電壓跌落產生的原因及對策分析

陳淑平　臧海峰

摘要：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。最后，本文還介紹了現今已推出的幾種動態電能質量調節裝置，并對其性能做了詳細的比較。

關鍵詞：電能質量；電壓跌落；動態電能調節技術；動態補償技術

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，經很短的一段時間后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征量，但對幅值大小和持續時間的界定范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征量的界定范圍是幅值標么值在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征量。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、煉鋼電弧爐等)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。

2電壓跌落檢測技術

考慮到電壓跌落發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。目前可用于檢測電壓跌落并且可兼顧動態實時性和檢測準確度的方法，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行詳細的分析。

2.1αβ0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，基于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，然后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系，故通過此對應關系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，但只適用于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，故實現起來比較復雜，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"數學顯微鏡"之美稱。由于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并顯示出來，從而可實現對電壓跌落的精確檢測和定位。

3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。依據采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并聯電流補償兩種方式。

3．1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、恒相電壓補償和超前相電壓補償

3．2并聯電流補償:并聯電流補償可用于兩種目的，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。由于許多文獻對其都有詳細的介紹，故本文不再贅述。

4動態電能質量調節裝置介紹

目前已開發出來的用于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處于后備工作狀態，系統給UPS的儲能電路充電；當檢測到供電電壓發生擾動后，控制系統立刻切斷負荷與供電系統之間的聯系，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的應用范圍。

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，并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，采用基于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。

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