风力发电引起的电压波动和闪变
风力发电引起的电压波动和闪变
孙涛1，王伟胜1，戴慧珠1，杨以涵2
（1．中国电力科学研究院，北京 100085；2．华北电力大学电力工程系，北京
102206）
摘要：并网风电机组在持续运行和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变，对当地电网的电能质量有不良影响。从并网风电机组输出的功率波动出发，分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因。介绍了关于并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC 61400-21，给出了风电机组在持续运行与切换操作期间引起的闪变值和相对电压变动的计算公式。然后综述了有关风力发电引起的电压波动和闪变的计算方法和影响因素等方面的研究成果，最后展望了未来的研究方向
和研究重点。
关键词：风力发电；电能质量；电压波动；闪变
1 引言
随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。电压波动的危害表现在照明灯光闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均匀和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工况等[1，2]。
电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。闪变是人对灯光照度波动的主观视感。人对照度波动的最大觉察频率范围为0.05~35Hz，其中闪变敏感的频率范围约为6~12Hz[1]。衡量闪变的指标有短时间闪变值P st和长时间闪变值P l t。短时间闪变值是衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量值。短时间闪变值的计算不仅要考虑电压波动造成的白炽灯照度变化，还要考虑到人的眼和脑对白炽灯照度波动的视感。长时间闪变值由短时间闪变值推出，反映长
时间（若干小时）闪变强弱的量值。
本文从并网风电机组输出的功率波动着手，分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因，并介绍了关于并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC 61400-21[3]，总结了风力发电引起的电压波动和闪变的计算方法和影响因素，最后对未来的研究方向和研究重点进行了展望。
2机理分析
风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理[4]。
图1为风电机组并网示意图，其中?为风电机组出口电压相量，为电网电压相
量，R
1、X
1
分别为线路电阻和电抗，分别为线路上流动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。
由图1(b)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电
压降落可以忽略不计。由图1(c)可见，是造成电压降落的主要原因，
垂直，造成的电压降落可以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会
造成明显的电压降落，分别为和。当并网风电机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。
影响风电机组输出功率的因素很多，其中风速的自然变化是主要因素。风电机组
的机械功率可以表示为
为功率系数，式中 P为功率；ρ为空气密度；A为叶片扫风面积；v为风速；C
P
表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比λ和桨距角β的函数，叶尖速比λ
定义为
式中ω为叶轮转速，R为叶轮半径。
由式(1)可见，空气密度ρ、叶轮转速ω、桨距角β和风速v的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。风速v的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。叶轮转速ω和桨距角β的变化由风电机组类型和控制系统决定，先进的控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。
此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为3P（P为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值
的20% [5]。
塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的，接近塔筒时风速开始增加，而更接近时风
