电能质量分析与控制4电压波动与闪变

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,4电压波动与闪变,4.1 基本概念,一、均方根值电压的变动特性,电压变动,：凡不保持电压均方根值恒定不变的现象，或者说，实际电压偏离系统标称电压的现象。,电压均方根值： 其离散计算公式：,“均方根值电压” 要与“瞬时值电压,”,区分,：,电压瞬时值的改变可以用以下表达式描述,均方根值,电压变动特性,U（t），简称电压特性，是指沿基波半个周期及其整数倍求取的电压均方根值随时间变化的函数关系。,9/12/2024,1,4电压波动与闪变,图41（a）中电动机启动结束后的稳态电压均方根值与额定电压之间的差,为稳态电压变动值。,启动过程中相邻两点极值电压之差,为动态电压变动值,。,9/12/2024,2,4电压波动与闪变,在电能质量标准中，通常以标称电压的相对百分数来表示电压变动值，,即,相对稳态电压变动值,相对动态电压变动值,相对最大电压变动值,二、典型电压变动现象,1.电压偏差 （欠电压与过电压）,9/12/2024,3,4电压波动与闪变,2.电压波动,3.电压暂降与暂升,4.短时间电压中断,5.长时间电压中断,4.2电压波动,一、电压波动的含义,电压波动,（Voltage Flactuation）：电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。,配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是,规则的、不规则的，亦或是随机的。,9/12/2024,4,4电压波动与闪变,导致原因举例：,(a)单一阻性负荷投切；(b)多重负荷投切；,(c)非线性电阻负荷运行；(d)随机的功率波动负荷运行。,9/12/2024,5,4电压波动与闪变,为分析方便且又不失一般性，常抽象地将恒定不变的工频电压看作,载波,，,将波动电压看作,调幅波,。,仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制，,调制波解析式的一般表达式为：,若调幅波电压为单一频率的正弦波形，,则有：,9/12/2024,6,4电压波动与闪变,电压变动频度r,单位时间内电压变动的次数（单位：时间的倒数）。,国家电能质量标准规定,：电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动。同一方向的若干次变动，如果变动间隔时间小于30ms，则算一次变动。,（,图4-4（b）所示的l0Hz正弦调幅波电压波形曲线，其电压波动值为调幅波的峰谷差值，变动频度为20 次/s,）,连续电压波动的频度为调幅波基波频率的2倍，,常用的关系式为,次/s 或 次/mis,9/12/2024,7,4电压波动与闪变,二、波动性负荷对电压特性的影响,引起电压波动的主要原因,：功率冲击性波动负荷（频繁发生且持续时间较长的电压波动 ）,其它,：短路故障或开关操作，或者是无功功率补偿装置、大型整流设备的投切。,波动性负荷可分为两大类型,：,（1）电压按一定规律周期变动的负荷（由于,频繁启动和间歇通电,引起）。例如，轧钢机和绞车、电动机、电焊机等。,（2）连续的不规则的随机电压变动的负荷。例如，炼钢电弧炉等。,9/12/2024,8,4电压波动与闪变,电压波动值的简化计算方法：,考虑三相平衡负荷，用户侧供电电压波动量,近似表达式：,供电母线相对电压波动值d的计算公式：,电压波动值与负荷的无功功率变动量Q成正比，与公共连接点的短路容量成反比。它从物理意义上反映了,供电电压发生变动的根本原因。,9/12/2024,9,4电压波动与闪变,在,工程实际应用,中，可进一步利用简化计算结果对将要连接到供电系统中的波动性负荷对公共连接点（PCC）的电压反作用进行预测估算。