第四章电压波动与闪变课件.ppt

第四章 电压波动与闪变VOLTAGE FLUCTUATIONS AND FLICKER,电压变动的基本概念,1. 电压变动的定义 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，统称为电压变动（Voltage-RMS Change）。,电压变动值计算,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,稳态电压变动值,最大电压变动值,动态电压变动值,电压标称值,电压变动的分类及类型介绍,3. 电压变动的细划分类 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 根据变动规律与特点（快慢、大小、频次和持续时间）又作如下分类：,电压变动细化分类图,1）跌落幅值2）持续时间3）发生次数,应注意的几个问题,正周期与半周期的RMS计算采用均方根值的理由1）特别强调RMS，是为了注意与瞬时值电压情况区别。2）有效值与均方根值的应用差别3）额定值和标称值的区别,电压变动的基本概念,2电压(rms)变动的原因无功功率不平衡 即使系统供端电压幅值保持恒定，由于无功功率不足，当负荷吸收的无功功率增大时，就会引起负荷受端母线上的电压下降。,电压变动的基本概念,进一步推导有在工程计算中，上式中各参量单位规范为 PCC点电压标称值（ ） ， 系统等值电阻和电抗（ ） 负荷汲取的有功功率和无功功率变化量（ ） PCC点短路容量（ ） 通常在中压和高压电网中，等值电阻远小于其等值电抗，一般 1，供电母线电压变动百分值计算公式可近似简化为,电压变动的基本概念,从上式我们可以很清楚了解到，电压波动值与负荷的无功功率变动量成正比，与公共连接点的短路容量成反比。这是计算电压变动的基本公式。它从物理意义上反映了供电电压发生变动的根本原因。在实际运行中，由于波动性负荷功率因数低，无功功率变动量相对较大，并且功率变化过程快，所以波动性负荷是引起电压波动的主要原因。,电压变动分类及衡量电压质量的常用指标,1). 电压偏差（Voltage deviation)： 在一定的电网参数下，由于总负荷或部分负荷的运行状态或特性的改变，以及变压器分接头调节和电容器/电抗器投切等，所需无功功率与供电网提供的无功功率不相平衡，供电电压出现持续性偏离运行标称值。电压偏差为实测电压与额定电压差值的相对百分数： 电压偏差（%）=(实测电压-标称电压)/标称电压*100 （%） （实际计算时，取10分钟的平均值，并规定取一周内95%概率统计）。,电压变动的特有形式电压波动,2). 电压波动(Voltage fluctuation)： 由于部分负荷在正常运行时出现冲击性功率变化，造成实际电压在短时间里较大幅度波动，并且连续偏离额定电压，所以也称为快速电压变动。电压波动值为一系列电压有效值的两个极值之差，且用其相对值的百分数表示： 通常以 d 的大小作为电压波动的量度。,引起电压波动的原因功率波动性负荷,根据用电设备的工作特征和对电压特性的影响，波动性负荷可分为两大类型：（1）轧钢机和绞车等负荷的电动机频繁启动和焊机等负荷的间歇通电，会引起时常电压波动，并且是有一定规律的周期电压波动；（2）电弧炉等波动性负荷则会引起供电点出现连续电压波动，并且是无规律的随机电压波动。,电弧炉引起电压波动录波图,电压变动的其它类型,3)短时间电压变动：短时间电压中断 当电压迅速下降，且跌至 0.1p.u，经一段时间(数周波1分钟)后又恢复到标称值，称为短时间电压中断。关于电压暂降和短时间电压中断等问题将在本讲义第五章中专题介绍。,电压变动的其它类型,电压暂降与暂升(Voltage sags, swells)： 当系统或设备发生短路故障,或由于大容量设备工作启动，可能造成母线电压迅速下降，且跌幅很大，后随即回升，其典型持续时间为0.5-30周波，下降幅度为0.9-0.1p.u（IEC规定为10ms-1s，0.01-0.9 p.u）。又称为短时欠电压。反之，由于其他相发生短路故障或由于甩负荷，造成母线电压骤升，后随即下降，称为电压暂升或凸起,也称为短时过电压。这种电压变动现象是近年来国际电工界十分关注的。