關於電壓跌落問題的研究

關於電壓跌落問題的研究

　摘要：電壓跌落問題已成為影響電能質量的一個重要因素。如何提高動態電能質量，抑制系統電壓跌落對敏感電力用戶的干擾已成為急需解決的問題。隨著高壓大功率開關器件的出現，基於電力電子技術的動態電能質量調節技術成為解決上述問題的有效手段。實時檢測技術和動態補償技術是動態電能質量調節技術中最關鍵的兩個環節，它們實現的效果好壞從根本上決定了動態電能質量調節技術能否取得令人滿意的效果。本文對目前常用的檢測手段和動態補償方法的原理及優缺點進行了系統的闡述和深入的分析。最後，本文還介紹了現今已推出的幾種動態電能質量調節裝置，並對其性能做了詳細的比較。

　關鍵詞： 電能質量 電壓跌落 動態電能質量調節技術 動態補償技術

1　引言

　隨著基於計算機和微處理器的敏感型用電設備在電力系統中的大量投入使用，電力用戶對配電系統的動態電能質量的要求不斷提高。目前，配電網中的動態電能質量問題主要包括電壓浪涌、電壓跌落以及瞬時供電中斷。

　研究表明，電壓跌落問題已成為影響許多用電設備正常、安全運行的最嚴重的動態電能質量問題之一。在現代工業生產中，電壓跌落將引起廠家的產品質量下降，甚至導致全廠生產過程中斷，從而造成巨大的經濟損失。因此，如何抑制電壓跌落對敏感電力用戶的干擾、提高配電系統的動態電能質量，已成為擺在電力研究人員面前的十分迫切的問題。

　傳統的調壓手段，如改變有載調壓變壓器的變比、投切並聯補償電容器等，因其響應速度慢，控制不精確，故對抑制電壓跌落問題無能為力。隨著電力電子技術的飛速發展，基於高壓大功率開關器件的動態電能質量調節技術的出現將為解決電壓跌落問題提供新的手段。該技術利用電力電子開關器件的高速開斷特性，通過向系統注入相應的補償分量來實現對系統的電壓、電流、無功潮流等參數的動態跟隨。

　目前，動態電能質量調節技術已引起國內外眾多學者的關注，而該技術中最為關鍵的兩個環節：實時檢測評估技術和動態補償技術的工作原理及實現策略則更是成為當今研究的熱點。本文對目前常用的實時檢測手段和動態補償方法的原理及其優缺點進行了系統的闡述和深入的分析。最後，本文還介紹了現今已推出的幾種動態電能質量調節裝置，並對其性能做了詳細的比較。

2　電壓跌落概述

　電壓跌落(sags，又可稱dips)是指在某一時刻電壓的幅值突然偏離正常工作範圍，經很短的一段時間後又恢復到正常水平的現象。目前，多數文獻都用跌落的幅值和持續時間來作為描述電壓跌落的特徵量，但對幅值大小和持續時間的界定範圍還未形成統一的標準。例如，在IEEE電能質量標準中對電壓跌落特徵量的界定範圍是幅值標么值在0．1~0．9之間，持續時間為半個周期至1分鐘；而IEC標準則用跌落前後電壓的差值與正常電壓的百分比來描述電壓跌落的深度，持續時間限定為半個周期至幾十秒。此外，有的文獻把電壓相位偏移角和發生頻率也作為描述電壓跌落的特徵量。

　惡劣的天氣條件是引起電壓跌落的主要原因。統計表明60％以上的電壓跌落都和惡劣的天氣(如雷擊、暴風雨)有關。系統故障，尤其是系統單相對地故障是造成電壓跌落的另一個重要原因。當電力系統輸電線路發生故障時，該線路上甚至幾百米開外的電力用戶依然會受到影響，其正常工作狀態受到干擾。此外，一些大負荷(如大電機、鍊鋼電弧爐等)突然啟動時伴隨的電流嚴重畸變現象也會導致該負荷所連接的母線電壓發生跌落。

　可見，由於一些非人力所能及的因素的存在，電壓跌落現象是不可能從根本上加以消除的。因此，要想較好的解決電壓跌落問題，則必須從系統和負荷兩方面考慮，一方面要防患於未然，抑制不利因素對系統的影響，儘可能的降低系統電壓跌落髮生的可能性，提高電網的供電質量；另一方面是當供電電壓跌落現象發生後積極採取補救措施，把電壓跌落的持續時間限制在幾個周期之內，避免或減少其對敏感電力用戶的干擾。由於篇幅有限，本文將側重於討論後一種補救措施的實現技術。