具体方法如下：,PCC处的短路容量计算公式：,假定系统阻抗电压降相对于系统标称电压很小时，供电电流变化量也可用接入的负荷容量（视在功率）的变化量来表示，可以写出：,9/12/2024,10,4电压波动与闪变,三、电压波动限值,在波动性负荷中，,以电弧炉引起的电压波动最为严重,。多数国家在制定的电压波动与闪变标准中的条款通常是针对电弧炉负荷设定的。,表中公共连接点标称电压等级划分为：,（1）低压（LV）： ；,（2）中压（MV）： ；,（3）高压（HV）： 。,9/12/2024,11,4电压波动与闪变,对于随机性不规则的电压波动，国标中规定电压波动的限值为：,（1）HV： ；,（2）MV： ；,（3）LV： 。,4.3 闪变（,Voltage Flicker）,一、基本概念与定义,电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为,闪变,。,换言之，,闪变,反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。,白炽灯,的光功率与电源电压的平方成正比，所以受电压波动影响最大。通常选白炽灯光照设备受影响的程度作为判断电压波动是否能被接受的依据。,9/12/2024,12,4电压波动与闪变,闪变的主要决定因素：,供电电压波动的幅值、频度和波形（频谱分布）,照明装置类型,人对闪变的主观视感,1、闪变觉察率F,依据IEC推荐的实验条件，采用不同波形、频率、幅值的调幅波并以工频电压为载波向工频230V、60W白炽灯供电照明，闪变觉察率为,式中 A没有觉察的人数；B略有觉察的人数；,C有明显觉察的人数；D难以忍受的人数。,9/12/2024,13,4电压波动与闪变,闪变觉察率,超过50，,则说明半数以上的实验观察者对电压波动有明显的或难以忍受的视觉反映。,2、瞬时闪变视感度S（t）,为反映人的瞬时闪变感觉水平，用闪变强弱的瞬时值随时间变化来描述，即瞬时闪变视感度S（t）。它是电压波动的频度、波形、大小等综合作用的结果，其随时间变化的曲线是对闪变评估衡量的依据。,通常规定闪变觉察率F50%为瞬时闪变视感度的衡量单位，对应的称之为S（t）1觉察单位。,若s（t）1觉察单位，说明实验观察者中有更多的人对灯光闪烁有明显感觉，则规定为,对应闪变不允许水平,。,9/12/2024,14,4电压波动与闪变,3、视感度频率特性系数K（f）,（1）闪变的一般觉察频率范围：125Hz；,（2）闪变的最大觉察频率范围：0.0535Hz（其上下限值称为截止频率，上限值又称为停闪频率，即高于这一频率的闪变人眼是感觉不到的）；,（3）闪变的敏感频率范围：612Hz；,（4）闪变的最大敏感频率：8 .8Hz。,视感度频率特性系数K（f）,显然在此条件下，对应闪变的最大敏感频率8.8Hz有电压波动值d最小值，所以有,9/12/2024,15,4电压波动与闪变,图4-8给出了在正弦电压波动,条件下，由试验数据描绘出的,视感度系数的频率特性曲线。,它反映了不同频率正弦电压波,动所引起的灯光闪烁在人眼和,大脑中产生的主观感觉相对强,弱的程度。,9/12/2024,16,4电压波动与闪变,9/12/2024,17,4电压波动与闪变,4.波形因数R（f）,不同波形的电压波动引起的闪变,反映也是不同的。通过对相同频,率的两种不同波形（例如，正弦,调幅波和矩形调幅波）的电压波,动做比较，可以计算出波形因数,R（f）1，即在相同频率下，,矩形电压波动（非正弦波形）,比正弦电压波动对闪变的影响,更严重。（表4-2）,9/12/2024,18,4电压波动与闪变,二、闪变视觉系统模型,基本思路,：通过对电压波动的响应特性、人眼的感光反映能力和大脑的记忆存储效应的近似数学描述，从而得到人的视觉系统模型，即所谓闪变的灯-眼-脑反应链传递函数。,一个已知的视感度频率特性系数K（f），可用拉普拉斯变换复变量s表示成传递函数K（s）的形式，并且多采用幅频特性。,具体：由已知正弦波调制电压的视感度频率特性系数K（f）及其对应表4-2中的数据，作出灯-眼-脑反应链的对数频率特性曲线。