速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以用频率为3P倍数的傅立叶级数表示[6]。由于叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切同样会引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毂为极点的极坐标下的二项式级数表示[6-8]。从风轮的角度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频
率为3P的倍数。
除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动外，在风电机组输出功率中还可检测到频率为p的波动分量，其出现的主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横向摆
动引起的。
并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻
节点的电压波动和闪变。
3 国际电工标准IEC 61400-21
3.1 风电机组输出电压
国际电工标准IEC 61400-21是关于并网风电机组电能质量测量与评估的标准，旨在为并网风电机组电能质量测量与评估提供一个统一的方法，以确保其一致性和正确性。IEC 61400-21提供的测量过程适用于任何与电网三相连接的风电机组，且风电机组的额定容量可以是任意的。
IEC 61400-21的主要内容包括：描述并网风电机组电能质量特征参数的定义或说明；电能质量特征参数的测量过程；这些电能质量特征参数是否满足电网要求的评估方法。IEC 61400-21定义的并网风电机组电能质量特征参数包括风电机组额定参数、最大允许功率、最大测量功率、无功功率、电压波动和谐波等，其中电压波动测量和评估是IEC 61400-21的重点。
考虑到电网中其他波动负荷可能在风电机组公共连接点引起明显的电压波动，且风电机组引起的电压波动依赖于电网特性。因此，为了在风电机组公共连接点获得不受电网条件影响的测试结果，IEC 61400-21采用了一个无其他电压波源的虚拟电网来模拟风电机组输出的电压，虚拟电网的单相电路如图2所示。
图2中的虚拟电网由一个理想的相对地电压源u
0(t)、线路电阻R
fic
和电感L
fic
组
成，u
(t)的幅值等于电网相电压的标称值，相角等于风电机组输出电压基波分
量的相角，线路阻抗角等于电网阻抗角，i
m
(t)为风电机组输出电流的测量值，
u fic (t)为计算出的风电机组的瞬时电压。u
fic
(t)可以表示为
3.2 持续运行过程
评估持续运行过程中的电压波动时必须涵盖不同的电网阻抗角φ
k
和风速分布情
况，其中风速分布按不同年平均风速v
a
的瑞利分布[9]来考虑。以不同情况下的电
压、电流测量数据作为虚拟电网的输入量，计算出风电机组的输出电压u
fic
(t)。
根据国际电工标准IEC 61000-4-15[10]提供的闪变值算法，由u
fic
(t)计算短时间
闪变值P
st,fic 。然后，由下式计算闪变系数c(φ
k
)
组的额定视在功率。
根据服从瑞利分布的风速和计算得出的闪变系数，得到闪变系数的累积概率分布
函数为测量的最终结果。
为了评估一台风电机组引起的电压波动，可以根据下式计算短时间闪变值P
st
和长
时间闪变值P
lt
式中 ci(φ
k ,v
a
)为单台风电机组的闪变系数；S n,i为单台风电机组的额定视在功率；N wt为连接到公共连接点的风电机组的数目。
3.3 切换操作过程
评估切换操作过程中的电压波动必须涵盖不同的电网阻抗角φ
k
情况，以及下面
3种切换操作过程：
（1）风电机组在切入风速下启动；
（2）风电机组在额定风速下启动；
（3）发电机在最差条件下切换（只适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机
组），最差条件是指闪变阶跃系数k
f (φ
k
)最高和电压变化系数k
u
(φ
k
)最高的情况。
由虚拟电网仿真所得的风电机组输出电压u
fic (t)计算出短时间闪变值P
st,fic
之后，
可根据下式分别求得闪变阶跃系数k
f (φ
k
)和电压变化系数k
u
(φ
k
)
式中 T
P 为测量持续时间；U
fic,max
和U
fic,min
分别为切换操作过程中u
fic(t)
有效值的最
大值与最小值；U
n
为额定线电压。
对计算所得的k
f (φ
k
)和k
u
(φ
k
)分别取平均值，即为测量过程的最终结果。
为了评估单台风电机组引起的电压波动，可以根据下式计算短时间闪变值P
st
和长
时间闪变值P
lt
式中 N
10为10min内切换操作次数最大值；N
120
为2h内切换操作次数最大值。
如果多台风电机组连在公共连接点，则可按下式估计它们在切换操作中引起的闪
变
对于多台风电机组连在公共连接点的情况，由于两台风电机组不可能在同一时间完成切换操作，因此没有必要考虑多台风电机组引起的相对电压变动问题。短时间、长时间闪变值和相对电压变化值不能超过电网允许的最大限值。国际电工标准IEC 61000-3-7[11]提供了估算中高压电网所允许的闪变和电压变化最大限值的
