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1、冲击负载引起电压波动与闪变分析摘要冲击负载引起的电网电压的波动与闪变是当前电力系统所面临的重要问题，尤其是当大型企业及其他大型负载接入时。这种情况通常源自突发的电流冲击，而这种冲击将导致瞬时电压波动与闪变。在电力系统中，电压波动与闪变不仅会对正常运行造成危害，还可能导致设备失效。电压波动是在短时间内发生的剧烈变化，而闪变则是一种暂时性变化。由冲击负载引起的电压波动与闪变可能导致设备过早老化、故障和不稳定等问题。因此，需要采取相应措施加以解决，例如使用稳压器来抑制电压脉动、避免设备超压。针对电力系统中的短期电压扰动，提出了一种利用电容进行补偿的新技术。这种系统可以减小冲击负载引起的电压波动和抖动
2、，确保系统在启动时不会立即投入运行。冲击负载引起的电网电压波动和振荡是影响电力系统安全稳定运行的关键因素，必须对其进行监测和处理，以确保系统的安全运行。综上所述，针对冲击负载引起的电压波动与闪变问题，采取适当的技术和措施是至关重要的，以确保电力系统的稳定运行和设备的长久使用。关键词：冲击负载；电压波动与闪变第一章绪论1.1 研究背景在电力系统中，因冲击负载引起的电压波动与闪变现象日益受到重视。随着工业化和城市化进程的加快，电力系统的负载不断增加，对大型工业设备，交通运输，医疗器械等的要求也越来越高。在这种情况下，由冲击负载引起的电压波动与闪变等问题对电力系统的稳定性和安全性构成了极大的威胁。电
3、压波动与波动将导致设备过早老化，设备故障，甚至导致系统不稳定。现有研究多采用模拟实验、数学建模及实验测试等手段，系统研究电网中的冲击负载引起的电网闪变及电网故障现象。本文课题拟从电力系统突发负载突变引起电力系统电压波动机理入手，研究电力系统中的电压波动与闪变传播机理，探究各种负载对电力系统的稳定性作用。研究人员给出的相应应对措施主要有：（1）系统地研究该系统的结构和性能；（2）通过对电力系统的电容进行补偿来实现对电力系统的电压波动的控制；（3）为了降低因冲击负载引起的电流脉动及跳动，采取了“软起动”措施。通过该课题的研究，将深化对冲击负载诱发的电压波动机理和机理的理解，进而为电力系统的安全和稳
4、定运行奠定基础。由于电力系统容量的不断增大，电力系统中由冲击负载引起的电压脉动及闪变问题仍很突出。针对这一问题，本课题拟针对新能源并网过程中，冲击负载引起的电压波动及闪变机理展开研究。通过分析，给出了降低电压波动和闪变对电力系统的影响的更好的控制和管理方案；针对冲击负载引起的电压波动和闪变等一系列问题，提出了新的动力设备和新技术。研究结果可为保障电网安全、可靠运行奠定基础。1.2 研究现状在电力系统中，电力系统存在着大量的电力系统故障，对电力系统造成了极大的危害。在这种情况下，如何改善电源质量、减少网络抖动等问题成为迫切需要解决的问题。电压波动是指在一定的时间尺度上，其幅值会有很大的改变。目前
5、对电力系统的电压脉动及闪变的测量方法有很多种，主要有测量仪器的选择、测量方法的选择以及测量结果的评价与分析等。在以往的研究中，通常采用预报方法对其进行确定。本文介绍了一种基于闪变计数法的电网故障诊断技术。同时，还给出了一种新的波动式负载接入后由电力系统产生的电压振荡幅度。基于该模型，本文给出了一种基于互减常法、最大变动量预报和短路压降的新算法。由于电压波动、闪变等影响，上述两种方式均能实现波动性负载的接入，但不能精确地预报传输线（大电容波动负载）的电压闪变数值。第二章电压波动与闪变的定义及特性指标2.1 电压波动与闪变的概念2.1.1 电压波动最好的情况是：三个不同类型的交流电源，均方根值为常
