0  引言

    隨著大量的基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和自動(dòng)化程度很高的用電設(shè)備相繼投入使用，工業(yè)用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，甚至幾分之一秒的不正常就可造成的巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化程度很高的工業(yè)用戶一般每年要遭受10～50次與電能質(zhì)量問(wèn)題有關(guān)的干擾，其中因包括電壓波動(dòng)和閃變?cè)趦?nèi)的動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題造成的事故數(shù)約占事故總數(shù)的83％[1]。電壓波動(dòng)和閃變已成為威脅許多重要用戶供電可靠性的主要原因之一，必須對(duì)其進(jìn)行有效地監(jiān)視與抑制。
    電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和閃變主要是由具有沖擊性功率的負(fù)荷引起的[2]，如變頻調(diào)速裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼機(jī)等。這些非線性、不平衡沖擊性負(fù)荷在生產(chǎn)過(guò)程中有功和無(wú)功功率隨機(jī)地或周期性地大幅度變動(dòng)，當(dāng)其波動(dòng)電流流過(guò)供電線路阻抗時(shí)產(chǎn)生變動(dòng)的壓降，導(dǎo)致同一電網(wǎng)上其它用戶電壓以相同的頻率波動(dòng)。這種電壓幅值在一定范圍內(nèi)(通常為額定值的90％～110％)有規(guī)律或隨即地變化，即稱為電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)通常會(huì)引起許多電工設(shè)備不能正常工作，如影響電視畫(huà)面質(zhì)量、使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)、使電子儀器工作失常、使白熾燈光發(fā)生閃爍等等。由于一般用電設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度遠(yuǎn)低于白熾燈，為此，選擇人對(duì)白熾燈照度波動(dòng)的主觀視感，即“閃變”，作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1  電壓波動(dòng)與閃變的檢測(cè)
1.1 調(diào)幅波檢測(cè)
    要對(duì)電壓波動(dòng)與閃變進(jìn)行有效的抑制，首先的任務(wù)就是要準(zhǔn)確的提取出波動(dòng)信號(hào)，通常將波動(dòng)電壓看成以工頻額定電壓為載波、其電壓的幅值受頻率范圍在0.05~35Hz的電壓波動(dòng)分量調(diào)制的調(diào)幅波。因此，電壓波動(dòng)分量的檢出方法可采用通信理論中大功率載波調(diào)制信號(hào)解調(diào)方法，用與載波信號(hào)同頻同相的周期信號(hào)乘以被調(diào)信號(hào)，將電壓波動(dòng)分量與工頻載波電壓分離，通過(guò)帶通濾波器得到波動(dòng)分量。
    考慮電壓波動(dòng)分量，就是在基波電壓上疊加有一系列的調(diào)幅波，為使分析簡(jiǎn)化又不失一般性，研究電壓波動(dòng)的檢測(cè)方法可分析某單一頻率的調(diào)幅波對(duì)工頻載波的調(diào)制，將工頻電壓u(t)的瞬時(shí)值解析式寫(xiě)成：

式中：A為工頻載波電壓的幅值，ω0為工頻載波電壓的角頻率，m為調(diào)幅波電壓的幅值，mcos(Ωt)為波動(dòng)電壓。
    目前，常用的波動(dòng)電壓檢出方法有三種：平方解調(diào)檢波法、全波整流檢波法和半波有效值檢波法，圖1所示分別為三種方法的原理結(jié)構(gòu)框圖。

    (1)平方解調(diào)檢波法
    國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦平方解調(diào)檢測(cè)法，即將u(t)平方，然后利用解調(diào)帶通濾波器檢測(cè)出調(diào)幅波。經(jīng)過(guò)0.05～30HZ的帶通濾波器便能濾去直流分量和二倍工頻分量，從而檢測(cè)出mA2cos(Ωt)的調(diào)幅波即電壓波動(dòng)分量。這種方法較適合用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    (2)全波整流解調(diào)檢波法
    全波整流檢波法的基本原理是將輸入交流電壓u(t)全波整流即進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算后再經(jīng)過(guò)解調(diào)帶通濾波器后便取得波動(dòng)信號(hào)。設(shè)u(t)經(jīng)整流后的電壓為g(t)，則g(t)可看作u(t)和幅值為±1、頻率為工頻的方波的乘積。將經(jīng)過(guò)0.05～30HZ的帶通濾波器便可檢測(cè)出的調(diào)幅波即電壓波動(dòng)分量。
    這種方法較適合于模擬電路加以實(shí)現(xiàn)，英國(guó)ERA和法國(guó)EDF等閃變儀采用此方案。它跟平方檢波法一樣，都要通過(guò)帶通濾波器保留調(diào)幅波，但存在檢出誤差，誤差的大小取決于波動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。
    (3)半波有效值檢波法
    半波有效值法是利用RMS/DC變換器將波動(dòng)的輸入交流電壓變換成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)解調(diào)帶通濾波器后獲得波動(dòng)信號(hào)。RMS/DC變換器輸出的直流電壓值為輸入交流電壓的方均根值，其脈動(dòng)成份即反映了輸入電壓方均根值的變化。根據(jù)半波

