电压跌落产生的原因及对策分析
陈淑平 臧海峰
摘要：目前，动态电能质量调节技术已引起国内外众多学者的关注，而该技术中最为关键的两个环节：实时检测评估技术和动态补偿技术的工作原理及实现策略则更是成为当今研究的热点。本文对目前常用的实时检测手段和动态补偿方法的原理及其优缺点进行了系统的阐述和深入的分析。最后，本文还介绍了现今已推出的几种动态电能质量调节装置，并对其性能做了详细的比较。
关键词：电能质量；电压跌落；动态电能调节技术；动态补偿技术
1电压跌落概述
电压跌落(又可称dips)是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。目前，多数文献都用跌落的幅值和持续时间来作为描述电压跌落的特征量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一的标准。例如，在IEEE电能质量标准中对电压跌落特征量的界定范围是幅值标么值在0．1~0．9之间，持续时间为半个周期至1分钟；而IEC标准则用跌落前后电压的差值与正常电压的百分比来描述电压跌落的深度，持续时间限定为半个周期至几十秒。此外，有的文献把电压相位偏移角和发生频率也作为描述电压跌落的特征量。恶劣的天气条件是引起电压跌落的主要原因。统计表明60％以上的电压跌落都和恶劣的天气(如雷击、暴风雨)有关。系统故障，尤其是系统单相对地故障是造成电压跌落的另一个重要原因。当电力系统输电线路发生故障时，该线路上甚至几百米开外的电力用户依然会受到影响，其正常工作状态受到干扰。此外，一些大负荷(如大电机、炼钢电弧炉等)突然启动时伴随的电流严重畸变现象也会导致该负荷所连接的母线电压发生跌落。
2电压跌落检测技术
考虑到电压跌落发生的随机性和快速性，要使动态电能质量调节装置具有良好的实时控制效果，首先要解决的是在保证能对装置的控制信号(通常为电压、电流)在一定检测准确度的前提下实现快速跟踪检测问题。目前可用于检测电压跌落并且可兼顾动态实时性和检测准确度的方法，主要有基于瞬时无功功率理论的αβ0变换方法、dq0变换方法和小波分析法。下面本文将对以上几种方法进行详细的分析。
2.1αβ0变换方法或dq0变换方法
随着配电系统中各类非线性负荷的不断增加和电力电子装置的广泛应用，它所引起的电网电压的畸变问题日益严重。在这种背景下，基于平均值基础上定义的传统无功功率理论因其只适用电压、电流均为正弦波的特性而不能满足要求。为此，人们提出了瞬时无功功率理论，即首先把电压、电流的瞬时值通过坐标变换，然后在新坐标系下获得瞬时无功功率、瞬时有功功率和瞬时无功电流的定义。该理论不仅适用于正弦波，也适用于任何非正弦波和任何过渡过程情况，它是传统无功功率理论的推广和延伸。
从三相电路瞬时无功功率理论的推导过程中可以看出：在新坐标系下定义的瞬时有功功率、瞬时无功功率的交直流分量与abc坐标系下的基波、谐波、正序、负序、零序的电压和电流之间相互作用的各个分量有明确的对应关系，故通过此对应关系可以方便的实时检测到电网的谐波、无功电流及电压、电流的各种畸变分量。
αβ0变换方法与dq0变换方法所选取的变换坐标系不同，故两种方法实现起来各有优缺点。αβ0变换方法是把abc坐标系变换到静止的αβ0坐标系，其变换矩阵为常数矩阵，故该方法实现起来比较简单，但只适用于系统电压为三相正弦对称且负载对称的情况，否则将存在比较大的检测误差。dq0变换方法是把abc坐标系变换到同步旋转的dq0坐标系中，其变换矩阵为时变三角矩阵。为运用该方法，通常都需要一个与电网工频同步的三角函数发生器，故实现起来比较复杂，但该方法能适用于任意非正弦、非对称三相电路。
2．2小波分析方法
长期以来，傅立叶变换作为最经典的信号处理手段在电能质量的稳态指标检测中发挥了重要作用，但由于其缺乏空间局部性，时间窗长，故对诸如电压跌落、电压骤升等电能质量的突变信号和非平稳信号的检测无能为力。而近年来发展起来的小波分析方法则为电能质量突变信号的检测提供了新的思路。小波分析方法是一种窗口大小固定但形状可改变的时频局部化分析方法，它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率，所以有"数学显微镜"之美称。由于电压跌落的发生时刻和恢复时刻通常都对应着电压信号的奇异点，即在这两个时刻系统电压波形都会出现细小的突变，而小波变换本身对信号的奇异点特别敏感，所以通过小波变换可将信号的细小突变放大并显示出来，从而可实现对电压跌落的精确检测和定位。
3动态补偿技术
动态补偿技术是解决电压跌落问题的最终途径。依据采用补偿信号的种类的不同及动态电能质量调节装置的连接方式的不同，动态补偿技术可以分为串联电压补偿和并联电流补偿两种方式。
3．1串联电压补偿:串联电压补偿技术是面向负荷的一种补偿方式，其核心是指在供电电压跌落期间，迅速向系统注入幅值、相角和频率都可控的三相电压，与供电电压相串联，来抵消供电电压的跌落成分。依据电压相位的不同，串联电压补偿有三种方式：同相电压补偿、恒相电压补偿和超前相电压补偿
3．2并联电流补偿:并联电流补偿可用于两种目的，一是消除大容量负荷启动时伴随的电流严重畸变现象对电网的影响，避免公共母线上发生电压跌落现象；二是当电网电压发生跌落或波动时，维持负荷处的电压仍在正常工作水平，避免敏感负荷的正常工作状态受到干扰。前者的实现原理是通过向系统注入与畸变电流分量大小相等、极性相反的补偿电流，来消除负荷电流畸变对电网的不利影响。由于许多文献对其都有详细的介绍，故本文不再赘述。
4动态电能质量调节装置介绍
目前已开发出来的用于治理电网供电电压跌落问题的动态电能质量调节装置主要包括不间断电源(UPS)、动态电压恢复器(DVR)、静止同步补偿器(DSTATCOM)和超导储能系统(SMES)。下面本文对这些装置的性能做一个简要的分析。
UPS作为敏感负荷的备用电源，可有效的消除系统电压跌落或瞬时供电中断对负荷的干扰。其工作机理是：在系统正常供电时，UPS处于后备工作状态，系统给UPS的储能电路充电；当检测到供电电压发生扰动后，控制系统立刻切断负荷与供电系统之间的联系，UPS转为正常工作状态，负荷由UPS继续供电。UPS装置具有良好的实时性，通常从检测到电能质量扰动信号至实现由UPS给负荷提供电力只需2～4ms(小于1/4个周期)。但是，UPS的容量有限，一般不超过MW级，故对于提高大型敏感型工业用户的供电质量的效果不明显。此外，UPS的造价较高，价格昂贵，这在很大程度上限制了UPS的应用范围。
结语:电压跌落已成为影响现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰，并且成为威胁配电系统电能质量的一个不可忽视的因素。为避免配电网的供电电压跌落对敏感型电力用户的干扰，采用基于电力电子技术的动态电能质量调节技术成为一个必然的选择。而先进的检测方法和合理的补偿方式的运用将能够使动态电能质量调节技术更加如虎添翼，从而使现有的配电网供电质量提升到一个全新水平，为现代电力工业的发展提供良好的保障。
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