6、量，负载特性不受电网电压稳定性影响。因此，在满足客户负载分配需求的前提下，必须保证网络中的三相电压平衡，从而实现连续供电，并在保证公共触点具有较大的短路容量的前提下，实现系统的等值电抗为0。但在现实操作中，很难保证各种情况均能得到充分的满足。电网中的电压具有暂态特性，在任何时刻都会出现很小的波动。文中把平均电压的变动称作电压波动6.两个邻近供电电压在某一段时间内（一般为一秒以上）的变化Ul和U2之差称为电压波动。在小于30ms时，当相同的两个或两个以上的多个电压平方根改变时，只能被认为是一种改变7。也可以假定，不能将相同方向中小于30ms的快速电压变化（通常用标称电压Un的百分数表示）算出。-
7、1.1.,.二r100%=100%（2-1）1.t电压改变的频率是每一次改变的电压数目；一般以1/秒，1/min或1/时作为互相指示。然而，从理论上讲，在实际应用中，只能将正弦波T（三）的逆称为频率f（Hz）o实际上这表示的是以上所说的波的基本频率。通过电压改变的频率确定频率与频率的关系：/（）=也=min）（2.2）电压波动包括：电压波动、短期的电压间断、跌落和长时间的电压中断。电压脉动是一种满足频率和幅值变化的周期性或随机性变化的电压脉动。在电力系统中，电压脉动是一种周期性的、具有一定周期性的电压脉动。当冲击负载发生改变时，其输出的电压会发生剧烈的改变，使之偏离正常的额定电压。一般以相对电
8、压的改变来表达。通过用最大与最小电压方差Umin的差AU与标称电压Un的百分数（）来表示电压波动的值。U-U60W电灯泡)下，在1-25HZ范围内，在6-12HZ范围内，对于8Hz的改变最为敏感。一般来说，人类对于反差的限制在0.05赫兹到35赫兹之间，也就是所谓的“截止频率”。这里的截止频率是截止频率的上限。闪光是一种主观的视觉感觉，它通过光线与人的脑部产生联系，从而反映出个体反差的改变。本项目拟将视觉敏感性因子K(f)的概念融入到“光源-眼-大脑链路”中，更准确、更深刻地描述其光谱特性。根据国际电工委员会推荐的可视因素：A=S=1觉察单位的8.8HZ正弦电压波动d(%)=S=1觉察单位的咋
9、正弦电压波动d(%)在表格21中显示的可视因数K(f)是按照上面的方程式计算的。该闪光感觉率F=50%,即，该可视灵敏度系数K(f)为S=I个感知单位。图22K(f)的频率特性曲线由图可知K(f)随频率变化不是直线变化，仅在8.8HZ附近有一个明显的峰值。因此,在频率f接近IOHZ时，对电压跳动的影响最大。223传递函数本项目拟从“光-脑耦合理论出发，建立“光-脑多物理场耦合数学建模方法，阐明光-电多场耦合下的光-电多场耦合机制。该光一眼一大脑链接的频率特性K(f)可用拉普拉斯复数参数S表示为变换函数K(三)o实际上，通常采用对数振幅特性，并以20(以分贝计)来表示。以下表格21所示的正弦电压
10、波动数据可以获得以下的数据：幅度频率特性K(f)以及对数频率特性20IgK(f)在以下表格IUIl中获得。基于如图2-2中显示的视频特性曲线K，采用比例、微分、惯性、比例-微分、振荡5种典型环节对视频特性曲线K(f)进行逼近，基于均值极小原则调节各个环节的参数。然后，通过对人类视觉特性的分析，建立了人类视觉的数学模型。(2-5)UIE提供了一个传递功能的公式：KgSX1+；is2jo2(1s)(1jtf94式中K=1.74802,=2114.05981,=2119.15494,2=2112.27979,33=2兀X1.22535,s=21121.92.2.4 短时间闪变水平值PSt由于负载电压
11、随机变化，必须在一段较长时期(至少10分钟)观察才能获得最大值。目前UIE/IEC建议的闪变监测方式主要适用于炉窑等具有较大波动性的负载，根据其闪变强度大小可划分为短期闪变和长时间闪变。监测类似于电炉负载电压的振荡IOminCPF曲线，一般采用5个预先设定的数值（添加点）来对短时闪耀强度（测量短时闪耀强度）进行统计分析。UIE按以下（13）一致地规定了所述的计算数值Pst：P1.（2-6）上述五个预先确定的数值是POl、PlP3、PIO.P50o在10分钟之内，瞬时闪变视觉S（t）高于0.1%,1%,3%,10%,50%。根据电弧炉的运行工况CPF（CPF）曲线，考虑到电弧炉经常产生强烈的电压
