基于PSCAD不同擾動(dòng)源引起的電壓暫降仿真

趙影，石媛，張新民，張述偉

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

0 引言

電壓暫降（voltage sag）是電網(wǎng)中比較常見的一種電壓波動(dòng)現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)電能質(zhì)量造成一定的影響。按照國(guó)際電氣與電子工程師協(xié)會(huì)IEEE的定義，電壓暫降是指電網(wǎng)電壓（工頻條件下）有效值減小到額定電壓的10%～90%，持續(xù)時(shí)間為二分之一周波至1分鐘的短時(shí)間電壓波動(dòng)。 電壓暫降有三個(gè)最重要的特征量：幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變。

長(zhǎng)期以來，對(duì)電能質(zhì)量的研究工作更多的側(cè)重于電網(wǎng)電壓的諧波含量控制、電壓閃絡(luò)和三相電壓的不平衡率等方面，對(duì)電壓暫降可能造成的危害沒有引起足夠的重視，目前國(guó)際學(xué)術(shù)界還沒有形成一個(gè)公認(rèn)的電壓暫降的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高，電壓暫降造成的問題也日益凸顯，電壓暫降已經(jīng)成為造成用電設(shè)備無法正常運(yùn)行的主要原因之一。電壓暫降會(huì)造成一些敏感元件的誤動(dòng)作，例如大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障，交流變頻調(diào)速裝置保護(hù)，自動(dòng)化控制器誤動(dòng)作等等。因此，對(duì)電壓暫降現(xiàn)象的研究具有十分重要的意義，有利于保障工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)活動(dòng)正常有序進(jìn)行。

造成供電線路電壓暫降的原因是供電線路中產(chǎn)生了過大的電流。眾所周知，供電線路存在一定阻抗，當(dāng)線路中通過電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降，電流越大，電壓降越明顯。引起電壓暫降的原因是在短時(shí)間內(nèi)供電線路中產(chǎn)生了遠(yuǎn)超過正常情況的電流，結(jié)果導(dǎo)致出現(xiàn)了遠(yuǎn)低于正常情況的電壓。導(dǎo)致電網(wǎng)中出現(xiàn)瞬間大電流的原因有很多，短路故障便是其中之一。當(dāng)供電線路的某個(gè)位置出現(xiàn)短路故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致電壓驟然降低。由于線路上故障保護(hù)裝置(隔離開關(guān)、斷路器等)立即動(dòng)作，隔離故障點(diǎn)，電網(wǎng)電壓在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，這就形成了電壓暫降。另外，大功率負(fù)荷突然接入電網(wǎng)，例如變壓器的投切等，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓驟降。大功率的感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，過載電流可達(dá)額定電流的5倍，過載電流經(jīng)過系統(tǒng)阻抗時(shí)，系統(tǒng)分壓突然變大，導(dǎo)致公共連接點(diǎn)（PCC）電壓暫降。此外，誤操作導(dǎo)致的短路也會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)。有調(diào)查表明，線路故障短路、大功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和變壓器的投切是造成系統(tǒng)電壓暫降的主要原因。通過對(duì)這三種原因的分析，能夠幫助我們區(qū)分系統(tǒng)故障的起因，有利于及時(shí)的排查故障，避免用戶和電網(wǎng)公司的糾紛。

1 短路故障引起電壓暫降分析

大風(fēng)、雷電、電力公司設(shè)備故障、建筑或交通事故、動(dòng)物接觸或樹枝搭接等原因，都有可能造成供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障。發(fā)生短路故障后，故障點(diǎn)的母線電壓下降，產(chǎn)生電壓暫降，隨后短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作，將故障點(diǎn)隔離，故障點(diǎn)附近母線電壓恢復(fù)到正常值，故障點(diǎn)隔離時(shí)間決定了電壓暫降的持續(xù)時(shí)間。相比其他兩種造成電壓暫降的原因，短路故障造成的影響最嚴(yán)重，危害也最大。

圖1是發(fā)生短路故障時(shí)電壓暫降的系統(tǒng)模型，圖中Zs=Rs+jXs是電源與PCC之間的系統(tǒng)阻抗，ZF=RF+JXF是PCC與故障點(diǎn)之間的線路阻抗。假設(shè)電源電壓US=1 p.u.。發(fā)生短路故障時(shí)，PCC點(diǎn)的電壓為

由上式可知，故障點(diǎn)距離 PCC 越近，電壓暫降就越嚴(yán)重。圖1是單相的供電系統(tǒng)短路故障模型，相間短路和三相短路故障也可用此模型來表示。PCC點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓幅值和相角的波動(dòng)由PCC和故障點(diǎn)之間的線路阻抗與供電系統(tǒng)阻抗決定。系統(tǒng)中變壓器類型及中性點(diǎn)接地方式、設(shè)備的接線方式都對(duì)短路故障時(shí)在供電負(fù)荷端所產(chǎn)生的電壓暫降有一定影響。圖2為三相（對(duì)稱）短路故障時(shí)瞬時(shí)值波形和有效值波形。

通過對(duì)系統(tǒng)模型和仿真結(jié)果的分析，可得知短路故障造成的電壓暫降具有如下特點(diǎn)：

1）電壓暫降幅值一般低于0.7p.u., 其持續(xù)時(shí)間與故障排除時(shí)間有關(guān);

2）不同的電壓暫降現(xiàn)象與不同類型的短路故障有關(guān)：三相短路故障造成的電壓暫降，三相電壓幅值相等；其他類型的短路故障造成的電壓暫降，三相電壓幅值不同;

