電壓閃變檢測方法的研究與仿真

李俊秀

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，沖擊性負(fù)荷的不斷增加一方面會(huì)引起電壓波動(dòng)與閃變，致使電能質(zhì)量日趨下降;另一方面，大量基于微處理器的智能設(shè)備對(duì)電網(wǎng)電壓的閃變特別敏感，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高，使得電能質(zhì)量成為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)亟待解決的問題。雖然許多國家都對(duì)電壓閃變問題進(jìn)行了研究，但由于各國的具體情況不同，對(duì)閃變的定義各國也不盡相同。

國際電工委員會(huì)(IEC)根據(jù)一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的研究結(jié)果和試驗(yàn)電壓閃變所取得的經(jīng)驗(yàn)成果，于1986年規(guī)定了閃變儀的功能和設(shè)計(jì)規(guī)范(IEC 61000-4-15)。我國于2000年頒布了新的電壓閃變國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12326-2000，將閃變指標(biāo)確定為短時(shí)間閃變值Pst［1］。本文在對(duì)IEC閃變儀測量原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電壓閃變檢測的方法進(jìn)行了模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)了電壓閃變的在線檢測。

1 電壓波動(dòng)的產(chǎn)生及危害

電壓波動(dòng)是由于電網(wǎng)中急劇變動(dòng)的沖擊性負(fù)荷(如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、大型電弧爐、大型軋鋼機(jī)等)所引起的。電壓閃變是與電壓波動(dòng)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)概念，直觀地講，閃變反映的是由于電壓波動(dòng)而引起人的視覺對(duì)照明裝置主觀的不適應(yīng)度。電壓波動(dòng)和閃變主要會(huì)造成以下幾方面的危害。

①電壓波動(dòng)會(huì)使許多電氣設(shè)備無法正常運(yùn)行，如使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不均勻，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量;電壓波動(dòng)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，縮短其使用壽命。

②一些對(duì)電壓敏感的電子設(shè)備和自動(dòng)控制設(shè)備，可能會(huì)因?yàn)殡妷旱牟▌?dòng)而無法正常工作。

③電壓波動(dòng)還會(huì)影響那些對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的工藝和試驗(yàn)結(jié)果。

④電壓閃變對(duì)白熾燈的影響更大。由于燈光閃爍會(huì)嚴(yán)重影響視覺，使人無法正常工作和學(xué)習(xí)。

IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)已將電壓波動(dòng)和閃變作為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)［2］。GB 12326-2000《電能質(zhì)量·電壓波動(dòng)和閃變》規(guī)定:對(duì)35 kV及以下電力網(wǎng)，若電壓變動(dòng)頻度10＜ru≤100，則電壓變動(dòng)的限值為2%，短時(shí)間電壓閃變的限值為Ps=1.0。只要將ru和Ps限制在允許的范圍內(nèi)，就能保證設(shè)備正常運(yùn)行，而實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和閃變值是解決電能質(zhì)量問題的前提。

2 IEC閃變儀

IEC電壓閃變儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 IEC閃變儀原理框圖Fig.1 Principle diagram of IEC flicker meter

IEC閃變儀可分為兩部分:第一部分是模擬燈-眼-腦的響應(yīng)特性，主要由框2、框3和框4構(gòu)成;第二部分是在線或離線統(tǒng)計(jì)分析閃變信號(hào)，并給出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由框5構(gòu)成。框1～框5的作用具體如下。

