第四章电压波动与闪变课件.ppt

1、 第四章第四章 电压波动与闪变电压波动与闪变VOLTAGE FLUCTUATIONS AND FLICKERVOLTAGE FLUCTUATIONS AND FLICKER想象中的零轴50Hz工频载波（a）电压波动调制示意图tt10Hz正弦调幅波tt1.电压变动的定义电压变动的定义 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）。1N0K2krmsuN1U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(%)100100(%)21NNUUUUUd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NU

2、3.电压变动的细划分类 相对稳态电压变动值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：%100NmaxmaxUUd%100NddUUd%100NCcUUd电压变动稳态电压变动相对缓慢变化，10min平均电压偏差动态电压变动相对快速变化25Hz电压波动短时间电压变动0.5c1min暂降，短时中断长时间电压变动1min过电压欠电压停电%100minmaxNUUUd%100min10NNUUUU1）跌落幅值2）持续时间3）发生次数l正周期与半周期的RMS计算l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

3、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2 2电压电压(rms)(rms)变动的原因变动的原因无功功率不平衡无功功率不平衡 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。进一步推导有在工程计算中，上式中各参量单位规范为l PCC点电压标称值（）l ，系统等值电阻和电抗（）l 负荷汲取的有功功率和无功功率变化量（）l PCC点短路容量（）l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 l 1（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

4、动值等效表示）。参见P99，日本的闪变视感度系数公式429.4.视感度视感度-频率特性频率特性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,(%)1(%)8.81)(dfHzsdHzsfk正弦电压波动觉

5、察单位的正弦电压波动觉察单位的 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。图4-8视感度系数频率特性曲线0.11 23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23f（Hz）K(f)0.20.30.40.50.60.70.80.91.00 (%)(%)8.8)(1S50F dHzfdHzfk正弦电压波动正弦电压波动觉察单位时），（当这

6、是一条很有价值的实验曲线。5.波形因数波形因数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）。l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？(%)1(%)1)(dSdSfR动觉察单位的矩形电压波动觉察单位的正弦电压波例如频率在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

7、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。dmaxU/U（）0.111010010000r（min-1）r（s-1）1010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（单位闪变（Pst=1）S=1察觉单位的矩察觉单位的矩形电压波动形电压波动S=1察觉单位的正察觉单位的正弦电压波动弦电压波动8.8Hz/s,1056/120s6.灯眼脑反应链的数学描述灯眼脑反应链的数学描述 从对闪变视感机理的理论

8、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。l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。l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。l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。灯灯-眼眼-脑反应链的传递函数脑反应链的传递函数 依据表依据表42和曲线和曲线48，将，将K（f）作出的灯眼脑环节的对数频率）作出的灯眼脑

9、环节的对数频率特性曲线用特性曲线用5条直线和渐近线逼近，或者说用条直线和渐近线逼近，或者说用5个典型控制环节的对个典型控制环节的对数幅频特性之和表示，即数幅频特性之和表示，即 24412122223)/(1lg20)/()/)(1(21lg20)/(1lg20)/(1lg20lg20lg20)(lg20mK进而可以导出灯进而可以导出灯-眼眼-脑环节的传递函数表达式，脑环节的传递函数表达式，)/1)(/1(/12)(432121ssssssKsK9.212,22535.12,27979.22,15494.92,05981.42,74802.14321K（428）1.电压波动与闪变的起因和危害 电

10、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。l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）。l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。l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。l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。2.短时间闪变值和长时间闪变值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

11、（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）。l短时间闪变值短时间闪变值 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。stP 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

12、)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。图4-11 S（t）分级计时示例A/D采样频率t1t2t3t4t5500010000150002.0101.681.471.261.050.840.630.420.211.890t(次)（级）p.u.S（t）)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435054321517ttttttTii图4-11 S（t）分级计时示例A/D采样频率t1t2t3t4t5500010000150

13、002.0101.681.471.261.050.840.630.420.211.890t(次)（级）p.u.S（t）)%29)15000/4350(%10077TTp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。0.10.30.50.70.91.11.31.51.71.9123456789100.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.912345678910010203040507500500025000050100CPF(%)（级）S（t）p.u.(次)Pk（）（级）S（t）p.u.图4-12

