電壓跌落動態(tài)補償技術(shù)問題的研究

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摘要： 電壓跌落問題已成為影響電能質(zhì)量的一個重要因素。如何提高動態(tài)電能質(zhì)量，抑制系統(tǒng)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(guān)器件的出現(xiàn)，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)成為解決上述問題的有效手段。實時檢測技術(shù)和動態(tài)補償技術(shù)是動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)中最關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)，它們實現(xiàn)的效果好壞從根本上決定了動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)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(tài)補償方法的原理及優(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)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù) 動態(tài)補償技術(shù)    1　引言    　　隨著基于計算機(jī)和微處理器的敏感型用電設(shè)備在電力系統(tǒng)中的大量投入使用，電力用戶對配電系統(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量的要求不斷提高。目前，配電網(wǎng)中的動態(tài)電能質(zhì)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(shè)備正常、安全運行的最嚴(yán)重的動態(tài)電能質(zhì)量問題之一。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電壓跌落將引起廠家的產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致全廠生產(chǎn)過程中斷，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量，已成為擺在電力研究人員面前的十分迫切的問題。    　　傳統(tǒng)的調(diào)壓手段，如改變有載調(diào)壓變壓器的變比、投切并聯(lián)補償電容器等，因其響應(yīng)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(shù)的飛速發(fā)展，基于高壓大功率開關(guān)器件的動態(tài)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)的出現(xiàn)將為解決電壓跌落問題提供新的手段。該技術(shù)利用電力電子開關(guān)器件的高速開斷特性，通過向系統(tǒng)注入相應(yīng)的補償分量來實現(xiàn)對系統(tǒng)的電壓、電流、無功潮流等參數(shù)的動態(tài)跟隨。   　　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。    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。    　　可見，由于一些非人力所能及的因素的存在，電壓跌落現(xiàn)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(tǒng)和負(fù)荷兩方面考慮，一方面要防患于未然，抑制不利因素對系統(tǒng)的影響，盡可能的降低系統(tǒng)電壓跌落發(fā)生的可能性，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量；另一方面是當(dāng)供電電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生后積極采取補救措施，把電壓跌落的持續(xù)時間限制在幾個周期之內(nèi)，避免或減少其對敏感電力用戶的干擾。由于篇幅有限，本文將側(cè)重于討論后一種補救措施的實現(xiàn)技術(shù)。    3　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。    3.1　αβ0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abc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abc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?。為運用該方法，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。    　　另外，采用這兩種變換方法，要想得到基波有功電壓、電流分量時都需要低通濾波環(huán)節(jié)，這將導(dǎo)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(jìn)，通過引入標(biāo)準(zhǔn)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(huán)節(jié)。但是，如何選取合適的Park變換初始角卻存在相當(dāng)?shù)碾y度，故該方法還需要進(jìn)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(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?！　?nbsp;   　　目前小波分析方法在電能質(zhì)量突變信號的定位、檢測及識別領(lǐng)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征的特性實現(xiàn)了對電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時刻的精確定位；也可利用二進(jìn)制離散正交小波方法來對電網(wǎng)中的各種故障信號進(jìn)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(jié)合，來對電力系統(tǒng)的暫態(tài)波形進(jìn)行自動檢測與辨識。    　　但是，小波分析方法在實際應(yīng)用中仍存在以下不足：小波變換的分析結(jié)果與小波函數(shù)的選取密切相關(guān)，當(dāng)小波函數(shù)選取不當(dāng)時，檢測結(jié)果會產(chǎn)生很大的誤差甚至錯誤；小波變換對各類噪聲和微弱信號的識別都非常敏感，魯棒性不好，故在實際應(yīng)用中必須和其他有效的去噪方法相結(jié)合，因此實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。    4　動態(tài)補償技術(shù)    　　動態(tài)補償技術(shù)是解決電壓跌落問題的最終途徑。依據(jù)采用補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)補償技術(shù)可以分為串聯(lián)電壓補償和并聯(lián)電流補償兩種方式。    4．1　串聯(lián)電壓補償    　　串聯(lián)電壓補償技術(shù)是面向負(fù)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(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)電壓補償有三種方式：同相電壓補償、恒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(shè)系統(tǒng)電壓跌落以前，電源端供電電壓Vs與饋線末端的負(fù)荷電壓VL相等。供電電壓發(fā)生突變，其幅值跌落至VT，并伴隨有θ的相位角偏移。    　　