電壓跌落問(wèn)題的研究
1　引言 
　　隨著(zhù)基于計算機和微處理器的敏感型用電設備在電力系統中的大量投入使用，電力用戶(hù)對配電系統的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量的要求不斷提高。目前，配電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括電壓浪涌、電壓跌落以及瞬時(shí)供電中斷。 
　　研究表明，電壓跌落問(wèn)題已成為影響許多用電設備正常、安全運行的最嚴重的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題之一。在現代工業(yè)生產(chǎn)中，電壓跌落將引起廠(chǎng)家的產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至導致全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中斷，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，如何抑制電壓跌落對敏感電力用戶(hù)的干擾、提高配電系統的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量，已成為擺在電力研究人員面前的十分迫切的問(wèn)題。 
　　傳統的調壓手段，如改變有載調壓變壓器的變比、投切并聯(lián)補償電容器等，因其響應速度慢，控制不精確，故對抑制電壓跌落問(wèn)題無(wú)能為力。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，基于高壓大功率開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節技術(shù)的出現將為解決電壓跌落問(wèn)題提供新的手段。該技術(shù)利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的高速開(kāi)斷特性，通過(guò)向系統注入相應的補償分量來(lái)實(shí)現對系統的電壓、電流、無(wú)功潮流等參數的動(dòng)態(tài)跟隨。
　　目前，動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節技術(shù)已引起國內外眾多學(xué)者的關(guān)注，而該技術(shù)中最為關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節：實(shí)時(shí)檢測評估技術(shù)和動(dòng)態(tài)補償技術(shù)的工作原理及實(shí)現策略則更是成為當今研究的熱點(diǎn)。本文對目前常用的實(shí)時(shí)檢測手段和動(dòng)態(tài)補償方法的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節裝置，并對其性能做了詳細的比較。 
2　電壓跌落概述 
　　電壓跌落(sags，又可稱(chēng)dips)是指在某一時(shí)刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短的一段時(shí)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(shí)間來(lái)作為描述電壓跌落的特征量，但對幅值大小和持續時(shí)間的界定范圍還未形成統一的標準。例如，在IEEE電能質(zhì)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(shí)間為半個(gè)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(lái)描述電壓跌落的深度，持續時(shí)間限定為半個(gè)周期至幾十秒。此外，有的文獻把電壓相位偏移角和發(fā)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(fēng)雨)有關(guān)。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(gè)重要原因。當電力系統輸電線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，該線(xiàn)路上甚至幾百米開(kāi)外的電力用戶(hù)依然會(huì )受到影響，其正常工作狀態(tài)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(dòng)時(shí)伴隨的電流嚴重畸變現象也會(huì )導致該負荷所連接的母線(xiàn)電壓發(fā)生跌落。 
　　可見(jiàn)，由于一些非人力所能及的因素的存在，電壓跌落現象是不可能從根本上加以消除的。因此，要想較好的解決電壓跌落問(wèn)題，則必須從系統和負荷兩方面考慮，一方面要防患于未然，抑制不利因素對系統的影響，盡可能的降低系統電壓跌落發(fā)生的可能性，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量；另一方面是當供電電壓跌落現象發(fā)生后積極采取補救措施，把電壓跌落的持續時(shí)間限制在幾個(gè)周期之內，避免或減少其對敏感電力用戶(hù)的干擾。由于篇幅有限，本文將側重于討論后一種補救措施的實(shí)現技術(shù)。 
3　檢測技術(shù) 
　　考慮到電壓跌落發(fā)生的隨機性和快速性，要使動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節裝置具有良好的實(shí)時(shí)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(shí)現快速跟蹤檢測問(wèn)題。 