3　檢測技術

　考慮到電壓跌落髮生的隨機性和快速性，要使動態電能質量調節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)在一定檢測準確度的前提下實現快速跟蹤檢測問題。

　目前可用於檢測電壓跌落並且可兼顧動態實時性和檢測準確度的方法，主要有基於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行詳細的分析。

3.1　αβ0變換方法或dq0變換方法

　隨著配電系統中各類非線性負荷的不斷增加和電力電子裝置的廣泛應用，它所引起的電網電壓的畸變問題日益嚴重。在這種背景下，基於平均值基礎上定義的傳統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變換，然後在新坐標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。該理論不僅適用於正弦波，也適用於任何非正弦波和任何過渡過程情況，它是傳統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過程中可以看出：在新坐標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坐標系下的基波、諧波、正序、負序、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關係，故通過此對應關係可以方便的實時檢測到電網的諧波、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系不同，故兩種方法實現起來各有優缺點。αβ0變換方法是把abc坐標系變換到靜止的αβ0坐標系，其變換矩陣為常數矩陣，故該方法實現起來比較簡單，但只適用於系統電壓為三相正弦對稱且負載對稱的情況，否則將存在比較大的檢測誤差。dq0變換方法是把abc坐標系變換到同步旋轉的dq0坐標系中，其變換矩陣為時變三角矩陣。為運用該方法，通常都需要一個與電網工頻同步的三角函數發生器，故實現起來比較複雜，但該方法能適用於任意非正弦、非對稱三相電路。

　另外，採用這兩種變換方法，要想得到基波有功電壓、電流分量時都需要低通濾波環節，這將導致檢測的快速性受到一定程度的影響。為解決這一問題，對dq0變換方法改進，通過引入標準電壓幅值和選取合適的Park變換初始角，在利用Park正變換提取補償量的過程中省去了低通濾波器環節。但是，如何選取合適的Park變換初始角卻存在相當的難度，故該方法還需要進一步的深入研究。

3．2　小波分析方法

　長期以來，傅立葉變換作為最經典的信號處理手段在電能質量的穩態指標檢測中發揮了重要作用，但由於其缺乏空間局部性，時間窗長，故對諸如電壓跌落、電壓驟升等電能質量的突變信號和非平穩信號的檢測無能為力。而近年來發展起來的小波分析方法則為電能質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解析度和較低的時間解析度，而在高頻部分具有較低的頻率解析度和較高的時間解析度，所以有「數學顯微鏡」之美稱。由於電壓跌落的發生時刻和恢復時刻通常都對應著電壓信號的奇異點，即在這兩個時刻系統電壓波形都會出現細小的突變，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小突變放大並顯示出來，從而可實現對電壓跌落的精確檢測和定位。　　

　目前小波分析方法在電能質量突變信號的定位、檢測及識別領域取得了一定的成就。利用信號的突變奇異點可用小波變換模的局部極大值來表徵的特性實現了對電壓跌落髮生及恢復時刻的精確定位；也可利用二進位離散正交小波方法來對電網中的各種故障信號進行分析、定位、自動識別和分類；把傅立葉變換方法與小波分析方法結合，來對電力系統的暫態波形進行自動檢測與辨識。

　但是，小波分析方法在實際應用中仍存在以下不足：小波變換的分析結果與小波函數的選取密切相關，當小波函數選取不當時，檢測結果會產生很大的誤差甚至錯誤；小波變換對各類雜訊和微弱信號的識別都非常敏感，魯棒性不好，故在實際應用中必須和其他有效的去噪方法相結合，因此實現起來比較複雜。

4　動態補償技術

　動態補償技術是解決電壓跌落問題的最終途徑。依據採用補償信號的種類的不同及動態電能質量調節裝置的連接方式的不同，動態補償技術可以分為串聯電壓補償和並聯電流補償兩種方式。

4．1　串聯電壓補償

　串聯電壓補償技術是面向負荷的一種補償方式，其核心是指在供電電壓跌落期間，迅速向系統注入幅值、相角和頻率都可控的三相電壓，與供電電壓相串聯，來抵消供電電壓的跌落成分。依據電壓相位的不同，串聯電壓補償有三種方式：同相電壓補償、恆相電壓補償和超前相電壓補償。下面本文對這三種電壓補償方式的原理作一闡明。