12、波动和闪光效应，所以在上述情形中，各项前的常数均具有预先确定的加权因子，IEC根据电炉负载确定闪光的判据。因而，能够对一时段（IOmin）闪变强度的合成统计量进行有效的表征。在采用功率为230瓦和60瓦（典型地采用白炽灯）的照明设备（PSt=O.7）时，一般感受不到闪光；在PSt为1.3时，这会造成一种令人不适的闪变。因此，IEC推荐了一种称为“单元闪变”的方法来抑制低电压供电中的闪光现象。2.2.5 长时间闪变水平值Plt对类似于电炉的冲击动态负载，一般以短期闪变量PSt和长周期闪变量Plt作为判断冲击动态负载的依据。通常，长期闪耀的统计学上为2个小时以上（在国际上被称为2个小时）或者更多，
13、如绘制的累计概率统计学（CPF）0然后，将短时间闪变水平值Pst（以符号Pst99%表示不超过99%的瞬时闪变水平的可能性）作为长期闪变水平值，也就是：Pk=PSl99%（2-7）与上述方案的区别在于，UIE/IEC推荐的方案需要对N个IOmin的短时间闪光数据k（K具有1,2,3,.,N个数据）进行三倍求和后，才能得到。在两个小时监测周期内，需要每十分钟执行一次探测，从而获得12个数字，然而，如果设备工作周期的长度小于两个小时，则IOmin的测定值小于12个，则其它Iomin的值需要进行补零。为了有效地限制电网的电压波动与闪变，在制订其执行标准时，应先解决闪变带来的扰动问题。在供电网和配电网
14、络中，中、低压供电均以该指标来评估电网的电压质量。2000年以后，我国颁布了新的电能质量和电压波动与闪变国家标准，并颁布了新的电力系统安全规程O在此基础上，提出以长周期闪变为唯一判据的新方法，相对于原有的规范，减小了对电压波动的需求。并要求在接下来一星期内，对电力系统公共节点进行闪变探测，并满足如下表所列的闪变限制要求。表2-2闪变限制PhUN110kv0.8UN110kv1第三章闪变的发生和影响及其危害3.1 闪变的发生和影响电网闪变现象主要是由电网中的用户负载（既有周期性的也有无周期性的）引起的。在这些负载中，周期性的波动对电网的影响更为严重。这主要是因为负载变动造成的系统阻抗增加，同时也
15、造成了系统的短路容量下降。这种脉动负载有电炉、中频加热炉、点焊机、电动机经常启动和停止、破碎机等。其原因主要有三个方面：（1）情况在电力系统正常运转时，电力系统会产生闪变，同时还会产生雷电感应、电磁感应以及变电所开、关的动作。在这些事故中，由于各种原因导致的闪变率高达20%,个别情况下甚至达到30%o（2）电气设备的内部在全电网中，由于电网自身原因造成的闪变大约占7J80%。电网中任何负载的起停（如开关等）以及高负载（如高负载）的操作（如高功率电动机）引起的冲击负载，都会引起电网大的电压脉动、抖动，给电网带来不利影响。但是，在实际运行过程中，因其产生的短路电流会引起电网电压的变化。在设备和线路
16、发生短路时，断路器的动作不灵敏，导致持续的故障，引起了电网的电压的波动。（3）弧光（shaping）造成这种现象的原因，是由于电气装置的陈旧及电刷之间的线路接触不干净而造成的。电弧是电力系统中一类主要的闪变来源，当其通过电力网络传输时，将给电力系统带来巨大的破坏。3.2 电压闪变的主要来源（1）风力发电机是引起电网电压振荡的最重要电源。该发电机的出力正比于风速的三次方。当速度发生变化时，发电机的输出也会随之变化。但是，风电具有间歇性和波动性等特性，当风电并网时，其功率会出现一定的波动，引起系统的电压不稳定，甚至诱发闪变。（2）因电动机起停次数过多而引起的闪变在现实生活中，有些电动机（如压缩机）