將經(jīng)濟(jì)效益函數(shù)F1與并網(wǎng)穩(wěn)定性函數(shù)F2進(jìn)行加權(quán),可把F1和F2多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為F3單目標(biāo)問題進(jìn)行求解。即

3）在電壓暫降開始和結(jié)束時(shí)刻，電壓幅值發(fā)生突變，波形較陡；在電壓暫降過程中，電壓幅值基本不變，基波電壓的幅值變化波形呈矩形狀;

4）電壓暫降過程中可能產(chǎn)生相位跳變。

2 感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)引起電壓暫降分析

根據(jù)電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 0，定子上產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，一般是額定工作電流的2～5倍。啟動(dòng)電流突然變大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗上的電壓降增加，從而造成公共連接點(diǎn)的電壓暫降。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的容量、啟動(dòng)方式、局部電網(wǎng)的容量及電動(dòng)機(jī)負(fù)載等因素都會(huì)對(duì)PCC點(diǎn)的電壓暫降程度產(chǎn)生影響。由于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是三相對(duì)稱的，啟動(dòng)時(shí)造成的三相電壓暫降的波形一致；同時(shí)，與短路故障時(shí)電壓暫降的現(xiàn)象不同，由于定子線圈上的銅損以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，啟動(dòng)電流逐漸減小，電壓暫降的過程相對(duì)緩慢。圖3為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓暫降示意圖。圖4為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)三相瞬時(shí)值波形和三相有效值波形。

三相同步電機(jī)一般采用異步啟動(dòng)，直流電機(jī)采用直接啟動(dòng)，這類電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)同樣有可能產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類似的電壓暫降。

通過對(duì)系統(tǒng)模型和仿真結(jié)果的分析，可得知感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)造成的電壓暫降具有如下特點(diǎn)：

1）三相電壓同時(shí)發(fā)生暫降，三相暫降幅值相同;

2）暫降幅值一般不會(huì)低于0.8p.u.;

3）電壓暫降開始時(shí)，電壓幅值突然下降，隨后電壓緩慢恢復(fù)至正常值，恢復(fù)過程中沒有突變。

3 變壓器投切引起電壓暫降分析

如圖5所示，假設(shè)母線容量無窮大，閉合開關(guān)后變壓器投入系統(tǒng)，此時(shí)變壓器輸入電壓為：

α為變壓器投入時(shí)電壓的初相角。設(shè)變壓器剩磁為Φr，對(duì)u(t)從0到t積分可得

V/ωN為穩(wěn)態(tài)最大磁通Φmax，則

由圖 6可知，在電壓處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)鐵芯磁通在-Φmax與Φmax之間時(shí)，勵(lì)磁電流幾乎沒有變化；當(dāng)鐵芯磁通︱Φ(t)︱＞︱Φmax︱時(shí)，鐵芯磁通達(dá)到飽和，此時(shí)勵(lì)磁電流會(huì)迅速變大，系統(tǒng)阻抗上的電壓降增大，造成PCC點(diǎn)的電壓暫降。鐵芯的剩磁和閉合開關(guān)時(shí)電壓的初相角是決定電壓暫降程度的主要原因。

圖7為變壓器投入時(shí)的三相電壓瞬時(shí)值波形圖以及三相電壓有效值波形圖。圖8 則是發(fā)生電壓暫降時(shí)各次諧波分量分布圖。從幅值上可以看出，2-4次諧波的含量比較高。

通過對(duì)系統(tǒng)模型和仿真結(jié)果的分析，可得知變壓器投切造成的電壓暫降具有如下特點(diǎn)：

1）三相電壓暫降幅值不相等；電壓暫降幅值不會(huì)低于85%；

2）伴隨著電壓暫降，電壓信號(hào)中含有諧波分量，尤以2次諧波為主；

3）暫降電壓逐漸恢復(fù)，無突變。

4 結(jié)論

從以上對(duì)三種主要暫降原因進(jìn)行的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果可以看出，線路短路故障引發(fā)的電壓暫降的發(fā)生和恢復(fù)波形較陡，突變期間的電壓暫降幅值基本不變；而電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和變壓器投運(yùn)引發(fā)的電壓暫降的恢復(fù)是緩慢的，電壓幅值降到最低點(diǎn)后就立刻恢復(fù)。且一般由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以及變壓器投運(yùn)引發(fā)的電壓暫降幅值較淺，電壓暫降幅值很少低于 85%。此外，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是對(duì)稱負(fù)載，啟動(dòng)時(shí)引發(fā)的電壓暫降也是三相對(duì)稱的；變壓器投運(yùn)時(shí)三相的初相角是互差120°，變壓器投運(yùn)引發(fā)的電壓暫降總是三相不平衡的。此外變壓器投運(yùn)時(shí)電壓信號(hào)中含有諧波分量，尤以2次諧波為主。

根據(jù)文中分析得到的短路故障、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以及變壓器投運(yùn)造成的電壓暫降的不同特點(diǎn)，結(jié)合在實(shí)際情況中監(jiān)測(cè)得到的一些電壓暫降數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障原因的調(diào)查分析。正確的辨別造成電壓暫降的原因，有助于供電系統(tǒng)進(jìn)行合理的改進(jìn)，也有助于在產(chǎn)生故障時(shí)明確供電公司、設(shè)備供應(yīng)商以及用戶之間責(zé)任判定。通過對(duì)不同情況下的電壓暫降分析，達(dá)到治理電壓暫降問題，減小電壓暫降的危害，從而提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的目的。

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