,SLG故障引起的电压暂降、暂升、短时间中断录波图,电压变动的其它类型,4)长时间电压变动（）持续电压中断（需要人工应急处理并迅速恢复正常供电）；（）欠电压和过电压；5)停电 有分析认为，由于预知的电气设备计划检修或更换，或由于工程设计不当、电力供应不足造成的，它不属电能质量问题，而是并把它归为供电工程质量问题， 预知的电气设备计划检修或更换时间和故障人工恢复时间在传统供电可靠率中是被计入的。,电压变动的其它类型,6). 偶然电压变动：由于存在着一种电压快速变动和较短暂持续时间的电压变动现象，如瞬时过电压与暂态过电压等。新近还提出偶然电压变动事件，甚至称之为暂态电压质量概念（注：暂态一词多用于描述两种稳态现象之间的变化过程，用于电能质量问题似乎并不妥当）。由于本章所讨论的是正常运行状态下电压的变动，在以下分析中不包括此种现象。,电压波动(Voltage fluctuation),1、电压波动的含义 由于功率波动性负荷的用电特点，引起供电母线电压均方根值的一系列快速变动或连续改变的现象（其变化周期大于工频周期，相对于电压偏差现象又称为快速电压变动）。这种现象将对周边其他负荷正常运行造成危害和影响。其中最突出的是引起照明亮度的闪烁和对人视觉的影响。,电压变动的特有形式电压波动,2、电压波动的表示 为具体描述造成实际电压在短时间里较大幅度变动的特征，将一系列电压变动值中的相邻两个极值之间的变化称为一次电压波动，把两个相邻极值之差称为电压波动值（或波动大小）。 实际上，电压波动表现为严重连续偏离额定电压，因此用一系列电压方均根值的两个极值之差，且用其相对值的百分数表示： 通常以 d 的大小作为电压波动的量度。,3、电压均方根值曲线（电压变动特性）,沿时间轴对被测电压每半个周期求得一个方均根值并按时间轴顺序排列的时间函数曲线。见P90，图43 在电能质量标准化中，根据常见的变化规律，电压变动特性曲线一般表现为4种形式：见P89，图42另外一种描述方法电压瞬时值的包络线：可将其视为由恒定不变的工频电压载波，和由波动电压调幅波调制组合而成。,电压变动特性曲线整合为以下四种基本形式,（a）周期性等幅矩形电压变动,（b）一系列不规则时间间隔阶跃电压变动,（c）非全阶跃式可明显分离的电压变动,（d）一系列随机的或连续电压波动,图4-2电压波动图形示例,t,U,d,t,U,t,U,t,U,被观察电压方均根值的示意性图形,t,t,0,（a）相对电压变动特性,（b）调幅波变化曲线,图4-3 电压波动示意图,v,RMS的调幅波电压v,RMS的调幅波电压v,低频（10Hz）正弦调幅波的变化,4、电压波动的频度（频次）,如上所述，电压波动的频度是分析电压方均根值变化特性的另一个重要指标。我们把单位时间内电压波动的次数称为电压波动的频度 ，一般以分或秒作为频度的单位。例如图44所示的10Hz波动电压，其电压波动值为调幅波的峰谷差值，波动频度为20次/秒。因此，电压波动的频度为调幅波频率的2倍，或表示为，,5、 波动性负荷对电压特性的影响,引起电压波动的原因很多，短路故障、开关操作、大型负荷启动等均能导致供电电压波动。但是，在电能质量问题中更多关注的是频繁发生并且持续时间较长的电压波动现象。因此，重点关注功率冲击性负荷（电铁、电弧炉等，功率因数低，无功变动量大，变化过程快）对电压特性的影响。两种主要类型已如前述。波动性负荷的三种典型接线方式需要了解：见P9193练习：详细推导三种典型负荷接线下的电压波动值计算公式。,6、电压波动限值,国标中以典型的电弧炉负荷为对象设定了电压波动的极限值（实际上，电压波动限值很少考核，而代之以闪变值作为主要指标）。,表4-1 各级电网电压波动限值,闪变(Flicker)概念与定义,1. 基本定义 电压波动会引起部分电气设备不能正常工作。一般来说，对电子计算机和控制设备不需要特别去关注，而在商用和民用建筑的照明设备中，白炽灯占有相当大的数量，电压的波动会造成白炽灯光明显闪烁，严重时使人眼难以忍受，为此，选白炽灯的工况作为判断电压波动值是否能被接受的依据。由电压波动造成灯光的闪烁，其专业术语称之为闪变（有时也称为电压闪变Voltage Flicker）。因此说，闪变是电压波动引起的有害结果，是指人对照度波动的主观视感，它不属于电磁现象。严格讲用电压闪变这一术语从概念上是混淆的。