方法。
4 研究成果
4.1 特征参数和计算方法
从20世纪80年代起，世界上相关领域内的学者们就开始研究风力发电引起的电压波动和闪变问题，在实地测量、实验和建模仿真等研究领域取得了许多研究成
果。
在国际电工标准IEC 61400-21出版以前，世界上没有一套公认的描述并网风电机组电能质量的特征参数及其相应的计算方法。因此，许多研究工作围绕此点展开，如丹麦Ris?国家实验室进行的电压波动和闪变的计算方法研究[12]等。国际电工标准IEC 61400-21提供了一套完整的描述并网风电机组电能质量的特征参数及其相应的计算方法，填补了这个空白。
IEC 61400-21采用国际电工标准IEC 61000-4-15提供的闪变值仿真算法计算短
时间闪变值，其原理框图如图3所示。
图3中，IEC闪变仪将输入的被测电压u(t)适配成适合仪器的电压数值，并产生标准的调制波电压供仪器自检用；经过灯-眼-脑环节的模拟；再对模拟环节输出
的瞬时闪变视感度S(t)恒速采样，得出累积概率函数，最后计算出短时间闪变
。
值P
st
国际电工标准IEC 61000-4-15提供的闪变仪算法是时域算法，它有测量数据多、测量过程长和计算速度慢等缺点，因此文献[13]、[14]提出了闪变仪的频域算法。频域算法的优点十分明显，如测量时间短、计算速度快和可以区分不同频率对闪变的影响等。文献[14]还在频域内利用谐波分量法计算了风力发电引起的闪变在电网中的传播，将闪变的计算位置从风电机组公共连接点扩展到整个电网。
4.2 影响因素
影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多，如风况（平均风速和湍流强度等）、风电机组类型、控制系统（桨距和速度控制等）和电网状况（风电机组公共连接点的短路容量、电网线路X/R比和公共连接点所连接的负荷特性）等。风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响很大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速风电机组产生的电压波动和闪变继续增大，而变速风电机组因为能够平滑输出功率的波动，产生的电压波动和闪变却开始减小[15]。湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎成正比例增长关系[16,17]。
并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大。例如，恒速风电机组对p和3p频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变；但变速风电机组却可以减轻3p频率的影响[15]，变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组，几乎是恒速风电机组的1/4[16]。
并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小[13,16,18,19]。合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明[13,16]，当线路X/R比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路X/R 比对应的线路阻抗角为60°~70°时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最
小。
并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。文献[20]分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。由于启动时无法控制叶轮转矩，而持续运行过程中的功率波动较小，所以恒速定桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大。对于恒速变桨距风电机组，结论是相反的。在塔影、风剪切和有限的桨距调节范围的联合作用下，恒速变桨距风电机组持续运行过程中的功率波动幅值非常大，从而产生较大的电压波动和闪变；而恒速变桨距风电机组可以控制叶轮转矩，启动时产生的电压波动和闪变比较小。
5 发展展望
风力发电引起的电压波动和闪变的研究已经进行了很长时间，也取得了丰硕的成果。有些学者还采用静止无功补偿器[21]和感性储能装置[22]来减小并网风电机组产生的功率波动，从而减小电压波动和闪变。但由于风资源的不确定性、风电机组单机容量不断增加，风力发电引起的电压波动和闪变还有待于进一步研究。主要
研究方向和研究重点有：
（1）国际电工标准IEC 61400-21采用了一个无其他电压波动源的虚拟电网来模拟风电机组输出的电压，根据此模拟电压采用国际电工标准IEC 61000-4-15提
供的闪变值仿真算法计算短时间闪变值。这种闪变计算方法比较烦琐，能否找到更简便且计算精度和速度满足要求的电压波动和闪变的计算方法还是有待解决的问题；计算范围应从风电机组公共连接点扩展到整个电网，从而可以更方便地