    這種方法，就實(shí)際線路而言，要將方均根值的計(jì)算時(shí)間準(zhǔn)確地整定在半個(gè)工頻周期是相當(dāng)困難的，而且其元件參數(shù)整定較為困難。另外，該方法可去除直流分量和二倍工頻分量等，只保留調(diào)幅波，但其中不會(huì)完全沒(méi)有直流分量，仍需隔直和濾波。瑞士的MEFP型閃變儀，國(guó)產(chǎn)的VFF-1型電壓波動(dòng)閃變分析儀和日本的△V10測(cè)量?jī)x等均采用每個(gè)周波求一個(gè)有效值。
    (4)小波多分辨率信號(hào)分解同步檢波法及其它方法
    近年來(lái)一些新理論和新原理應(yīng)用于調(diào)幅波檢測(cè)。如，文獻(xiàn)[3]提出了一種采用小波多分辨率信號(hào)分解和同步檢波的電壓閃變信號(hào)檢測(cè)新方法，該方法用小波多分辨率信號(hào)分解濾波器取代同步檢波器中的解調(diào)帶通濾波器，可以檢測(cè)出電壓閃變信號(hào)的突變時(shí)間，包絡(luò)信號(hào)中的各個(gè)頻率分量及其幅度。但這種方法具有對(duì)信號(hào)所需采樣數(shù)據(jù)多，運(yùn)算量大，檢測(cè)突變故障信號(hào)的故障時(shí)刻延時(shí)較大等特點(diǎn)，因而在采用小波多分辨率信號(hào)分解時(shí)，必須尋求快速小波函數(shù)及其相應(yīng)小波變換。
    另外，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于隨機(jī)理論和導(dǎo)納矩陣的隨機(jī)電壓閃變功率潮流法，這種方法可以計(jì)算出每條母線的最大電壓波動(dòng)值和閃變值，也能檢測(cè)出閃變?cè)磳?duì)系統(tǒng)電壓的沖擊，但這種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的難度。
1.2 閃變值的獲得
    閃變是由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，所引起的燈光閃爍對(duì)人眼視覺(jué)產(chǎn)生刺激的響應(yīng)。它不僅和電壓波動(dòng)大小有關(guān)，而且和波動(dòng)的頻率(即對(duì)工頻電壓的調(diào)幅頻率)、照明燈具的性能及人的視感因素有關(guān)。因此，要獲得閃變值，就必須在取得電壓波動(dòng)信號(hào)mcos(Ωt)的基礎(chǔ)上，根據(jù)人眼視感度曲線進(jìn)行相應(yīng)的處理。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)依據(jù)1982年國(guó)際電熱協(xié)會(huì)(UIE)的推薦，給出了檢測(cè)電壓閃變的設(shè)計(jì)規(guī)范，其框圖如圖2所示。