　　目前可用于檢測電壓跌落并且可兼顧動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性和檢測準確度的方法，主要有基于瞬時(shí)無(wú)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(jìn)行詳細的分析。 
3.1　αβ0變換方法或dq0變換方法 
　　隨著(zhù)配電系統中各類(lèi)非線(xiàn)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(wǎng)電壓的畸變問(wèn)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(wú)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(mǎn)足要求。為此，人們提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，即首先把電壓、電流的瞬時(shí)值通過(guò)坐標變換，然后在新坐標系下獲得瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)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(guò)渡過(guò)程情況，它是傳統無(wú)功功率理論的推廣和延伸。 
　　從三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論的推導過(guò)程中可以看出：在新坐標系下定義的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)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(gè)分量有明確的對應關(guān)系，故通過(guò)此對應關(guān)系可以方便的實(shí)時(shí)檢測到電網(wǎng)的諧波、無(wú)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(shí)現起來(lái)各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但只適用于系統電壓為三相正弦對稱(chēng)且負載對稱(chēng)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(shí)變三角矩陣。為運用該方法，通常都需要一個(gè)與電網(wǎng)工頻同步的三角函數發(fā)生器，故實(shí)現起來(lái)比較復雜，但該方法能適用于任意非正弦、非對稱(chēng)三相電路。 
　　另外，采用這兩種變換方法，要想得到基波有功電壓、電流分量時(shí)都需要低通濾波環(huán)節，這將導致檢測的快速性受到一定程度的影響。為解決這一問(wèn)題，對dq0變換方法改進(jìn)，通過(guò)引入標準電壓幅值和選取合適的Park變換初始角，在利用Park正變換提取補償量的過(guò)程中省去了低通濾波器環(huán)節。但是，如何選取合適的Park變換初始角卻存在相當的難度，故該方法還需要進(jìn)一步的深入研究。 
3．2　小波分析方法 
　　長(cháng)期以來(lái)，傅立葉變換作為最經(jīng)典的信號處理手段在電能質(zhì)量的穩態(tài)指標檢測中發(fā)揮了重要作用，但由于其缺乏空間局部性，時(shí)間窗長(cháng)，故對諸如電壓跌落、電壓驟升等電能質(zhì)量的突變信號和非平穩信號的檢測無(wú)能為力。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的小波分析方法則為電能質(zhì)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(shí)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(shí)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(shí)間分辨率，所以有“數學(xué)顯微鏡”之美稱(chēng)。由于電壓跌落的發(fā)生時(shí)刻和恢復時(shí)刻通常都對應著(zhù)電壓信號的奇異點(diǎn)，即在這兩個(gè)時(shí)刻系統電壓波形都會(huì )出現細小的突變，而小波變換本身對信號的奇異點(diǎn)特別敏感，所以通過(guò)小波變換可將信號的細小突變放大并顯示出來(lái)，從而可實(shí)現對電壓跌落的精確檢測和定位�！　� 
　　目前小波分析方法在電能質(zhì)量突變信號的定位、檢測及識別領(lǐng)域取得了一定的成就。利用信號的突變奇異點(diǎn)可用小波變換模的局部極大值來(lái)表征的特性實(shí)現了對電壓跌落發(fā)生及恢復時(shí)刻的精確定位；也可利用二進(jìn)制離散正交小波方法來(lái)對電網(wǎng)中的各種故障信號進(jìn)行分析、定位、自動(dòng)識別和分類(lèi)；把傅立葉變換方法與小波分析方法結合，來(lái)對電力系統的暫態(tài)波形進(jìn)行自動(dòng)檢測與辨識。 
　　但是，小波分析方法在實(shí)際應用中仍存在以下不足：小波變換的分析結果與小波函數的選取密切相關(guān)，當小波函數選取不當時(shí)，檢測結果會(huì )產(chǎn)生很大的誤差甚至錯誤；小波變換對各類(lèi)噪聲和微弱信號的識別都非常敏感，魯棒性不好，故在實(shí)際應用中必須和其他有效的去噪方法相結合，因此實(shí)現起來(lái)比較復雜。 