17、要频繁地起动，在起动时会产生冲击电流，并且因为功率因素较小，常常会引发电压闪变，因此，当电动机的突然起动时，会引起电压的强烈变化，因此必须加以控制。另外，具有PFC作用的电容在投入使用时，极易发生闪变。电炉冲击负载的代表性冲击式负载是钢铁、电炉和轧钢等行业普遍使用的一种负载，它具有高的无功和低的功率因数。在配电网中，有功和无功均会造成较大的幅度和频率波动，对配电网电压稳定性造成很大的影响。一般来说，在工业实践中最具代表性的来源就是炉内放电的触发电压。3.3 闪变的危害如果电压的波动超过了容许的限度，就会导致设备的工作不正常，因此不能达到使用者对电压质量的要求，因此，会导致保护装置的错误反应，导
18、致过电流，设备的过热，甚至导致火灾，还会对生产效率、设备性能以及产品质量产生影响。其附带效果如下：(1)对制品的品质产生了一定的影响例如：电弧炉属于低功率因素的电力负载，其产生的电压波动和无功冲击会引起的电压波动、闪变等问题，同时，电弧的非线性特征也会引起电网的谐波畸变，引起三相负载的不均匀分布。(2)对装备的服役年限的影响在一定的工作周期中，由于电压波形畸变的幅值很大，从而缩短了热电器件如热敏、二极管的工作寿命。当电容器的电压超过5%并且维持太长的时候，就会引起材料的表面温度升高，造成器件的击穿。长期工作超过5%,将缩短灯泡的寿命。在此过程中，电压幅值的波动会严重影响电视机显像管的工作寿命。
19、(3)引起灯具的发光量波动，并对装置的正常运转产生不利的作用在照明系统中，闪变会引起照明设备的发光变化，给人们的生活带来很大的不便。同时，电网谐振加剧，引发瞬间高电压大电流。工作时，由于工作时的电压波动，可能会对工作造成一定的影响。在电网中，一般采用整流整流的方式获得，所以，随着电网的电压波动，其幅值也将随之改变。特别是当系统中的电压幅度很大时，会引起数值的无序跳动，引起编程的混淆，进而引起单稳态线路的异常动作和反向动作。因此，对其进行有效的控制和增强是非常必要的。在电网中，电网波动会对电网的稳定运行造成很大的危害，同时也会对电网造成很大的经济和社会效益。所以，在电力系统中，必须注意到电压闪变
20、现象的存在。第四章电压波动和闪变的抑制与检测4.1 电压波动与闪变的抑制电压和闪变严重危害着人类的生产和生活。因此，必须对其进行治理。4.1.1 提高供电能力电网负载波动大时，通常采用独立回路供电，但对大电流、高非线性负载，应采用特殊的变压器供电，减小对其他负载的影响。电力网的功率等级与损失的百分比成反比。因此，供电电压的波动能够通过增大供电电压的幅值而得到抑制。4.1.2 改善用电设备特性用电装置因受到冲击负载的影响，经常发生电压脉动及闪变现象，因此，改善电器系统的特性，减少装置的能量波动是十分必要的。例如，在配电网中，异步电动机的启停就是一种常见的闪变源。（1）在启动过程中，分别使用了降阶
21、型和柔型两种方式；（2）启动一系列的变阻器；（3）改善了其短路容量；4.1.3 补偿装置通过对电网中电压波动及闪变现象的产生机理进行了研究，并对其进行了改造，并对其进行了改造，增加了电源容量，并增加了补偿器。但是，现有的改进措施对电力系统的闪变控制效果并不理想，因此，在电网改造中，存在着巨大的投入和高昂的费用。所以，从提高电能质量的角度出发，从提高电能质量的角度来控制电力系统的电压。现有的许多用于改善或改进电能质量的装置，大都具有对电压波动和闪光进行抑制的功能15。比如：并联电容，调相机，静态同步补偿，静态无功补偿，有源滤波器，电流控制等等。（1）静止式无功补偿装置（SVC）在电网具有给定的短