在同相串聯(lián)電壓補償方法中，補償電壓與系統(tǒng)供電電壓同相位。在該補償方式中，θ′＝0，動態(tài)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(fù)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(chǎn)生不利影響。    　　在恒相串聯(lián)電壓補償中，補償電壓等于電壓跌落前后供電電壓的矢量差，即采用該補償方法，負(fù)荷電壓的幅值和相位在補償前后都不發(fā)生變化。但該方法需要提供較大的補償電壓和視在功率，并且若跌落時供電電壓的相位偏移角θ足夠大，還可能產(chǎn)生無功功率過補償?shù)默F(xiàn)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，若跌落后供電電壓與負(fù)荷電流同相位(θ′＝ψ)時，裝置所需注入的有功功率PC達(dá)到最小值。并且，在UT≥ULcosψ的條件下，若控制補償電壓與負(fù)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(chǎn)生比同相電壓補償方法更大的負(fù)荷電壓相位突變角，會導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)的電壓波形嚴(yán)重不連續(xù)，并可能引起系統(tǒng)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(xiàn)提出了將最小能量注入法與其余兩種電壓補償方法相結(jié)合的方法，以降低裝置的成本并縮小裝置的體積。例如，某提出將同相電壓補償法與最小能量注入法相結(jié)合的思路，即在補償之初采用同相電壓補償法，注入和供電電壓同相位的補償電壓，持續(xù)一段時間后(為毫秒級)，再逐步增加補償電壓的相位角，直至達(dá)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(tǒng)注入的能量，但并未解決在補償之初負(fù)荷電壓相位角突變的問題。為了克服這一不足，將恒相電壓補償與最小能量補償相結(jié)合的方法，即在補償之初采用恒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(fù)荷電壓的相位角突變，具有較好的實際應(yīng)用效果。    4．2　并聯(lián)電流補償    　　并聯(lián)電流補償可用于兩種目的，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。下面本文主要對后一種目的的實現(xiàn)原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。    　　假設(shè)系統(tǒng)源端供電電壓與負(fù)荷側(cè)電壓分別為VS和VL，系統(tǒng)阻抗為ZS＝RS＋jXS，IS為系統(tǒng)電流，IL為負(fù)荷電流。    　　當(dāng)源端電壓發(fā)生跌落時，其影響將全部施加到負(fù)荷側(cè)，導(dǎo)致負(fù)荷側(cè)的電壓也必將產(chǎn)生大幅度的下降。    　　可以通過合理的調(diào)整補償電流IC的大小和相位，利用其在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生的壓降來抵消電網(wǎng)電壓的跌落或波動成分，維持負(fù)荷側(cè)的工作電壓仍在正常水平。   　　與串聯(lián)電壓補償技術(shù)相比，并聯(lián)電流補償技術(shù)并不是一個用于抑制電壓跌落對敏感負(fù)荷干擾的經(jīng)濟(jì)有效的方法，這是因為：在相同的系統(tǒng)電壓跌落條件下，串聯(lián)電壓補償技術(shù)只需補償系統(tǒng)電壓跌落的部分，而并聯(lián)電流補償技術(shù)需要對系統(tǒng)和負(fù)荷兩側(cè)同時進(jìn)行補償，故其向電網(wǎng)注入的能量要遠(yuǎn)大于采用串聯(lián)電壓補償技術(shù)時注入的能量；并且，由于系統(tǒng)阻抗經(jīng)常改變，很難定量的確定并聯(lián)電流補償技術(shù)需要提供的補償分量。由于上述原因，所以并聯(lián)電流補償技術(shù)主要用于消除負(fù)荷電流畸變對系統(tǒng)的影響，而在需要消除電網(wǎng)電壓跌落對負(fù)荷的干擾的場合則通常采用串聯(lián)電壓補償技術(shù)。    5　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。    　　DVR是用來補償電壓跌落、提高下游敏感負(fù)荷供電質(zhì)量的串聯(lián)補償裝置，其良好的動態(tài)性能和成本上的相對優(yōu)勢使它成為目前治理供電電壓突降問題的最經(jīng)濟(jì)、有效的手段。DVR通常安裝在電源與重要負(fù)荷的饋電線路之間。在正常供電狀態(tài)下，DVR處于低損耗備用狀態(tài)；在供電電壓發(fā)生突變時，DVR將迅速做出響應(yīng)，可在幾個毫秒內(nèi)產(chǎn)生一個與電網(wǎng)同步的三相交流電壓，該電壓與源電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，來補償故障電壓與正常電壓之差，從而把饋線電壓恢復(fù)到正常值。DVR是一種面向負(fù)荷的補償裝置，其容量通常取決于負(fù)荷的容量和要求補償?shù)姆秶?，由于DVR只需補償系統(tǒng)電壓跌落的缺額部分，故其設(shè)計容量遠(yuǎn)小于采用UPS補償時的設(shè)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(yè)用戶的電能質(zhì)量方面取得了顯著的成效。DVR的缺陷在于：由于裝置內(nèi)部整流器的影響，DVR必須采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(tǒng)的補償裝置，它通過向電網(wǎng)的公共耦合點(PCC)注入電流，對負(fù)荷電流中的諧波分量進(jìn)行補償，從而抑制負(fù)荷的高次諧波、不對稱、無功及閃變等有害因素對系統(tǒng)的影響，避免因負(fù)荷電流畸變引起的系統(tǒng)電壓波動或跌落現(xiàn)象。它通常安裝在網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷之間，與負(fù)荷相并聯(lián)。DSTATCOM采用并聯(lián)電流補償方式，其輸出電流可以在很大的電壓變化范圍內(nèi)恒定，并且可實現(xiàn)從感性到容性全范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)，具有輸出感性無功和容性無功的雙向調(diào)節(jié)能力。與DVR不同，DSTAT－COM采用了多重化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得其輸出的諧波含量大大降低，因此無需采用額外的濾波器。    　　SMES是一種利用超導(dǎo)磁體的低損耗和高儲能密度，通過現(xiàn)代電力電子型變流器與電力系統(tǒng)接口，組成既能儲存電能又能釋放電能的快速響應(yīng)器件。典型的SMES從電網(wǎng)吸收最大功率到向電網(wǎng)輸送最大功率的轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓的瞬時波動，從而改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量、提高供電可靠性成為可能。目前，有關(guān)這方面的研究正在蓬勃開展，并已經(jīng)有微小型的SMES在工業(yè)用戶系統(tǒng)中投入應(yīng)用。盡管SMES的研制已取得了很大的進(jìn)展，但它在部件制造、控制策略、特性研究、運行維護(hù)和降低成本等方面還存在相當(dāng)?shù)碾y度大容量大規(guī)模的SMES仍局限于概念設(shè)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(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。