,闪变概念与定义,2 . 闪变觉察率F（%） 根据IEC推荐的实验条件，采用不同波形、频度、幅值的调幅波工频电压为载波向工频230V、60W白炽灯供电照明，并对观察者的闪变视感实验进行统计可得到有明显觉察和难以忍受者的数量占观察者总数量的比，即 (4-25)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。 如果该比值超过50%，说明半数以上的实验观察者有明显的或难以忍受的视觉反映，若把F（%）大于50%定为闪变限值，则对应的电压变动值为该实验条件下电压波动允许值。,闪变概念与定义,3. 瞬时闪变视感度S（t） 为表示人对照度波动的瞬时主观视觉反应，常用闪变强弱的瞬时值变化来描述，称为瞬时闪变视感度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F=50%为瞬时闪变视感度的衡量单位，对应为S=1觉察单位，换言之，若S1（觉察单位）为闪变不允许值。（注： S1（觉察单位）对应有电压波动限定值，但表现为非线性多元关系，一般不能简单地用波动值等效表示）。参见P99，日本的闪变视感度系数公式429.,闪变概念与定义,4. 视感度-频率特性K(f) 通过闪变实验研究，还可得到人的视觉对照度波动的频率特性，可概括为：（此时以调制波的频率为单位给出，它是波动频次的12）：闪变的觉察频率范围：125Hz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）闪变的敏感频率范围：612Hz闪变的最大敏感频率：8.8Hz为了从本质上认识电压波动引起的人对照度波动的频率特性，引入了视感度系数K(f)，它是在觉察单位下，最小电压波动值与各频度电压变动值的比,闪变概念与定义,不难看到，在S=1（觉察单位）时，对应闪变的最大敏感频率8.8Hz有电压波动d(%)最小值（如表42中，8.8Hz对应有电压波动值d(%)最小，为0.250。所以有，K（f）=1。图48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频率特性曲线。,这是一条很有价值的实验曲线。,闪变概念与定义,5. 波形因数R（f） 不同波形的调幅波引起的闪变效果也不同。对两种典型波动电压做比较，给出波形因数如下式: 对矩形和正弦调幅波电压比较可知，以最大敏感频率8.8Hz为对比起点，当频率9Hz时，矩形波的谐波比其基波对闪变影响更大（S1条件下，其电压波动值小于正弦波）。问题：仅以矩形波和正弦波为例分析，为什么当频率9Hz时，矩形波的谐波对闪变的影响会变小？,闪变概念与定义,例如频率在1Hz时，查表42后可计算出波形因数： R（f）=1.43/0.47=3.04（意味着同样影响下矩形波对应的电压波动值更小）。 反之当频率9Hz时，R（f）约等于1.27不变，说明矩形波所含频次（n*9Hz）谐波比其基波(9Hz)对闪变影响要小。由实验得到的视感度S=1觉察单位的电压波动数据（见表42）还可描绘出两种波动电压波形与频度的关系曲线，如图49所示。,两种波形的电压波动与频率关系曲线闪变曲线,dmaxU/U（）,0.1,1,10,100,10000,r（min-1） r（s-1）,10,1,0,图4-9 S=1觉察单位的电压波动与频率的关系曲线,单位闪变（Pst=1）,S=1察觉单位的矩形电压波动,S=1察觉单位的正弦电压波动,8.8Hz/s,1056/120s,闪变视觉系统模型,6 . 灯眼脑反应链的数学描述 从对闪变视感机理的理论分析和本质认识出发，寻求一种较为严谨的数学表述方法是必要的。基本思路： 1）电压波动的响应特性；2）人眼的感光反映能力；3）大脑的记忆存储效应三方面的近似数学描述，即可得到人的闪变视觉系统模型。具体办法：通过对实验得到的视感度频率特性曲线K（f）（它是以上三方面的综合反映）的数学分段逼近与描述，从而获得灯-眼-脑环节的数学表达式。一方面使我们对人的主观视觉对照度波动（电压波动引起）响应的理论认识有所提高，另一方面也为闪变数字测量提供了较为通用的计算方法。