电能质量分析与控制4电压波动与闪变

2019/8/2214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。TdttuTU02)(11210NkNRMSKu'0()()cosmutftUt2019/8/2224电压波动与闪变图4－1（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。cUdU2019/8/2234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）12100%100%NNUUUdUU100%ccNNdU100%ddNNdUmaxmax100%NNdU2019/8/2244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（VoltageFlactuation）：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。2019/8/2254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。2019/8/2264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：()[()]cosmFNutUvtt()[1cos]cos[1cos]cosmmFNmFNmVutUttUmttU2019/8/2274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/mis2Frf260Frf2019/8/2284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。2019/8/2294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。00NRPXQUU002100%NRPXQdU100%dQdS2019/8/22104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：03ddSUI200dUSZL0I3ASU003ALdSUIZUS33ANdSUdUS2019/8/22114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）：。1NUkV135NkVUkV35220NkVUkV2019/8/22124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（VoltageFlicker）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。1.5%HVd2.0%MVd2.0%LVd2019/8/22134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。100%CDFABCD2019/8/22144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F＝50%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。2019/8/22154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：1～25Hz；（2）闪变的最大觉察频率范围：0.05～35Hz（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：6～12Hz；（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()18.8()()1StHzKfStf觉察单位的正弦电压波动值觉察单位的频率为的正弦电压波动值K(f)12019/8/22164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。2019/8/22174电压波动与闪变2019/8/22184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）()1()()1StRfSt觉察单位的正弦电压波动值觉察单位的矩形电压波动值2019/8/22194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K＝1.74802，λ＝2π×4.05981，ω1＝2π×9.15494，ω2＝2π×2.27979，ω3＝2π×1.22535，ω4＝2π×21.91222341/()2(1/)(1/)KssKsssss2019/8/22204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。2019/8/22214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τ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（1.2～1.4p.u.）统计计算示例概率分布571234514350iiTtttttt77100%(4350/15000)29%kTppT2019/8/22224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。2019/8/22234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，k50＝0.08。式（4-31）中5个测定值p0.1、p1、p3、p10、p50分别为10min内超过0．1％、1％、3％、10%和50%时间比的概率分布水平kpstP0.10.1113310105050stPKPKPKPKPKPkp2019/8/22244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：stP,99%stP1PstPltP,99%1ltstPPP,stkP,stkP,3311stkNltkPPN2019/8/22254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Plt2）各级电压闪变限值Plt：110kv及以下：1110kv以上：0.82019/8/22264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