电气工程及其自动化毕业设计-配电网中电压波动和闪变的分析与检测.doc

1、i本科毕业论文（20 届）配电网中电压波动和闪变的分析与检测所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .IAbstract.II1 电压波动与闪变的背景及研究现状 .11.1 研究的背景 .11.2 电压波动与闪变检测技术的研究现状 .22 电压波动与闪变的定义及特性指标 .22.1 电压波动与闪变的概念 .22.1.1 电压波动 .22.1.2 闪变 .42.2 电压波动与闪变的特征量 .42.2.1 闪变觉察率 F(%)与瞬时闪变视感度 S(t).42.2.2 视感度系数 K (f) .62.2.3 灯一眼一脑环节的传递函数 .72.2.4 短时间闪变水平

2、值 Pst .82.2.5 长时间闪变水平值 Plt .83 闪变的发生和影响及其危害 .93.1 闪变的发生和影响 .93.2 电压闪变的主要来源 .93.3 闪变的危害 .104 电压波动和闪变的抑制与检测 .114.1 电压波动与闪变的抑制 .114.1.1 提高供电能力 .114.1.2 改善用电设备特性 .114.1.3 补偿装置 .114.2 检测方法分析 .124.2.1 平方解调检波法 .124.2.2 全波整流检波法 .134.2.3 半波有效值检波法 .134.2.4 小波变换 .144.2.5 Teager 能量算子检波法 .154.2.6 Hilbert 检波法 .16

3、5 IEC 闪变仪的仿真 .165.1 仿真的介绍 .165.2 仿真结果 .185.3 仿真结果分析 .215.4 IEC 闪变仪的数字化实现 .226 总结与展望 .22参考文献 .23致谢 .24iiiContentsAbstract.II1 Research background and status.11.1 Research background.11.2 Research status of voltage fluctuation and flicker detection .22 Definitions and basic concepts.22.1 Definition of

4、 voltage fluctuations and Voltage flicker .22.1.1 Definition of voltage fluctuations.22.1.2 Voltage flicker.42.2 Feature quantity of voltage fluctuations and flicker .42.2.1 Flicker sensation rate and instantaneous flicker sensation level .42.2.2 Frequency characteristic coefficient of sensation lev

5、el K(f).62.2.3 The transfer function of lamp-eye-brain .72.2.4 Short-term severity Pst .82.2.5 Long-terns severity Plt .83 Harm and influence of Voltage Fluctuation and Flicker.93.1 Influence of Voltage Fluctuation and Flicke .93.2 Source of Voltage Fluctuation and Flicker .93.3 Harm of Voltage Fluc

6、tuation and Flicker .104 Suppression and detection of Voltage Fluctuation and Flicker.114.1 Increase power supply capacity .114.1.1 Increase power supply capacity.114.1.2 Improving characteristics of electrical equipment .114.1.3 Compensation device .114.2 Overview of the Voltage Fluctuation and Fli

7、cker Detection Method .124.2.1 Square detection method .144.2.2 Rectifier detection method .134.2.3 RMS detector method.154.2.4 Wavelet Transform.164.2.5 Teager detection method .154.2.6 Hilbert transform detection method .165 IEC flicker meter emulation .165.1 Introduction of the simulation.165.2 R

8、esults of tne simulation.185.3 Analysis of simulation results.215.4 The digital realization of IEC flicker meter.226 Summary and prospects .22References .23Acknowledgment .24I配电网中电压波动和闪变的检测与分析摘要：电能质量诸多指标中，电压波动与闪变是较为重要的。它主要是供电系统中冲击性、不平衡的用电特性以及部分负荷的非线性引起的 。闪变作为评定电能质量的重要指标，能更加直接和迅速地反映电网的供电质量。有功功率的波动对电网

9、电压的影响较小。一般来讲，抑制电压波动和闪变应该以控制并联无功功率补偿为重点。本文比较了传统常用的抑制电压波动与闪变无功补偿装置以及一些符合国际标准和国家标准的电压波动与闪变的常用检测方法。对电压波动和闪变的检测方法进行了理论分析和研究并在 Matlab/Simulink 环境下对 IEC 推荐的闪变仪进行了模拟和仿真。关键词:电压波动；电压闪变；IEC 闪变仪；抑制IIDetection and Analysis of Distribution Network Voltage Fluctuation and Flicker Abstract Voltage fluctuation and f