,电压波动与闪变的数学描述,灯-眼-脑反应链的传递函数 依据表42和曲线48，将K（f）作出的灯眼脑环节的对数频率特性曲线用5条直线和渐近线逼近，或者说用5个典型控制环节的对数幅频特性之和表示，即,进而可以导出灯-眼-脑环节的传递函数表达式，,（428）,灯-眼-脑反应链的传递函数仿真波形,闪变的评估方法,1. 电压波动与闪变的起因和危害 电压波动造成的危害是多种多样的，闪变是电压波动造成的主要危害之一。广义的电压闪变概念： 它几乎涵盖了电压波动的全部有害内容（之所以如此，是因为电光源具有应用的广泛性；其光照度对电压波动的敏感具有代表性）。中高压电网也采用闪变强度来衡量电压波动的水平，是为了统一标准。还由于在实际对随机波动性负荷的供电点，很难对其最大电压波动给出评估，往往采用只评估闪变严重度。鉴于此，在电能质量标准中，既要限制电压波动也要限制电压闪变，但一般将限制电压闪变作为第一考核指标。,闪变的评估方法,2. 短时间闪变值和长时间闪变值 它们是衡量闪变的基准，分别用来确定短时间（1-15分钟）的闪变强弱和整个工作周期（1小时-7天）的闪变严重度，因此是反映电压波动的统计特征量。其科学性和正确性已经得到国际的普遍认可和使用（IEC作为测量标准已经颁布，IEEE正在效仿实施）。,电压闪变的统计特征量计算,短时间闪变值 在观察期内（如10min）,对瞬时闪变视感度S(t)作递增分级（标准规定，分级应不小于64级）处理，计算各级瞬时闪变视感水平所占相对时间长度比（也称为时间水平统计法），可获得概率直方图。进而采用IEC 推荐的统计方法累积概率函数(CPF)，对该段时间的闪变强弱作出评定。,电压波动的统计特征量计算,以图411为例给出一计算示例介绍.图中所示为某一观察时间段（如10min）内等间隔测算到的15000个数据所描述的瞬时闪变视感度S(t)变化曲线.为简要说明时间水平统计方法,将该变化曲线等分为10级。 例如S(t)在2p.u范围, 则每级级差为2p.u/10=0.2p.u。,统计特征量计算示例,图中给出第7级(1.2p.u-1.4p.u)统计计算示例.假设,处于第7级的时间总和次数:在总时间中第7级所占概率分布则为,统计特征量计算示例,依次对其他9级进行同样统计计算，可给出概率分布直方图。,对概率分布直方图做概率累加计算，可得到累积概率函数图形。,累积概率函数CPF所表现的是S（t）变量处在某一确定范围内的可能性有多大。即S(t)的概率分布函数。实际应用中可不用画出CPF曲线。,电压波动的统计特征量计算,对图412概率分布直方图进行累加计算，可以得到图413所示的累积概率函数(CPF)。而实际应用时常用5个概率分布规定值计算出10min短时间闪变统计值 ，它表示短时间闪变严重度。其计算公式如下 式中5个规定值 、 、 、 、 分别为10min内瞬时闪变视感度S(t)超过0.1%、1%、3%、10%和50%的时间比 。,电压波动的统计特征量计算,单位闪变（UNIT FLICKER）： 由以上计算得到短时间闪变值。当 0.7觉察单位时，一般觉察不出闪变；当 1.3时，则闪变使人感到不舒服。所以IEC推荐 =1作为低压供电的短时闪变限值，称为单位闪变。它代表在标准实验条件下（60W230V钨丝灯）被实验人数(大于500人）中80%（当f=8.8Hz时，d=29%，觉察率F=80%，瞬时闪变视感度S=2觉察单位）有明显刺激性感觉的闪变强度。它作为低压供电的闪变限值。,电压波动的统计特征量计算,3长时间闪变值 长时间闪变的统计时间需在1h以上，典型取2h或更长时间。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 （用符号 表示）作为长时间闪变值。 = =,电压波动的统计特征量计算,有些专家主张以95%概率代替99%概率，以放宽对电能质量的要求使之更符合实际。即将上式稍做修改有： = = 由大型电弧炉在其公共供电点的实测数据, 可给出经验关系式 =0.8 ， 或 =1.25,电压波动的统计特征量计算,对于电弧炉等类型的负荷所引起的闪变，至少需观测一星期才能作出全面评定，在整个闪变观测结束时给出 和 两项指标。具体处理时可在每天保留的 中取出第3大值 作为 值，即 =,电压波动的统计特征量计算,UIE/IEC推荐的取值算式与上述算法不同，它规定在已经顺序测得的N个10min短时间闪变值 （k=1，2，3，。