4　動(dòng)態(tài)補償技術(shù) 
　　動(dòng)態(tài)補償技術(shù)是解決電壓跌落問(wèn)題的最終途徑。依據采用補償信號的種類(lèi)的不同及動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節裝置的連接方式的不同，動(dòng)態(tài)補償技術(shù)可以分為串聯(lián)電壓補償和并聯(lián)電流補償兩種方式。 
4．1　串聯(lián)電壓補償 
　　串聯(lián)電壓補償技術(shù)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(lián)，來(lái)抵消供電電壓的跌落成分。依據電壓相位的不同，串聯(lián)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。下面本文對這三種電壓補償方式的原理作一闡明。 
　　假設系統電壓跌落以前，電源端供電電壓Vs與饋線(xiàn)末端的負荷電壓VL相等。供電電壓發(fā)生突變，其幅值跌落至VT，并伴隨有θ的相位角偏移。 
　　在同相串聯(lián)電壓補償方法中，補償電壓與系統供電電壓同相位。在該補償方式中，θ＇＝0，動(dòng)態(tài)補償裝置所需提供的補償電壓的幅值與視在功率最小，但卻需提供最大的有功功率。另外，在補償之初，負荷電壓存在θ的相位角突變，將對相位突變敏感的電力用戶(hù)產(chǎn)生不利影響。 
　　在恒相串聯(lián)電壓補償中，補償電壓等于電壓跌落前后供電電壓的矢量差，即采用該補償方法，負荷電壓的幅值和相位在補償前后都不發(fā)生變化。但該方法需要提供較大的補償電壓和視在功率，并且若跌落時(shí)供電電壓的相位偏移角θ足夠大，還可能產(chǎn)生無(wú)功功率過(guò)補償的現象。 
　　超前相電壓補償是通過(guò)注入超前供電電壓一定角度的補償電壓，以補償饋線(xiàn)線(xiàn)路感抗壓降，從而減小有功電壓補償分量。與前面兩種方法相比，在相同的故障條件下，該方法所需提供的有功功率分量最小，故又被稱(chēng)為最小能量注入法。利用該方法，若跌落后供電電壓與負荷電流同相位(θ＇＝ψ)時(shí)，裝置所需注入的有功功率PC達到最小值。并且，在UT≥ULcosψ的條件下，若控制補償電壓與負荷電流IL正交，則可無(wú)需注入無(wú)功功率。但該補償方法要求注入較大幅值的補償電壓，而且在補償之初將產(chǎn)生比同相電壓補償方法更大的負荷電壓相位突變角，會(huì )導致負荷側的電壓波形嚴重不連續，并可能引起系統振蕩�！　� 
　　從上述分析可見(jiàn)，三種電壓補償方法各有利弊。為此，有些文獻提出了將最小能量注入法與其余兩種電壓補償方法相結合的方法，以降低裝置的成本并縮小裝置的體積。例如，某提出將同相電壓補償法與最小能量注入法相結合的思路，即在補償之初采用同相電壓補償法，注入和供電電壓同相位的補償電壓，持續一段時(shí)間后(為毫秒級)，再逐步增加補償電壓的相位角，直至達到最小功率補償點(diǎn)時(shí)停止。與同相電壓補償法相比，在同樣的電壓跌落深度下，該方法可減少向系統注入的能量，但并未解決在補償之初負荷電壓相位角突變的問(wèn)題。為了克服這一不足，將恒相電壓補償與最小能量補償相結合的方法，即在補償之初采用恒相電壓補償法來(lái)代替前述方法中的同相電壓補償，從而避免了負荷電壓的相位角突變，具有較好的實(shí)際應用效果。 
4．2　并聯(lián)電流補償 
　　并聯(lián)電流補償可用于兩種目的，一是消除大容量負荷啟動(dòng)時(shí)伴隨的電流嚴重畸變現象對電網(wǎng)的影響，避免公共母線(xiàn)上發(fā)生電壓跌落現象；二是當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或波動(dòng)時(shí)，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(tài)受到干擾。前者的實(shí)現原理是通過(guò)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(lái)消除負荷電流畸變對電網(wǎng)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。下面本文主要對后一種目的的實(shí)現原理進(jìn)行詳細的闡述。 
　　假設系統源端供電電壓與負荷側電壓分別為VS和VL，系統阻抗為ZS＝RS＋jXS，IS為系統電流，IL為負荷電流。 
　　當源端電壓發(fā)生跌落時(shí)，其影響將全部施加到負荷側，導致負荷側的電壓也必將產(chǎn)生大幅度的下降。 
　　可以通過(guò)合理的調整補償電流IC的大小和相位，利用其在系統阻抗上產(chǎn)生的壓降來(lái)抵消電網(wǎng)電壓的跌落或波動(dòng)成分，維持負荷側的工作電壓仍在正常水平。
　　與串聯(lián)電壓補償技術(shù)相比，并聯(lián)電流補償技術(shù)并不是一個(gè)用于抑制電壓跌落對敏感負荷干擾的經(jīng)濟有效的方法，這是因為：在相同的系統電壓跌落條件下，串聯(lián)電壓補償技術(shù)只需補償系統電壓跌落的部分，而并聯(lián)電流補償技術(shù)需要對系統和負荷兩側同時(shí)進(jìn)行補償，故其向電網(wǎng)注入的能量要遠大于采用串聯(lián)電壓補償技術(shù)時(shí)注入的能量；并且，由于系統阻抗經(jīng)常改變，很難定量的確定并聯(lián)電流補償技術(shù)需要提供的補償分量。由于上述原因，所以并聯(lián)電流補償技術(shù)主要用于消除負荷電流畸變對系統的影響，而在需要消除電網(wǎng)電壓跌落對負荷的干擾的場(chǎng)合則通常采用串聯(lián)電壓補償技術(shù)。 