10、licker of electric energy quality is important as long as one of them. It is mainly caused by the impact resistance, non-linear load in power supply system. The normal operation of the sensitive load will be affect by the Voltage fluctuation. As an important indicator to assess power quality, flicke

11、r can reflect the quality of the power grid more directly and quickly. Generally, the fluctuation of active power affects the grid voltage smaller, the suppression of voltage fluctuation and flicker should focus on to control parallel reactive power compensation. In this paper, the conventional supp

12、ression voltage fluctuation and flicker compensator and some common detection methods of voltage fluctuations and flicker which are in accordance with international and national standards are compared. This paper has done some theoretical analysis and research to voltage flicker detection methods. T

13、hen simulated the flicker detection method recommended by IEC of analog systems in Matlab/Simulink environment .Keywords:Voltage Fluctuation;Voltage Flicker;flicker measuring apparatus recommended by IEC;suppression11 电压波动与闪变的背景及研究现状 1.1 研究的背景随着电力事业日新月异的发展,造成电能质量问题的原因也发生了比较大的变动，由以前主要来自于系统侧的电能质量问题转化为

14、现在负荷端成为电能质量恶化的重要因素。近年来，电网中的冲击性负荷(尤其是大功率的非线性负荷)和新型的电子电器越来越多,电力电子技术的应用也逐渐普及开。出现了大量的相电压不平衡、谐波、闪变及电压波动等电能质量问题。经由欧盟一莱昂纳多电能质量工作组和美国电力科学院调查研究后得出常见的电能质量问题有谐波畸变、电压暂降、供电可靠性差、电压闪变等,而国际供电会议组织和国际大电网组织的联合工作组评估发现电压闪变对各类电子电气设备的危害在上述导致电能质量劣化的因素中高居第二位 1。其严重影响了供配电电网、电气和电子设备的正常稳定运行,并且对电力用户的正常用电和生产造成威胁。 一直以来,由电能质量下降引发的问

15、题与事故呈现出上升的态势。研究表明,电能质量劣化的主要原因在于配电网系统,其中电压偏差与跌落、工频变化、电压波动与闪变已成为影响供电可靠性和用电终端正常稳定运行最严重的问题之一。根据数据统计分析,具有较高自动化能力的企业工厂每年大约会遭受 l0 50 次的电压波动干扰（这些干扰直接关系电能质量的问题）。由于动态电压质量问题（主要是指电压波动和闪变）而造成的事故数约占总数的 83 %。电压波动和闪变已经严重威胁用户端电能质量和电网供配电可靠性,因此要积极采取相关措施和设备对它进行有效的监视与抑制 2。所以，研究电压波动与闪变、积极采取措施保证电能质量已引起国内外学术界和工程界的高度关注。 电压波

16、动与闪变常常会造成电力电子仪器及相关设备的非正常运行或故障,具体表现这几个方面： （1）会导致硅整流器或其他一些电工设备出现波动，引发换流失败等问题；（2）电视机图像出现垂直和水平两个方向的摆动、画面亮度不断跳跃变化；（3）电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量，特别是精密产品的质量；（4）电子仪器（例如 X 光机、示波器等）、电子计算机、自动控制设备等工作不正常；（5）影响一些对电压波动反应比较灵敏的工艺、仪器和实验；（6）它会对感性电度表表盘的转速和作用力矩产生影响，导致其表盘出现阶跃式地转快。为了保证我国电能质量、供电可靠性及减小电压波动和闪变的危害，自 1990 年以来，我国相继出台

17、了六项电能质量的国家标准。它们分别为:电能质量供电电压允许偏差（GB 12325-1990）、电能质量电力系统频率允许偏差（GB/T 15945-1995）、电能质量三相电压允许不平衡度 （GB/T 15543-1995）、电能质量 电压波动和闪变（GB 12326-2000）和 电能质量瞬态过电压与暂时过电压（GB/T 18481-2001） 3。这些标准的实施，对供配电电网的电压波动和闪变的抑制具有意义深远的作用，有力的推动电压波动和闪变治理工作的开发、相关标准的统一修正和有关检测装置和方法的创2新。长期以来，在贯彻标准进行实践中不断积累相关经验，同时在认识到原来的标准中存在一些问题的基础