评估风力发电引起的电能质量。
（2）影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多，如风况、风电机组类型、控制系统和电网状况等。应该明确各种因素对电压波动和闪变的影响，尽可能量化这些影响，也应确定各种影响因素之间的相互关系和它们联合作用下的效果。（3）由于风电机组单机容量越来越大，风速波动较大时风电机组输出功率会产生较大的波动。对于目前已成为世界主流机型的变速恒频风电机组而言，应综合应用变流器控制和桨距角控制来调节风电机组的输出功率。如何确定变流器控制和桨距角控制的控制策略以使风电机组的输出功率最优，同时减小风电机组输出功率的波动，从而减小风电机组引起的电压波动和闪变，是迫切需要解决的问题。（4）研究风力发电引起的电压波动和闪变的最终目的是减弱其对电网的影响，提高风电场所在电网的电能质量。一些辅助设备（如静止无功补偿器和储能元件等）在风力发电中的应用可有效减小电压波动和闪变，从而改善电能质量。目前辅助设备在风力发电中的应用才刚刚起步，还有待于进一步深入研究。
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风力发电引起的电压波动和闪变
风力发电引起的电压波动和闪变 孙涛1，王伟胜1，戴慧珠1，杨以涵2 （1．中国电力科学研究院，北京 100085；2．华北电力大学电力工程系，北京 102206） 摘要：并网风电机组在持续运行和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变，对当地电网的电能质量有不良影响。从并网风电机组输出的功率波动出发，分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因。介绍了关于并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC 61400-21，给出了风电机组在持续运行与切换操作期间引起的闪变值和相对电压变动的计算公式。然后综述了有关风力发电引起的电压波动和闪变的计算方法和影响因素等方面的研究成果，最后展望了未来的 研究方向和研究重点。 关键词：风力发电；电能质量；电压波动；闪变 1 引言 随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。电压波动的危害表现在照明灯光闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均匀和影响电子仪器、计算机、自动控制设备的正常工况等[1，2]。 电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。闪变是人对灯光照度波动的主观视感。人对照度波动的最大觉察频率范围为0.05~35Hz，其中闪变敏感的频率范围约为6~12Hz[1]。衡量闪变的指标有短时间闪变值P st和长时间闪变值P l t。短时间闪变值是衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量值。短时间闪变值的计算不仅要考虑电压波动造成的白炽灯照度变化，还要考虑到人的眼和脑对白炽灯照度波动的视感。长时间闪变值由短时间闪变值推出，反映长时间（若干小时）闪变强弱的量值。 本文从并网风电机组输出的功率波动着手，分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因，并介绍了关于并网风电机组电能质量的国际电工标准IEC 61400-21[3]，总结了风力发电引起的电压波动和闪变的计算方法和影响因素，最后对未来的研究方向和研究重点进行了展望。 2机理分析 风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理[4]。 图1为风电机组并网示意图，其中?为风电机组出口电压相量，为电 网电压相量，R 1、X 1 分别为线路电阻和电抗，分别为线路上流动的有功电 流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。
第二章 电压波动与闪变的概念 危害
第二章电压波动与闪变的概念 2.1 电压波动 电压波动和闪变(voltagefluetuationandflicker)一系列电压随机变动或工颇电压包络线的周期性变化，以及由此引起的照明闪变。它是电能质量的一个重要技术指标。电压波动是指电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。电压闪变是指电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应，不属于电磁现象，同时也反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。电压闪变是电压波动引起的结果，它不属于电磁现象。 描述电压均方根值变化特性的参数通常有2个:相对电压波动值(RelativeVoltage Fluctuation)和电压变动频度(VoltageVariation Frequency)。