22、路能力及配电网容量的情况下，采用适当的无功负载进行补偿，能减少系统中的电压波动和振荡。SVC是目前国际上使用最为普遍的一种无功功率补偿装置。SVC的不足之处在于它的无功补偿容量是恒定的，所以需要事先确定要进行的无功补偿，但也有可能引发共振，从而导致电网的谐波放大。(2)有源功率滤波(activePowerFilter)有源电力滤波(APF)是一种可对负载电流进行在线补偿的新型电力系统。它是利用电力电子器件在电力系统中产生一种逆电流，对由负载造成的畸变进行补偿。(3)动态电压再生装置(dynamicvoltageregenerator,DVR)闪变是由电压的波动引起的，所以在发生波动时快速地进行
23、补偿也能达到抑制闪变的目的。动态电压恢复器(DVR)是一种用于对串联型电网进行电压补偿的设备，在正常状态下采用旁路操作，当电网电压跌落时，将其起动，并在微秒钟之内将一个电压补偿信号发送给电网，从而保证了系统的可靠性。采用该技术可实现低损耗、高能量利用率的动态电压恢复电路，可以很好地克服目前存在的电网电压波动及闪变问题。4.2 检测方法分析在电力系统中，通常采用的方法是将波动的电压分量与电网中的电流分开，使之小于额定值。目前，在世界范围内，人们普遍采用了二次探测方法、有效值探测方法、全波整流方法、小波分析方法、同时探测方法等17除式算法适合于数字电路的开发，也有其他的算法可以应用到模拟电路中。对
24、电网中的电压脉动进行研究，最终可归纳为单一调频信号对工频载波的调制。u(f)=A(l+incosr)cosWt(4-1)公式中：A为一频率载波电压幅度；频率的高频载波电压；m一被调幅波调变的电压幅度；3-角度频率的调谐电压。电压波探测的途径可以简化成公式4-loV=AHCOS/4.2.1 平方解调检波法IEC推荐使用二次探测方法，即将带通滤波法(0.05-35HZ)与带通滤波器联合使用。平法先用相乘与相乘来求取经调制的电压波形信号。)二千口彳】，机/COSO-COJ*rm_mC,Cm.1、八小+1+-cos2m+cos2(w+)/+cos2(w)/(4-2)yXXm.A-CmA八C+-cos(
25、2w+)r+cos(2n)r27在此基础上，对两个分量进行二次滤波后，不仅含有直流分量，而且含有其他波动频率分量。若用00535Hz的带通滤波器将DC分频以上的频率分量滤除，由于实际的调制指数ml,因此发生的调幅电压的倍频分量幅值远小于调幅的幅值，因此可将其忽视。以下方块图为方波解调法的原理方块图：图4-1平方检波解调法原理图首先，对通过该变换器输出的电压进行二次求取，然后利用解调滤波器对其进行二次乘积处理后得到的波动信号进行解调，以达到对被测波形的探测目的。4.2.2全波整流检波法全波整流检波是将调制信号经过调制后的输出信号经过整流处理，再经过带通滤波处理，就可以对调制信号进行检测。将所述电
26、压u(t)整流，得到与具有土1.工频幅值的方波P(t)在理论上乘以所述方波(t)的波形g(t)。将P(t)的富里埃序列化p()=cosreM一-COSJ-COS5f!r+.(4-3)1135于是可得八/、，、2/ImA-2/.(4-4)(4-5)乃“)=”)(/)=cosJ2cos2c)4兀兀兀通过该带通滤波器，可以对调制波进行探测。该输出调幅的表示如下:IA/、2tt4y111.co、，兀兀即v(0=mcosQr下面是一个完整的全波整流器的工作原理框图图4-2全波整流检波法原理图该方法首先求出通过该变换器的输出信号的绝对值，然后利用带通滤波器解调得到该信号的信号。4.2.3半波有效值检波法该
27、方法是用u2除以已调的电压信号，然后扣除基准电压，然后对其进行积分。对于2Q以上的成分我们可以不计，而对于右侧的第2项，我们将会得到更多的积分。Mr)-1M*(f)-Jdi*cosf2M=sn(Jr)Cas(Crx)(4-6)TM2TCjFMM因为OmegaT=2兀，所以把变数转换成3得到：K(I)=sn(-11)cos(12-r)(4-7)2OFmm所检测出的调幅波输出为：c11A.2、，、ftwH.、,、sn(-r)v(/)=sn(-jr)cos(-.4Ukos(2(-la(n+l)cosP(n+1)若载波信号的频率半径比调制波信号大，则能够将能量算子的运算简单地进行运算201，其化简的结