　　假設系統電壓跌落以前，電源端供電電壓Vs與饋線末端的負荷電壓VL相等。供電電壓發生突變，其幅值跌落至VT，並伴隨有θ的相位角偏移。

　　在同相串聯電壓補償方法中，補償電壓與系統供電電壓同相位。在該補償方式中，θ′＝0，動態補償裝置所需提供的補償電壓的幅值與視在功率最小，但卻需提供最大的有功功率。另外，在補償之初，負荷電壓存在θ的相位角突變，將對相位突變敏感的電力用戶產生不利影響。

　　在恆相串聯電壓補償中，補償電壓等於電壓跌落前後供電電壓的矢量差，即採用該補償方法，負荷電壓的幅值和相位在補償前後都不發生變化。但該方法需要提供較大的補償電壓和視在功率，並且若跌落時供電電壓的相位偏移角θ足夠大，還可能產生無功功率過補償的現象。

　　超前相電壓補償是通過注入超前供電電壓一定角度的補償電壓，以補償饋線線路感抗壓降，從而減小有功電壓補償分量。與前面兩種方法相比，在相同的故障條件下，該方法所需提供的有功功率分量最小，故又被稱為最小能量注入法。利用該方法，若跌落後供電電壓與負荷電流同相位(θ′＝ψ)時，裝置所需注入的有功功率PC達到最小值。並且，在UT≥ULcosψ的條件下，若控制補償電壓與負荷電流IL正交，則可無需注入無功功率。但該補償方法要求注入較大幅值的補償電壓，而且在補償之初將產生比同相電壓補償方法更大的負荷電壓相位突變角，會導致負荷側的電壓波形嚴重不連續，並可能引起系統振蕩。　　

　　從上述分析可見，三種電壓補償方法各有利弊。為此，有些文獻提出了將最小能量注入法與其餘兩種電壓補償方法相結合的方法，以降低裝置的成本並縮小裝置的體積。例如，某提出將同相電壓補償法與最小能量注入法相結合的思路，即在補償之初採用同相電壓補償法，注入和供電電壓同相位的補償電壓，持續一段時間後(為毫秒級)，再逐步增加補償電壓的相位角，直至達到最小功率補償點時停止。與同相電壓補償法相比，在同樣的電壓跌落深度下，該方法可減少向系統注入的能量，但並未解決在補償之初負荷電壓相位角突變的問題。為了克服這一不足，將恆相電壓補償與最小能量補償相結合的方法，即在補償之初採用恆相電壓補償法來代替前述方法中的同相電壓補償，從而避免了負荷電壓的相位角突變，具有較好的實際應用效果。

4．2　並聯電流補償

　　並聯電流補償可用於兩種目的，一是消除大容量負荷啟動時伴隨的電流嚴重畸變現象對電網的影響，避免公共母線上發生電壓跌落現象；二是當電網電壓發生跌落或波動時，維持負荷處的電壓仍在正常工作水平，避免敏感負荷的正常工作狀態受到干擾。前者的實現原理是通過向系統注入與畸變電流分量大小相等、極性相反的補償電流，來消除負荷電流畸變對電網的不利影響。由於許多文獻對其都有詳細的介紹，故本文不再贅述。下面本文主要對後一種目的的實現原理進行詳細的闡述。

　　假設系統源端供電電壓與負荷側電壓分別為VS和VL，系統阻抗為ZS＝RS＋jXS，IS為系統電流，IL為負荷電流。

　　當源端電壓發生跌落時，其影響將全部施加到負荷側，導致負荷側的電壓也必將產生大幅度的下降。

　　可以通過合理的調整補償電流IC的大小和相位，利用其在系統阻抗上產生的壓降來抵消電網電壓的跌落或波動成分，維持負荷側的工作電壓仍在正常水平。

　　與串聯電壓補償技術相比，並聯電流補償技術並不是一個用於抑制電壓跌落對敏感負荷干擾的經濟有效的方法，這是因為：在相同的系統電壓跌落條件下，串聯電壓補償技術只需補償系統電壓跌落的部分，而並聯電流補償技術需要對系統和負荷兩側同時進行補償，故其向電網注入的能量要遠大於採用串聯電壓補償技術時注入的能量；並且，由於系統阻抗經常改變，很難定量的確定並聯電流補償技術需要提供的補償分量。由於上述原因，所以並聯電流補償技術主要用於消除負荷電流畸變對系統的影響，而在需要消除電網電壓跌落對負荷的干擾的場合則通常採用串聯電壓補償技術。