18、上不断地改善。例如原来的标准中很少涉及干扰源指标的预测计算和分配办法，其中的“ 闪变 ”指标是在 10 Hz 等效闪变值 (Vn)的基础上制定的。此标准中110V 的照明电压与我国的照明电压的 220V 电压有很大区别。这个标准和欧洲的大多数国家接近，因此很多国家采用了国际电工委员会(IEC)标准。IEC 标准中用长时间闪变值(Plt)和短时间闪变值(Pst)两个指标衡量“闪变”程度，该标准的准确性和普及的广泛性都比Vn 要好。闪变会对人体的生理造成很大的危害，影响正常的工作、学习和生活，造成不良的社会影响。发达国家已将电压闪变作为一个十分重要的电能质量指标，我国也已采取对策加以抑制。随着全球

19、化的发展和文化科技等沟通交流的改善和加深,国家标准与国际先进标准统一已经成为不可阻挡的大趋势。1.2 电压波动与闪变检测技术的研究现状鉴于电能质量问题会对敏感负荷造成严重的影响，引起巨大的损失。采取有效的措施改善电能质量抑制闪变等现象已经成为重要问题。电压波动是指工频电压方均根值的一系列相对快速变动的现象 4。对于电压波动与闪变的测量方法包括很多方面，主要有测量仪器、测量方法以及结果的评价分析。在刚开始研究闪变的阶段，仅是采用预估的方法对闪变进行测量。对类似于电弧炉等功率值大、冲击性强且功率因数小的负荷是否接入电网运行的闪变预测法称为闪变预估。对下一种波动性负荷投入运行后对公共供电点引发的电压

20、闪变幅度的变化，利用这种方法可得到大致的预估。主要分为互降常数预测方法、最大无功功率变动量预测法和短路压降法 5。从电压波动和闪变的角度，根据上述方法在电力系统能接受的情况下可以预估波动性负荷接入电网的情况，但没有办法确切地预估电力线路( 大功率波动性负荷运行)中电压闪变值的大小。2 电压波动与闪变的定义及特性指标2.1 电压波动与闪变的概念随着社会的发展，电压波动与闪变的概念也有了进一步的完善和发展。了解它们的概念也成为研究它们的基础。2.1.1 电压波动供电系统的理想状态应满足三相交流电源对称、电压均方根值恒定，且负荷特性不依赖电网系统的电压稳定性。因此必须保证用户负荷分配的三相电压平衡，

21、以恒定的功率持续吸收电能，又要保障公共连接点具有非常大的短路容量，且系统等值的电抗为零。但在实际操作运行中，这些条件都得到满足是很难保证的。而且供电系统电压是一个瞬态值，一直会有小幅值的波动。因此，我们把电压的均方根值不能保持恒定不变的现象称之为电压波动 6。供电电压在两个相邻的、持续一定时间(一般为 1 秒以上)的电压方均根值 U1 和 U2 之差称为电压变动。在间隔时间不超过 30ms 条件下,当出现同一方向的二次或二次以上的若3干次电压方均根值变动时,只能算一次变动 7。也可以理解为,在同一方向小于 30ms 快速的电压变化可以不计入电压变动，通常用额定电压 Un 的百分数来表示 电压变

22、动相对百分值 d(%)即（2-%10102NNUd1）电压变动频度为单位时间内电压变动的次数;，一般以 1/s, 1/min 或 1/h 时间单位的倒数为单位。但若是从严格意义出发，则仅有正弦波周期 T(s)的倒数才可以称为频率 f (Hz) 例如：像周期为 T(s)的三角波或矩形波的波形，可以将它们的周期 T(s)的倒数称为此波形的频率 f(Hz)。实际上是指上述波形中存在的基波分量的频率。根据电压变动频度的定义，频率与频度的关系为：（2-120min)/()/()rsHzf2）电压偏差与波动、短时电压中断、下降和上升及长时电压中断等都属于电压变动现象。只有满足频度和幅值变化条件的周期性或随

23、机性的电压变动才能称为电压波动。 电压波动(Voltage Fluctuation)为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。是由冲击性负荷变化引起的、与额定值有明显偏离的电压的快速变动。其经常使用相对电压变动量这一指标描述。电压波动值是最大和最小电压方均根值 Umax 和 Umin 之差U 与额定电压 Un 的百分数（%）来表示它的相对百分数的值，即（2-10minaxNUd3）电压波动的波形是以峰值电压包络线或者是电压的方均根值作为时间的函数。在理解时可以将工频电压抽象地看作载波，将波动电压 v 看作调幅波。4图 2-1 波动电压 v 对工频电压峰值的调制在图 2-1 中，v 为正弦波