框1為輸入級(jí)，用于將輸入的被測電壓適配成適合儀器的電壓數(shù)值。

框2用來模擬燈的作用，采用平方檢測法，從工頻電壓波動(dòng)中解調(diào)出反映電壓波動(dòng)的調(diào)幅波。

框3用來模擬人眼的頻率選擇特性。由于閃變儀在電壓波動(dòng)5%的范圍最為靈敏，解調(diào)調(diào)制波的變動(dòng)必須不小于1%，因此，其對(duì)2倍工頻100 Hz的衰減必須在90 dB的數(shù)量級(jí)，這個(gè)衰減作用由平方濾波器和加權(quán)濾波器來完成［3］。六階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為35 Hz，可使100 Hz分量衰減55 dB，再由加權(quán)濾波器衰減37 dB，可達(dá)到衰減90 dB的要求［4］。此外，設(shè)計(jì)帶阻濾波器，使帶阻濾波器在頻率為100 Hz時(shí)具有最高的帶阻品質(zhì)因數(shù)，帶阻濾波器由截止頻率為0.05 Hz的一階高通濾波器組成，并能較容易地抑制直流分量。通過加權(quán)濾波器后，得到中心頻率為8.8 Hz的響應(yīng)，以模擬燈-眼-腦的環(huán)節(jié)。

框4為平方、一階低通濾波，模擬人腦神經(jīng)對(duì)視覺的反映和記憶效應(yīng)。

框5將框4輸出的瞬時(shí)閃變視感度S(t)作恒速采樣，分級(jí)計(jì)時(shí)，并統(tǒng)計(jì)評(píng)定，給出累計(jì)概率函數(shù)CPF，最后計(jì)算得到短時(shí)間閃變統(tǒng)計(jì)值Pst。

3 電壓閃變值的檢測與仿真

3.1 電壓閃變值的統(tǒng)計(jì)

閃變是經(jīng)過燈-眼-腦環(huán)節(jié)，用來反映人對(duì)照度波動(dòng)的主觀視感。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，人的眼和腦對(duì)于220 V/60 W白熾燈的閃變覺察頻率范圍約為1～25 Hz，對(duì)正弦調(diào)幅波在8.8 Hz的照度波動(dòng)最為敏感，但人對(duì)照度波動(dòng)的最大覺察范圍不會(huì)超過0.05～35 Hz。

為了研究電壓閃變的特征，對(duì)瞬時(shí)閃變視感度S(t)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。分級(jí)統(tǒng)計(jì)的具體步驟是根據(jù)S(t)分級(jí)統(tǒng)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，作出其頻率分布Pk(%)，再由Pk(%)的累加得到累計(jì)概率函數(shù)曲線 CPF［5］，根據(jù)CPF便可作出閃變的統(tǒng)計(jì)值Pst。Pst反映了短時(shí)間電壓閃變的嚴(yán)重度，其表達(dá)式為:

式中:P0.1、P1、P3、P10和 P50分別為 10 min 內(nèi)瞬時(shí)閃變視感度S(t)超過0.1%、1%、3%、10%和50%時(shí)間的覺察單位值。

當(dāng)Pst＜0.7時(shí)，人們一般覺察不出閃變;當(dāng)Pst＞1.3時(shí)，則閃變使人感到不舒服。所以，IEC推薦Pst=1作為低壓系統(tǒng)供電電壓閃變的限值。

3.2 電壓閃變值的檢測

對(duì)于工頻載波電壓，在電壓波動(dòng)的情況下，其電壓的方均根值或峰值將受到以電壓波動(dòng)分量作為調(diào)幅波的調(diào)制。而對(duì)于任何波形的調(diào)幅波，均可看成是由各種頻率的分量合成的［6］，所以可先分析某一頻率的調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制，其電壓瞬時(shí)值可表示為:

式中:A為工頻載波電壓的幅值;ω為工頻載波的電壓角頻率;m為調(diào)幅波電壓的幅值;Ω為調(diào)幅波電壓的角頻率，調(diào)幅波 v(t)=mcosΩt。

用平方檢測濾波的方法對(duì)式(2)進(jìn)行處理，可得:

經(jīng)過0.05～35 Hz的帶通濾波器濾去直流分量和大于35 Hz的頻率分量，便可檢測出調(diào)幅波，即電壓波動(dòng)的分量，其輸出表達(dá)式為:

3.3 IEC閃變儀的傳遞函數(shù)

對(duì)于IEC閃變儀模型，其各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)如下。

①0.05 Hz高通濾波器傳遞函數(shù)

高通濾波器的作用是以0.05 Hz為截止頻率來抑制直流分量［7］，其傳遞函數(shù)為:

式中:ω =2πf=2π ×0.05=0.314 rad/s。

②35 Hz低通濾波器傳遞函數(shù)

低通濾波器的作用是阻止頻率大于35 Hz的波形通過，同時(shí)使100 Hz分量衰減55 dB，其具體的傳遞函數(shù)為:

式(6)為歸一化傳遞函數(shù)，要得到實(shí)際的傳遞函數(shù)，應(yīng)將式中 s以 s/ωc代替，其中，ωc=2πf=2π ×35=70π rad/s。

實(shí)際傳遞函數(shù)為:

③視感度加權(quán)濾波器傳遞函數(shù)

加權(quán)濾波器的作用是將頻率為f的正弦波電壓歸算成與閃變等效的8.8 Hz的正弦波電壓［8］，其傳遞函數(shù)為:

式中:第1項(xiàng)對(duì)應(yīng)二階帶通濾波器，中心頻率為ω1，帶寬為8.12 Hz;第2項(xiàng)為含有一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用于模擬人眼的頻率選擇特性。

④一階低通濾波器傳遞函數(shù)

一階低通濾波器的作用是對(duì)閃變信號(hào)進(jìn)行平均、平滑處理，以模擬人腦的存儲(chǔ)記憶效應(yīng)，其傳遞函數(shù)為:

式中:τ=300 ms。

3.4 IEC閃變儀的仿真

3.4.1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用在正弦載波的基礎(chǔ)上迭加調(diào)幅波的方式進(jìn)行仿真。調(diào)幅波幅值是正弦載波幅值的0.25%，頻率為8.8 Hz。K為1/0.0025(標(biāo)定的原則是當(dāng)調(diào)幅波輸入的幅值為0.25%、頻率為8.8 Hz的正弦波時(shí)，使S(t)的輸出值為1)。系統(tǒng)仿真框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真框圖Fig.2 Simulation system of IEC flicker meter

在圖2中，設(shè)輸入的調(diào)幅波是頻率為8.8 Hz的正弦波，則經(jīng)過增益K后，所檢測到的調(diào)幅波的表達(dá)式為v(t)=cosΩt，平方后其表達(dá)式為:

顯然，經(jīng)過平方后調(diào)幅波所含直流分量的大小是原正弦波幅值的一半。為修正減半的系數(shù)，設(shè)計(jì)增益2來實(shí)現(xiàn)［9－10］。從表達(dá)式可以看出，經(jīng)過平方且乘以增益系數(shù)2后，原來的正弦波將以原幅值為軸線、以二倍原頻

率波動(dòng)。Simulink仿真系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 Simulink仿真系統(tǒng)圖Fig.3 Simulink simulation system

3.4.2 仿真結(jié)果

各濾波器輸出的仿真波形如圖4所示，仿真時(shí)間設(shè)定為200 ms。

圖4 各濾波器輸出的仿真波形Fig.4 The simulation waveform output of each filter

仿真結(jié)果表明，輸入的調(diào)幅波與通過平方及各濾波環(huán)節(jié)檢測出來的調(diào)幅波基本相同。由此可見，文中構(gòu)建的IEC電壓閃變儀模型是正確的，即采用傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)和描述的電壓閃變儀模擬系統(tǒng)，能夠檢測出電壓波動(dòng)及其閃變信號(hào)。

4 結(jié)束語

本文在Simulink中對(duì)所研究的電壓閃變儀進(jìn)行了模擬仿真。仿真結(jié)果表明，輸入的調(diào)幅波與通過平方及各濾波環(huán)節(jié)檢測出來的調(diào)幅波基本相同，得到了滿意的效果。如果將IEC閃變儀各環(huán)節(jié)的模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器，并將各數(shù)字濾波器用C語言實(shí)現(xiàn)，就可通過計(jì)算機(jī)對(duì)電壓閃變信號(hào)進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓波動(dòng)的分析與電能質(zhì)量的控制。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12326-2000電能質(zhì)量·電壓波動(dòng)和閃變［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

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