14、 S（t）统计计时概率分布直方图图4-13 S（t）累计概率函数曲线29507以上各级概率之和29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。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 。5050101033111.01.0PKPKPKPKPKPst)(

15、kpstP1.0P1P3P10P50P08.0,28.0,0657.0,0525.0,0314.05010311.0KKKKKl单位闪变单位闪变（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。stPstPstP3长时间闪变值长时间闪变值

16、 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。=ltPltP%99stPstP%99stPstP1P1P有些专家主张以有些专家主张以95%概率代替概率代替99%概率，以放宽对电能概率，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：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由大型电弧炉在其公共供电点的实测数据,可给出经验关可给出经验关系式系式 =0.8 ，或或 =

17、1.25 ltP%95stP5P%95stP%95stP%99stP%99stP对于电弧炉等类型的负荷所引起的闪变，至少需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结束时给出 和和 两项指标。具体处理时可在每两项指标。具体处理时可在每天保留的天保留的 中取出第中取出第3大值大值 作为作为 值，即值，即 =ltPmax3stPmax3stPltPstPstPltPlUIE/IEC推荐的取值算式与上述算法不同，它规定在已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经顺序测得的N个个10min短时间

18、闪变值短时间闪变值 （k=1，2，3，。，。N）数据中，长时间闪变值数据中，长时间闪变值 可由这可由这N个个 的立方根求得的立方根求得 =l例如，在例如，在2h期间，每隔期间，每隔10min测一次可得测一次可得12个个 值，在值，在一天期间可得到一天期间可得到N=144个个 值，在一星期期间则可得到值，在一星期期间则可得到N=1008个个 值。值。stkPstkPstPstP1213121kstkPltPltPstPl26 电压波动与闪变的测量电压波动与闪变的测量l国际上有代表性的三种原理类型的闪变测量仪器，如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，英国的日本的闪变仪，英国

19、的ERA电弧炉闪变测量仪和由电弧炉闪变测量仪和由IEC和和UIE推荐的闪变仪。推荐的闪变仪。l2.6.1 电压波动的平方检测法电压波动的平方检测法l 常用的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检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。在测法和平方检测法。在IEC推荐的闪变测量方法中采用推荐的闪变测量方法中采用的是平方检测法。的是平方检测法。l l分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制，因此调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制波解析式为 其中，其中，工频载波电压的幅值，工频载波电压的幅值，调幅波电压的调制系数，调幅波电压的调制系数，工频载波电压

20、的角频率，工频载波电压的角频率，调幅波电压的角频率调幅波电压的角频率ttmUtumcos)cos1()(mU1工频载波电压幅值调制波电压幅值m调制波电压自乘求平方，有调制波电压自乘求平方，有 l可以看出，调制波电压的平方项含有以下频率分量，可以看出，调制波电压的平方项含有以下频率分量，.)(2sin2)(2sin2)(2cos8)(2cos82cos42cos)21(2sin)21(2sin)sinsin21()(222222222222222222tVUtVUtVUtVUtVUtVUtVUVUttVtVUtu2),(2,2,2l若利用若利用0.05-35Hz的带通滤波器滤除其中的直的带通滤波

21、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，权的调幅波电压，其波形例如图其波形例如图428所示。所示。2,sin)(UktkVtv)(),(),(2tvtutu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

22、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；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。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

23、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：%1000maxNdUUUd%1001maxddSSd 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：BSQXdmaxmaxNBNdSXSQ202maxcos100cosmaxmax5.0)85.048.0(ddPstmaxmax4.0)5.035.0(ddPlt 其中，f 是闪变频

24、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：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

25、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。viRiiiRVRRiiiig112211201,(),RVPVRVRigigex122222()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。UIR IL IRIRIR ILABAAAaABaBBB UIR IL IRIRIR ILBCBBBaBCaCCC 令 ，R1=RaARaB，以及R2=RaBRaC，整理可得电弧炉系统的方程为：IIIAB1IIIBC2UIRIRILAB 1111UIR IRILBC 2222