5　動態電能質量調節裝置介紹

　　目前已開發出來的用於治理電網供電電壓跌落問題的動態電能質量調節裝置主要包括不間斷電源(UPS)、動態電壓恢復器(DVR)、靜止同步補償器(DSTATCOM)和超導儲能系統(SMES)。下面本文對這些裝置的性能做一個簡要的分析。

UPS作為敏感負荷的備用電源，可有效的消除系統電壓跌落或瞬時供電中斷對負荷的干擾。其工作機理是：在系統正常供電時，UPS處於後備工作狀態，系統給UPS的儲能電路充電；當檢測到供電電壓發生擾動後，控制系統立刻切斷負荷與供電系統之間的聯繫，UPS轉為正常工作狀態，負荷由UPS繼續供電。UPS裝置具有良好的實時性，通常從檢測到電能質量擾動信號至實現由UPS給負荷提供電力只需2～4ms(小於1/4個周期)。但是，UPS的容量有限，一般不超過MW級，故對於提高大型敏感型工業用戶的供電質量的效果不明顯。此外，UPS的造價較高，價格昂貴，這在很大程度上限制了UPS的應用範圍。

DVR是用來補償電壓跌落、提高下游敏感負荷供電質量的串聯補償裝置，其良好的動態性能和成本上的相對優勢使它成為目前治理供電電壓突降問題的最經濟、有效的手段。DVR通常安裝在電源與重要負荷的饋電線路之間。在正常供電狀態下，DVR處於低損耗備用狀態；在供電電壓發生突變時，DVR將迅速做出響應，可在幾個毫秒內產生一個與電網同步的三相交流電壓，該電壓與源電網電壓相串聯，來補償故障電壓與正常電壓之差，從而把饋線電壓恢復到正常值。DVR是一種面向負荷的補償裝置，其容量通常取決於負荷的容量和要求補償的範圍，由於DVR只需補償系統電壓跌落的缺額部分，故其設計容量遠小於採用UPS補償時的設計容量。目前，某些國際知名公司已有MVA級DVR裝置投入運行，它們在保證大型敏感工業用戶的電能質量方面取得了顯著的成效。DVR的缺陷在於：由於裝置內部整流器的影響，DVR必須採用附加的濾波器電路來濾除其輸出電壓中的諧波分量，這使得其成本和體積有所增加。

DSTATCOM是面向系統的補償裝置，它通過向電網的公共耦合點(PCC)注入電流，對負荷電流中的諧波分量進行補償，從而抑制負荷的高次諧波、不對稱、無功及閃變等有害因素對系統的影響，避免因負荷電流畸變引起的系統電壓波動或跌落現象。它通常安裝在網路和負荷之間，與負荷相併聯。DSTATCOM採用並聯電流補償方式，其輸出電流可以在很大的電壓變化範圍內恆定，並且可實現從感性到容性全範圍內的連續調節，具有輸出感性無功和容性無功的雙向調節能力。與DVR不同，DSTAT－COM採用了多重化的設計結構，使得其輸出的諧波含量大大降低，因此無需採用額外的濾波器。

SMES是一種利用超導磁體的低損耗和高儲能密度，通過現代電力電子型變流器與電力系統介面，組成既能儲存電能又能釋放電能的快速響應器件。典型的SMES從電網吸收最大功率到向電網輸送最大功率的轉變只需幾十毫秒，這使得利用SMES來避免電壓突變和瞬時停電對用戶的干擾、抑制電網電壓的瞬時波動，從而改善配電網的供電質量、提高供電可靠性成為可能。目前，有關這方面的研究正在蓬勃開展，並已經有微小型的SMES在工業用戶系統中投入應用。儘管SMES的研製已取得了很大的進展，但它在部件製造、控制策略、特性研究、運行維護和降低成本等方面還存在相當的難度大容量大規模的SMES仍局限於概念設計，這些因素都使得SMES距真正意義上的實用還存在著一段很大的距離。

6　結語

　　電壓跌落已成為影響現代社會各用電設備正常、安全工作的主要干擾，並且成為威脅配電系統電能質量的一個不可忽視的因素。為避免配電網的供電電壓跌落對敏感型電力用戶的干擾，採用基於電力電子技術的動態電能質量調節技術成為一個必然的選擇。而先進的檢測方法和合理的補償方式的運用將能夠使動態電能質量調節技術更加如虎添翼，從而使現有的配電網供電質量提升到一個全新水平，為現代電力工業的發展提供良好的保障。