用5条直线和渐近线对该曲线逼近描述，或者说用5个典型控制环节的对数幅频特性之和表示（推导过程略）。,式中的系数分别为K1.74802，2 4.05981，129.15494，222.27979，321.22535，4221.9,9/12/2024,19,4电压波动与闪变,4.4闪变的评估方法,一、电压波动与闪变的起因和危害,起因：,一方面是由于各种类型的,大功率波动性负荷投运,引起的；另一方面也会由于配电线路短时间承载过重。,危害：,（1）,照明灯光闪烁，影响人的视觉；,（2）电视机画面不稳定；,（3）电动机的转速不稳定；,（4）对电压波动较敏感的工艺过程或试验结果产生不良影响；,（5）导致电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生产线以及办公自动化设备等工作不正常，或受到损坏。,（6）导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电力电子换流器换相失败等。,9/12/2024,20,4电压波动与闪变,二、闪变水平评估与干扰限制值,1、短时间闪变水平值(,10min,),图4-11所示为某一观察时间段，,如取l0min内等间隔采样时间为,测算到的15000个数据所描述,的瞬时闪变视感度S（t）变化曲线。,图中给出第7级（1.21.4p.u.）,统计计算示例,概率分布,9/12/2024,21,4电压波动与闪变,依次对其他9级S（t）进行统计计算，可给出概率分布直方图，如图4-12所示。,对图4-12概率分布直方图进行累加计算，可以得到图4-13所示的累积概率函数（CPF）图形。,9/12/2024,22,4电压波动与闪变,用5个概率分布 测定值计算出短时（10min）闪变平滑估计值,表示实际检测到的短时间闪变水平严重度。其近似计算公式为,式中，k0.1=0.0314，k1 =0.0525，k3=0.0657，k10=0.28， k500.08。,式（4-31）中5个测定值p0.1、p1、p3、p10、p50分别为10min内超过01、1、3、10%和50%时间比的概率分布水平,9/12/2024,23,4电压波动与闪变,2、长时间闪变水平值,长时间闪变的统计时间需在1h以上，国标中规定为2h。在2h或更长时间测得并作出的累计概率统计曲线（CPF）中，将瞬时闪变视感度不超过99 %概率的短时间闪变值 （用符号 表示）或超过1%时间的 值（用符号 表示）作为长时间闪变水平值 ，即,UIC/IEC标准,：规定对于已顺序测得的N个l0min短时间闪变值 （k=1, 2, 3,，N）数据，长时间闪变值可由这N个 的立方和求根得到：,9/12/2024,24,4电压波动与闪变,3、闪变干扰限制值,GB/T12326-2008,电压波动和闪变(2000修订版）：,1）闪变限值中去掉了Pst，只保留Plt,2）各级电压闪变限值Plt ：,110kv及以下：1,110kv以上：0.8,9/12/2024,25,4电压波动与闪变,4.5电弧炉用电特性分析,由于电弧炉炼钢在技术经济上的优越性，工业生产采用交流电弧炉已日益增多，单台容量也不断增大，因此电弧炉对供电系统的干扰也愈加突出-,交流电弧炉是供电系统各类功率波动性负荷中对电压特性影响最大的负荷,。,其不利影响,主要包括有功功率和无功功率冲击性快速变化引起的电压波动和闪变，电弧电阻的非线性导致的电力谐波畸变，以及三相负荷不对称带来的供电系统动态不平衡干扰等。,普通交流电弧炉的冶炼周期约为38h，通常电弧炉的供电电压为110kV或35kV，经特殊设计的电弧炉变压器供电，二次侧电极间电压的典型值在100600V之间。,电弧炉的电流控制是通过电弧炉变压器高压侧绕组分接头的切换和电极的升降来实现的。电弧炉所消耗无功功率大，并且无功功率变化量也很大，在电极短路时功率因数约为0.10.2，在额定运行时约为0.70.85。