    框1為輸入級(jí)，實(shí)現(xiàn)把不同等級(jí)的電源電壓降到適合于儀器內(nèi)部電路的電壓值，此外也能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制波用于儀器的自檢?？?、3、4綜合模擬了燈－眼－腦環(huán)節(jié)對(duì)電壓波動(dòng)的反應(yīng)。其中框2反應(yīng)燈光強(qiáng)度與電壓的關(guān)系，給出與調(diào)制波幅值成線形關(guān)系的電壓，具體參考前面調(diào)幅波的檢測(cè)；框3的帶通和視感度加權(quán)濾波器反應(yīng)了人眼對(duì)不同頻率的電壓波動(dòng)的敏感程度，通頻帶為0.05～35Hz；框4包含一個(gè)平方器和一個(gè)一階低通濾波器，用來(lái)模擬人腦對(duì)光強(qiáng)變化的非線性響應(yīng)和存儲(chǔ)響應(yīng)，框4的輸出S(t)反應(yīng)了人的視覺(jué)對(duì)電壓波動(dòng)的瞬時(shí)閃變視感度。然后對(duì)S(t)作不同處理可以反映電網(wǎng)電壓的閃變情況[5,6]?？?為閃變的統(tǒng)計(jì)分析，即根據(jù)框4輸出的S(t)進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)分析或?qū)⑵漭敵鰹V波做離線統(tǒng)計(jì)分析求得并輸出短時(shí)閃變嚴(yán)重度Pst。
    根據(jù)此原理和框圖，可以設(shè)計(jì)出模擬式閃變檢測(cè)儀和數(shù)字式閃變檢測(cè)儀。模擬式閃變儀由于采用芯片實(shí)現(xiàn)濾波電路，具有處理速度快等特點(diǎn)，但對(duì)硬件電路要求較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜；數(shù)字式檢測(cè)儀濾波運(yùn)算采用軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較靈活。

2  電壓波動(dòng)與閃變的抑制
    目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置，它們也都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能[6-9]，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)，有源濾波器(APF)，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器等。下面分析比較這些裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變方面的作用。
2.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)
    電壓閃變是電壓波動(dòng)的一種特殊反映，閃變的嚴(yán)重程度必將與負(fù)荷變化引起的電壓變動(dòng)相關(guān)，電壓變動(dòng)量通常按下式計(jì)算：
 
    式(1)中,ΔP、ΔQ分別為評(píng)價(jià)母線上電力負(fù)荷有功、無(wú)功變化量；R、X為從電源到評(píng)價(jià)母線段供電系統(tǒng)等值電阻和電抗；UN為評(píng)價(jià)母線額定電壓。 在10KV以上系統(tǒng)中，由于R遠(yuǎn)小于X，故有
  
式(2)中，SK為評(píng)價(jià)母線上的三相系統(tǒng)短路容量。
    式(2)表明，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動(dòng)主要與無(wú)功負(fù)荷的變化量以及電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。在電網(wǎng)短路容量一定的情況下，電壓閃變主要是由于無(wú)功負(fù)荷的劇烈變動(dòng)所致，因此對(duì)于電壓閃變的抑制，最常用方法是安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)，目前這方面技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無(wú)源濾波器并聯(lián)使用，實(shí)際運(yùn)行時(shí)有可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴(yán)重放大。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要求采用具有短的響應(yīng)時(shí)間、并且能夠直接補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功沖擊電流和諧波電流的補(bǔ)償器。
2.2 有源電力濾波器(APF)
    對(duì)于非線性沖擊性負(fù)荷，在幾個(gè)周波的時(shí)間內(nèi)，其電流可能出現(xiàn)相當(dāng)大的波動(dòng)，引起電壓閃變。因此，要抑制電壓閃變，必須在負(fù)荷電流急劇波動(dòng)的情況下，跟隨負(fù)荷變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功電流。近年來(lái)采用電力晶體管(GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器，可對(duì)負(fù)荷電流作實(shí)時(shí)補(bǔ)償，如圖3所示。有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件和基于坐標(biāo)變換原理的瞬時(shí)無(wú)功理論進(jìn)行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只須向負(fù)荷提供正弦的基波電流。