24、的波动电压（10Hz 的正弦调幅波）；u 为 50Hz 的瞬时值电压（作为载波）；对电网频率为 50 Hz 的工频载波电压 u 的峰值，用它进行调制。在图2-1 中，虚线表示的横坐标等效为工频载波电压的峰值平均电平线，v m,表示正弦调幅波的幅值，d 表示 v 峰和谷的差值，即峰一峰值，V 为 v 在以 T 为周期的时间内的方均根，都是以额定值 UN 的百分数 d（%）表示。一般电压波动的量度以 d 为指标。应当注意的是，u 为工频载波（50Hz ）， v 为正弦调幅波（10Hz ）。 vm,、 d 和 V 的区别在于单一频率的正弦调幅波 v 加在工频载波电压 u 的稳态情况下:v m 为调幅

25、波峰值;d 为调幅波峰一峰值， 也就是 d=2vm，其中 V 是调幅波 v 方均根值：V= V2.8V。22.1.2 闪变电压闪变可以理解为电压波动的一种特殊情况。闪变本来是指供电电压幅值较小的频繁变化引发的电光源照度的改变或亮度的闪烁，使人视觉疲劳进而产生不舒服的感觉。如今，“闪变”的含义包含了电源电压的波动对一些敏感设备造成的影响。而根据国家标准电能质量电压波动和闪变中的定义，闪变是灯光的输出照度不稳定造成的视感上的反应。闪变是和电压波动联系在一起的一个概念。直观地来讲，闪变反映的是因电压波动而引起的人眼对照明装置、家电等发光器件的主观不适程度。严格意义上来讲，电压波动不能由闪变来替代，同

26、样闪变也不能由电压波动替代。虽然闪变的含义现如今已经得到很大的延伸，一些敏感设备对电源电压的变化也会产生效应进而造成不良的影响。现代意义上的闪变造成的危害包括电压波动造成的危害，所以电压波动是不能用来代替闪变的，因为闪变是人对照度波动的主观视感 8。所以，我们常常把电压波动和闪变概念一起研究，也习惯于用电压闪变的术语来阐明电压波动问题。通常，对于电压波动的敏感度来说，日光灯、电视机等设备要远低于白炽灯，且几乎在每个建筑的照明光源中，都有比例相当大白炽灯，若电压波动的幅度5不足以使白炽灯闪烁，则日光灯、电视机等设备的运行一定也不会受到影响。因此衡量电压波动危害程度的评价指标是白炽灯光照受影响的程

27、度。需要注意的是闪变不属于电磁现象而是电压波动引起的不利影响。决定闪变的主要决定因素有以下几条：（1）电压波动时波形、幅值和频度存在的差异。（2）照明设备中电压波动对白炽灯照度波的动影响最大。（3）由于不同的人视感会存在差异。人对闪变的主观视感要对被观察者作相关的抽样调查。由于很多因素决定这闪变程度，而且各个国家和地区电力系统的电压幅值和频率各不相同，照明装置的型号和功率也存在很大差异。在国际电工委员会(ICE)和国际电热协会(UIE)沟通协调下，闪变的国际电工标准开始逐渐趋于统一 9。2.2 电压波动与闪变的特征量2.2.1 闪变觉察率 F(%)与瞬时闪变视感度 S(t)人的视觉反应对闪变的

28、敏感度存在差异，为了进一步探索这一内容，IEC 建议用频度、幅值和波形各不同的工频电压以及调幅波为载波向工频电压为 230v、 功率为 60w 白炽灯提供电能，从观察者的抽样调查中总结出，闪变觉察率 F(%)的表达式为：（2-%10DCBAF4）式中: A无察觉人数；B稍有察觉人数；C有很显著察觉人数；D 一无法承受人数。照度波动（由电压波动引起）对人主观的视觉反应称之为瞬时闪变视感度(instantancous flicker sensation level)。一般来说，规定瞬时闪变的视感度的衡量单位为闪变觉察率的 50%，对应称之为 S(t)= 1，觉察单位(unit of perceptibility) 。在这个觉察单位之下，不同波动频率所对应的电压波动值 d(%)。如表 2-1 所示，它可以用来帮助研究闪变的相关问题。表 2-1 S（t ）=1 时的电压波动电压波动 d（%）频率 f（Hz）频度 r（min-1） 正弦波 矩形波波形因数R（f)视感度系数K(f)0.5 60 2.340 0.541 4.55 0.1071.5 180 1.080 0.432 2.50 0.2312.0 240 0.882 0.401 2.20 0.2832.5 300 0.754 0.374 2.01 0.33