,9/12/2024,26,4电压波动与闪变,电弧炉的运行周期包括三个阶段：,熔化期、氧化期和还原期,。,(1)熔化期的主要任务是使炉料迅速熔化。熔化期约为0.52h，但在此期间消耗的电能占一个投运周期总耗电量的60% 70%。,(2)氧化期的主要任务是脱磷及去气、去夹杂。,(3)还原期的主要任务和操作是脱氧、脱硫、调整温度和调整成分。,图4-21给出了电弧炉负荷运行周期示意图(是一种间歇式冲击功率负荷).,9/12/2024,27,4电压波动与闪变,4.6电压波动和闪变的测量,目前国际上有代表性的三种原理类型的闪变测量仪器:,日本的闪变仪,英国的ERA电弧炉闪变测量仪,IEC和UIE推荐的闪变仪,。,IEC闪变测量方法,一、电压波动的同步检测法,调制波解析式的一般表达式为,若调幅波电压为单一频率的正弦波形，则,9/12/2024,28,4电压波动与闪变,式中，m称为调制指数， m1。按照同步检测方法，可将调制波电压自乘求平方，得到,9/12/2024,29,4电压波动与闪变,如果利用0.0535 Hz的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频率的分量，并且考虑到，由于实际上的调制指数m1，因此，滤波后便可实现解调，获得近似加权的调幅波电压：,已知相对电压变动值为 ，并且假定调幅波为正弦函数波形，则有,可以得到用相对电压变动d参量表示的表达式,以上各函数的变化波形，,可参见图4-28（b）所示的仿真波形,。,9/12/2024,30,4电压波动与闪变,9/12/2024,31,4电压波动与闪变,二、IEC闪变测量环节分析,图4-28（a）我国国家标准在参考了IEC标准后推荐采用的闪变仪简化原理框图。,图4-28 （a）给出的闪变测量环节总体上可分为,三部分,：,第一部分,为电压输人适配调整，由图中框1组成，两个主要部分，即一个输人电压适配器和一个自检信号发生器。,第二部分,模拟视觉系统模型，即灯-眼-脑反应链的频率响应特性，主要由图中框2、框3和框4组成；,框2,模拟灯的作用和特性。通过平方解调器分离出与调幅波幅值成比例的电压波动量。该量反映了灯照度变化与电压波动的关系，可采用被测信号自乘求平方来实现。,框3,模拟人眼的视觉频率选择特性。它由两个级连滤波器，即带通滤波器和视感度加权滤波器，以及一个测量范围选择器构成。,9/12/2024,32,4电压波动与闪变,其中，,带通滤波器,(通频带为0.0535Hz)的功能是消除平方解调后电压信号中的直流分量和载波倍频分量。具体设计时，采用一阶高通滤波器抑制直流分量，并采用截止频率为35Hz的6阶巴特沃斯低通滤波器滤除载波工频成分及其以上的频率分量。,所谓,视感度加权滤波器,就是觉察率为50的闪变视感度一频率特性的具体实现。即按照幅频特性对视感度频率范围内的调幅波信号分别取不同的加权系数（如对应8 .8Hz调幅波信号，其增益为1，而其他频率信号的加权系数都小于1）。,K（s）乘积的第一项对应二阶带通滤波器，第二项为有一个零点和两个极点的补偿环节，分别为,9/12/2024,33,4电压波动与闪变,其中测量范围选择器的作用是为了提高测量灵敏度而设置的。,框4,模拟人脑神经对视觉反映的非线性和记忆效应，由平方和积分滤波两个环节组成。其中，平方器模拟了人眼-脑觉察过程的非线性，而具有积分功能的一阶低通滤波器起着平滑平均作用，模拟人脑的存储记忆效应。,框4的输出为,瞬时闪变视感度S（t），,即视觉对灯闪的瞬时感觉水平。,第三部分,为测量到的瞬时闪变视感度的统计分析，由框5组成。,框5,为在线统计分析结果输出级。利用数字信号处理器，对框4输出的瞬时闪变水平进行大量的概率统计计算和记录。并且按照第3节介绍的累积概率函数CPF作统计评估，最后给出实测计算得到的 和,9/12/2024,34,4电压波动与闪变,图4-29所示是对上述各个环节的总结，并且可以作为基于MATLAB工具软件的闪变仪仿真流程。,9/12/2024,35,