N） 数据中，长时间闪变值 可由这N个 的立方根求得 =例如，在2h期间，每隔10min测一次可得12个 值，在一天期间可得到N=144个 值，在一星期期间则可得到N=1008个 值。,闪变测量推荐方法,26 电压波动与闪变的测量国际上有代表性的三种原理类型的闪变测量仪器，如日本的闪变仪，英国的ERA电弧炉闪变测量仪和由IEC和UIE推荐的闪变仪。2.6.1 电压波动的平方检测法 常用的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和平方检测法。在IEC推荐的闪变测量方法中采用的是平方检测法。,闪变测量推荐方法,分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制，因此调制波解析式为 其中， 工频载波电压的幅值， 调幅波电压的调制系数， 工频载波电压的角频率， 调幅波电压的角频率,闪变测量推荐方法,调制波电压自乘求平方，有 可以看出，调制波电压的平方项含有以下频率分量，,闪变测量推荐方法,若利用0.05-35Hz的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频率的分量，并考虑到存在调幅波电压的倍频分量，由于其幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计，便可近似获得加权的调幅波电压，其波形例如图428所示。,灯-眼-脑反应链的传递函数仿真波形,基于MATLAB的闪变仪检测算法仿真流程,电弧炉是对电压波动影响最大的负荷，研究 目的在于为防治、抑制打基础。 一、电弧炉负荷的运行特点 电弧炉运行周期包括：熔化期、氧化期和还原期。 运行特点：熔化期使炉料迅速熔化，由于材料、工艺和技术等原因，电流不稳定、电压波动大；氧化和还原的精练期引起的电压波动相对小一些。 二、电弧炉运行的电气特性（影响因素） 1）大电流在短网不对称电感回路产生不平衡压降； 2）电弧电压不稳定、不对称，产生基波负序分量； 3）电弧炉本身为非线性负荷，产生复杂谐波成分；,电弧炉用电特征分析,二、电弧炉运行的电气特性 4）电弧炉负荷情况复杂，影响因素多，不同运行工况电流、电压变化大；不同工况电压变化如图所示。 电弧炉负荷错综复杂，建立高质量负荷模型困难，难以进行数值分析，测量、评估是主要分析手段。,三、电弧炉电压波动的估算,取供电母线额定电压UN为基准电压，以SB=1000MVA为基准容量，可求系统标幺值参数。忽略R可写总电抗表达式。 2、电压波动的估算 1）短路压降法： 或 例4-3题：,1、电路接线与参数计算 典型电路接线如图；由典型接线可求等值电路：,2）最大无功功率变动法 电压波动是无功冲击引起的，可通过Qmax计算dmax。其中： 例4-4题：PCC点和电弧炉母线电压波动均超标。 注：两种估算方法仅能估算电压波动大小，可判断电压波动是否超标。也可用下面经验公式估算闪变严重程度： 短时间闪变值： 长时间闪变值：,四、线性时变电弧电阻模型,其中，f 是闪变频率；R1是与实际电弧炉负荷运行条件相联系的恒定阻值，其值选择是由弧长的变化范围及电弧炉负荷消耗的功率决定的。 2、线性化求电弧恒定电阻 电弧弧长通常在0 20cm 范围变化，电弧炉消耗的平均功率P = 42 MW。对实际电弧炉 的v-i特性曲线分段线性化，即列出图4-26曲线线性段（OA 和 AB段）的公式，电弧炉消耗的功率是线性化曲线的面积。因此R1可求。,为对电弧炉负荷进行数值分析，需建立电弧炉的负荷模型，负荷模型可用功率、阻抗表示。教材介绍了一种改进的三相线性时变电弧电阻模型求取方法。 1、定义电弧电阻：,电弧炉恒定电阻R1求取方法：,图中，Vig和Vex是燃弧电压和熄弧电压，i1和 i2 分别是对应于v-i特性曲线第一象限内点弧和灭弧电压的电流 。 电弧阻抗模型确定之后，可得到用电弧炉阻抗模型表示的三相电弧炉系统等值电路，以及电弧炉系统方程，可对电弧炉引起的电压波动进行数值仿真分析。,电弧炉电压波动的仿真分析,根据上述电弧炉系统方程，可用MATLAB对弧炉的电压波动进行动态仿真。本例仿真结果如下所示。,令 ， ，R1= RaARaB，以及R2=RaBRaC，整理可得电弧炉系统的方程为：,电弧炉电压、电流仿真结果,