5　動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節裝置介紹 
　　目前已開(kāi)發(fā)出來(lái)的用于治理電網(wǎng)供電電壓跌落問(wèn)題的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節裝置主要包括不間斷電源(UPS)、動(dòng)態(tài)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)供電中斷對負荷的干擾。其工作機理是：在系統正常供電時(shí)，UPS處于后備工作狀態(tài)，系統給UPS的儲能電路充電；當檢測到供電電壓發(fā)生擾動(dòng)后，控制系統立刻切斷負荷與供電系統之間的聯(lián)系，UPS轉為正常工作狀態(tài)，負荷由UPS繼續供電。UPS裝置具有良好的實(shí)時(shí)性，通常從檢測到電能質(zhì)量擾動(dòng)信號至實(shí)現由UPS給負荷提供電力只需2～4ms(小于1/4個(gè)周期)。但是，UPS的容量有限，一般不超過(guò)MW級，故對于提高大型敏感型工業(yè)用戶(hù)的供電質(zhì)量的效果不明顯。此外，UPS的造價(jià)較高，價(jià)格昂貴，這在很大程度上限制了UPS的應用范圍。 
　　DVR是用來(lái)補償電壓跌落、提高下游敏感負荷供電質(zhì)量的串聯(lián)補償裝置，其良好的動(dòng)態(tài)性能和成本上的相對優(yōu)勢使它成為目前治理供電電壓突降問(wèn)題的最經(jīng)濟、有效的手段。DVR通常安裝在電源與重要負荷的饋電線(xiàn)路之間。在正常供電狀態(tài)下，DVR處于低損耗備用狀態(tài)；在供電電壓發(fā)生突變時(shí)，DVR將迅速做出響應，可在幾個(gè)毫秒內產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)同步的三相交流電壓，該電壓與源電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，來(lái)補償故障電壓與正常電壓之差，從而把饋線(xiàn)電壓恢復到正常值。DVR是一種面向負荷的補償裝置，其容量通常取決于負荷的容量和要求補償的范圍，由于DVR只需補償系統電壓跌落的缺額部分，故其設計容量遠小于采用UPS補償時(shí)的設計容量。目前，某些國際知名公司已有MVA級DVR裝置投入運行，它們在保證大型敏感工業(yè)用戶(hù)的電能質(zhì)量方面取得了顯著(zhù)的成效。DVR的缺陷在于：由于裝置內部整流器的影響，DVR必須采用附加的濾波器電路來(lái)濾除其輸出電壓中的諧波分量，這使得其成本和體積有所增加。 
　　DSTATCOM是面向系統的補償裝置，它通過(guò)向電網(wǎng)的公共耦合點(diǎn)(PCC)注入電流，對負荷電流中的諧波分量進(jìn)行補償，從而抑制負荷的高次諧波、不對稱(chēng)、無(wú)功及閃變等有害因素對系統的影響，避免因負荷電流畸變引起的系統電壓波動(dòng)或跌落現象。它通常安裝在網(wǎng)絡(luò )和負荷之間，與負荷相并聯(lián)。DSTATCOM采用并聯(lián)電流補償方式，其輸出電流可以在很大的電壓變化范圍內恒定，并且可實(shí)現從感性到容性全范圍內的連續調節，具有輸出感性無(wú)功和容性無(wú)功的雙向調節能力。與DVR不同，DSTAT－COM采用了多重化的設計結構，使得其輸出的諧波含量大大降低，因此無(wú)需采用額外的濾波器。 
　　SMES是一種利用超導磁體的低損耗和高儲能密度，電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀|通過(guò)現代電力電子型變流器與電力系統接口，組成既能儲存電能又能釋放電能的快速響應器件。典型的SMES從電網(wǎng)吸收最大功率到向電網(wǎng)輸送最大功率的轉變只需幾十毫秒，這使得利用SMES來(lái)避免電壓突變和瞬時(shí)停電對用戶(hù)的干擾、抑制電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，從而改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量、提高供電可靠性成為可能。目前，有關(guān)這方面的研究正在蓬勃開(kāi)展，并已經(jīng)有微小型的SMES在工業(yè)用戶(hù)系統中投入應用。盡管SMES的研制已取得了很大的進(jìn)展，但它在部件制造、控制策略、特性研究、運行維護和降低成本等方面還存在相當的難度大容量大規模的SMES仍局限于概念設計，這些因素都使得SMES距真正意義上的實(shí)用還存在著(zhù)一段很大的距離。 
6　結語(yǔ) 
　　電壓跌落已成為影響現代社會(huì )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(zhì)量的一個(gè)不可忽視的因素。為避免配電網(wǎng)的供電電壓跌落對敏感型電力用戶(hù)的干擾，采用基于電力電子技術(shù)的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節技術(shù)成為一個(gè)必然的選擇。而先進(jìn)的檢測方法和合理的補償方式的運用將能夠使動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量調節技術(shù)更加如虎添翼，從而使現有的配電網(wǎng)供電質(zhì)量提升到一個(gè)全新水平，為現代電力工業(yè)的發(fā)展提供良好的保障。