    有源電力濾波器與普通SVC相比[10]，有以下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)電壓波動(dòng)、閃變補(bǔ)償率高，可減少補(bǔ)償容量；沒(méi)有諧波放大作用和諧振問(wèn)題，運(yùn)行穩(wěn)定；控制強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)控制電壓波動(dòng)、閃變，穩(wěn)定電壓作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補(bǔ)償功率因數(shù)。
    我國(guó)雖然在理論上取得了一定的進(jìn)展，但由于多方面條件的限制，至今未有并聯(lián)型有源電力濾波器正式用于實(shí)際。而在日本和美國(guó)，已普遍使用有源電力濾波器來(lái)抑制電弧爐等引起的電壓閃變。
2.3 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器
    由式(1)知，在中低壓配電網(wǎng)中，由于R與X相差不大，有功功率的快速波動(dòng)同樣會(huì)導(dǎo)致電壓閃變，這就要求補(bǔ)償裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變時(shí)除了進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償使供電線路無(wú)功功率波動(dòng)減小外，還得提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償。因而傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償方法不能有效的改善這類電能質(zhì)量問(wèn)題，只有帶儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置才能滿足要求。
    動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，其接法是將一個(gè)由三單相電壓源變流器構(gòu)成的三相變流器串聯(lián)接入電網(wǎng)與欲補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷之間[11-13]。這里逆變器采用3個(gè)單相結(jié)構(gòu)，目的是為了更靈活地對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行控制，并提供對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱情況的補(bǔ)償。該裝置的核心部分為同步電壓源逆變器，當(dāng)線路側(cè)電壓發(fā)生突變時(shí)，DVR通過(guò)對(duì)直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，再通過(guò)變壓器與原電網(wǎng)電壓相串聯(lián)，來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的跌落或抵消系統(tǒng)電壓的浪涌。由于DVR通過(guò)自身的儲(chǔ)能單元，能夠在ms級(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差[2]，可用于克服系統(tǒng)電壓波動(dòng)對(duì)用戶的影響，因此是解決電壓波動(dòng)、不對(duì)稱、諧波等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題的有效工具。至今西屋公司、西門(mén)子公司和ABB公司都已研制出該類裝置，并已取得良好的運(yùn)行效果[10]。

    由DVR裝置的結(jié)構(gòu)圖可以看出，它起了將系統(tǒng)與負(fù)荷隔離的作用，是面向負(fù)荷的補(bǔ)償裝置。該裝置僅對(duì)特定負(fù)荷加以補(bǔ)償，所以其容量?jī)H取決于負(fù)荷的補(bǔ)償容量和要求的補(bǔ)償范圍。目前大部分DVR裝置的直流側(cè)采用電容來(lái)提供直流電壓，只能提供有限的能量，若要求DVR長(zhǎng)時(shí)間提供電壓補(bǔ)償，則必須讓DVR輸出的電壓和電流垂直，這樣DVR裝置不提供有功，只進(jìn)行無(wú)功交換，可以滿足長(zhǎng)期工作的要求。
2.4 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其它補(bǔ)償裝置
    統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPFC)結(jié)合了串、并聯(lián)補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)，具有對(duì)電壓、電流質(zhì)量問(wèn)題統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)墓δ?，屬于綜合的補(bǔ)償裝置。如文獻(xiàn)[14]提出的含有儲(chǔ)能單元的串、并聯(lián)組合的用戶電力綜合補(bǔ)償裝置，該裝置除了應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償外，還可以解決瞬時(shí)供電中斷和電壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問(wèn)題，提高供電的可靠性。
    另外，除了前面的所介紹的補(bǔ)償裝置外，靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)也能抑制電壓波動(dòng)和閃變。該系統(tǒng)通過(guò)控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來(lái)靈活控制系統(tǒng)潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩(wěn)極限，能提高輸電系統(tǒng)輸送容量。目前主要的FACTS有：靜止無(wú)功補(bǔ)償器(STATCOM)，晶閘管投切電容器型(TSSC)，可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器(TCSC)等。根據(jù)前面的式(2)知，在10KV以上系統(tǒng)中，通過(guò)FACTS改變線路電抗能減小電壓波動(dòng)，特別是并聯(lián)補(bǔ)償裝置----STATCOM，通過(guò)與系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率交換，以維持線路電壓恒定，因此是抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)、閃變和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性特別是電壓穩(wěn)定性的有力工具。

3  結(jié)論
    在輸電和配電系統(tǒng)中，由沖擊性功率負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(PCC)傳遞到電網(wǎng)其它饋電線路上危害其他用戶的電氣設(shè)備，給配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染。因此，需加強(qiáng)對(duì)電壓波動(dòng)和閃變的監(jiān)測(cè)與控制。本文論述了電壓波動(dòng)和閃變的常用檢測(cè)方法，比較分析了幾種常用的改善電壓波動(dòng)和閃變的補(bǔ)償裝置性能特點(diǎn)。這些研究，對(duì)研制閃變檢測(cè)儀器或采取電壓波動(dòng)抑制措施，具有借鑒和參考價(jià)值。