28、果如下：%()=a(hfsin2)%=4()2sin2sin2)(4-13)则包络线幅值为:（）l=“J）】_，由（矶22xS）通过把a(n)约化，即可获得波动的电压信号.4.2.6 Hilbert检波法本文以希尔伯特变换为理论依据，结合希尔伯特变换，给出了一种新的去噪方法。用希尔伯特转换X(t)HTlx(I)Ix(i)工r(4-14)其中HT表示为HiIbert变换，t为时间，r为积分变量。这里，令Z(D为X(t)且对X(t)有共丽的解析信号。由该方程可以求出信号幅值、频率及瞬时相位。对暂态电压U(D进行希尔伯特变换经其共枕化处理即可得到其解析函。Za)=w()+yw()(4.15)=IU4
29、1+COSQ)cos桢741+wcos0)sin例I7Z包络信号”|=.Hl-wcosS)去掉直流分量Um后就可以得到包络信号v(t)=UmmcosQt0希尔伯特方法具有很好的自适应性，能够有效地选取小波基。然而，该方法对高阶谐波的影响不大，所以采用该方法得到的解调信号的包络还需要深入研究。第五章仿真结果分析5.1 仿真的介绍在电力系统可靠性评价中占有非常重要的地位。人的视觉反差波动的感觉范围是0.05到35赫兹，范围是6到12赫兹。因此，这种测量方式除了依赖于冲击的幅值和频率外，还依赖于视觉。当被测到的电压波动时，必须参照人眼的视觉特性，对其进行高效的滤波，才能得到一个闪变量。1986年，由
30、国际电气协会（IEe）在国际电工学协会（UIE）中建议采用的一种闪变检测法（即方探针法），明确了该技术的作用与设计，1992年又进行了修正与探讨，其工作原理见图5-1。德国、英国、法国、比利时五个国家按照这个原理及其框图所作的闪变器测试，其测试结果显示，该测试符合规范要求。IEC闪变仪器一般可分为三个部分：第一个部分是电压波动信号的输入，对信号进行自正C闪变仪通常可以分成三大块：一块是电压波动信号的输入，用于对该块进行自适应调整和平方计算，然后对其进行各种过滤，该部件由块1组成；第二步，对“光眼睛大脑”进行视觉模拟，提取“光眼睛大脑”的响应，分别用方框2、3、4组成；第三个阶段是对电力系统中的
31、电压波动与闪变现象进行统计分析，并经过一定的数学运算得到相应的数据。基于Matlab/SIMU1.INK仿真平台，通过对IEC闪变器的实验研究，给出了该装置的仿真结果。（1） 0.05Hz初级高通滤波一阶高通滤波器在0.05Hz的截止频率处的传播功能为：在这些方程中，=2p0.05s,用于过滤通过将电压波动信号的平方所得的DC成分。（2） 35Hz（1.avelet）在低通滤波器方面采用35Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器，并给出了以下的传递函数BW（V）-1f（一）,1，i=l,2,6（5-1）式中c=21135s,b=bs=3.864,b2=b4=7.646,b3=9.141,be=1（3）视觉（通带）权重滤波器该滤波器的功能是对各种频率上波动的电压进行换算，得到8.8赫兹的转换因子。K$)=-H5+2w.jj1.)式中K=1.74082,=2114.05981,=2119.1454494,2=2112.27979,3=2111.22535,4=21121.90000。（4）平滑滤波（Re一阶低通滤波器）最后，采用MaHab/Simulink对该装置进行了模拟。图5-2为一个仿真程序的框图，该软件用Simulink来构造这样的闪变测量仪。在上述传递功能设定下，鉴于国际电工委员会推荐的闪变仪使用平方检测法检测电压闪变仪，需将已调后的信号校正为二次谐波，并利用05HZ及
