒng)注入與畸變電流分量大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，來消除負(fù)荷電流畸變對電網(wǎng)的不利影響。由于許多文獻(xiàn)對其都有詳細(xì)的介紹，故本文不再贅述。

4動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置介紹

目前已開發(fā)出來的用于治理電網(wǎng)供電電壓跌落問題的動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置主要包括不間斷電源(UPS)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、靜止同步補(bǔ)償器(DSTATCOM)和超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(SMES)。下面本文對這些裝置的性能做一個簡要的分析。

UPS作為敏感負(fù)荷的備用電源，可有效的消除系統(tǒng)電壓跌落或瞬時供電中斷對負(fù)荷的干擾。其工作機(jī)理是：在系統(tǒng)正常供電時，UPS處于后備工作狀態(tài)，系統(tǒng)給UPS的儲能電路充電；當(dāng)檢測到供電電壓發(fā)生擾動后，控制系統(tǒng)立刻切斷負(fù)荷與供電系統(tǒng)之間的聯(lián)系，UPS轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài)，負(fù)荷由UPS繼續(xù)供電。UPS裝置具有良好的實時性，通常從檢測到電能質(zhì)量擾動信號至實現(xiàn)由UPS給負(fù)荷提供電力只需2～4ms(小于1/4個周期)。但是，UPS的容量有限，一般不超過MW級，故對于提高大型敏感型工業(yè)用戶的供電質(zhì)量的效果不明顯。此外，UPS的造價較高，價格昂貴，這在很大程度上限制了UPS的應(yīng)用范圍。

結(jié)語:電壓跌落已成為影響現(xiàn)代社會各用電設(shè)備正常、安全工作的主要干擾，并且成為威脅配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的一個不可忽視的因素。為避免配電網(wǎng)的供電電壓跌落對敏感型電力用戶的干擾，采用基于電力電子技術(shù)的動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)成為一個必然的選擇。而先進(jìn)的檢測方法和合理的補(bǔ)償方式的運用將能夠使動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)更加如虎添翼，從而使現(xiàn)有的配電網(wǎng)供電質(zhì)量提升到一個全新水平，為現(xiàn)代電力工業(yè)的發(fā)展提供良好的保障。

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