相对电压波动值d定义为一系列电压均方根值变化中相邻2个极值Umax、Umin之差与标称电压的百。分比,即d =Umax- Umi你UN×100% (1 电压变动频度是指单位时间内电压变动的次数。标准规定,电压由大到小或由小到大的变化各算一次变动。 在电力系统中具有冲击性功率的负荷(如轧机、电弧炉)时，电力网中的电压降将发生相应变化，导致电压波动。冲击性负荷可分为周期性冲击负荷和非周期性冲击负荷两类。其中周期性或近似周期性的冲击性负荷的影响更为严重。电压波动使电能用户不能正常工作，在人民生活中最受影响的是白炽灯的闪变(flieker)。频率在5~12Hz范围内的电压波动值，即使只有额定电压的1%，其引起的白炽灯照明的闪变，已足以使人感到不舒适，所以选白炽灯的工况作为判断电压波动值，把电压变动而引起人对灯闪的主观感觉叫“闪变”。广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但不能以电压波动来代替闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。闪变的主要决定因素:①供电电压波动的幅值、频度和波形，②照明装!，以对白炽灯的照度波动形响最大，而且与白炽灯的功率和额定电压等有关 2.2电压波动与闪变的产生原因
电能质量电压波动和闪变定稿版
／T电能质量电压波动 和闪变 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】
电能质量电压波动和闪变 Power quality—Voltage fluctuation and flicker GB12326—2000 代替GB12326—1990 前言 本标准是电能质量系列标准之一，目前已制定颁布的电能质量系列国家标准有：《供电电压允许偏差》（GB 12325—1990）；《电压允许波动和闪变》（GB 12326—1990）；《公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）；《三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543—1995）和《电力系统频率允许偏差》（GB/T 15945—1995）。 本标准参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC 61000-3-7等（见参考资料），对国标GB 12326—1990进行了全面的修订。 和GB 12326—1990相比，这次修订的主要内容有： 1）将系统电压按高压（HV）、中压（MV）和低压（LV）划分，分别规定了相关的限值，以及对用户指标的分配原则。 2）将国标中闪变指标由引用日本ΔV10改为IEC的短时间闪变P st和长时间闪变P lt指标，以和国际标准接轨，并符合中国国情。 3）将电压波（变）动限值和变动频度相关联，使标准对此指标的规定更切合实际波动负荷对电网的干扰影响。
4）将原标准中以电压波（变）动为主，改为以闪变值为主（原标准中ΔV10均为推荐值），以和国际标准相对应。 5）对于单个用户闪变允许指标按其协议容量占总供电容量的比例分配，并根据产生干扰量及系统情况分三级处理（原标准中无此内容），既使指标分配较合理，又便于实际执行。 6）引入了闪变叠加、传递等计算公式，高压系统中供电容量的确定方法以及电压变动的计算和闪变的评估等内容，并给出一些典型的实例分析。 7）对IEC 61000-4-15规定的闪变测量仪作了介绍，并作为标准的附录A，以利于测量仪器的统一。 8）整个标准按国标GB/T1.1和GB/T1.2有关规定作编写。原标准名称的引导要素“电能质量”英译为“Power quality of electric energy supply”改为国际上通用的“Power quality”，并将本标准名称改为《电能质量电压波动和闪变》。 作为电磁兼容（EMC）标准，IEC 61000-3-7等涉及的内容相对较多，论述上不够简洁。在国标修订中选取相关内容，基本上删去对概念和原理的解释部分，因为国内将陆续发布等同于IEC 61000的EMC系列标准，可作为执行电能质量国家标准参考。对于国标中所需要的一些定义、符号和缩略语，以及相关闪变测量仪规范和闪变（Pst）的表达式等，主要参考了IEC 61000-3-3、IEC 61000-4-15。 须指出，在采用IEC 61000相关内容中，本标准对于下列几点作了修改： 1）按IEC标准，对闪变P st、P lt指标，每次评定测量时间至少为一个星期，取99%概率大值衡量。这样规定，在电网中实际上难以执行。本标准中对
电压波动和闪变的检测与控制方法
电压波动和闪变的检测与控制方法 摘要：由冲击性功率负荷引起的电压波动与闪变是电能质量问题的重要方面之一。本文论述了电压波动和闪变的常用检测方法，比较分析了几种改善电压波动和闪变补偿装置的性能特点，为电力系统电压波动与闪变的监测及抑制提供参考。 关键词：电压波动；闪变；检测；抑制；电能质量 Detection and Suppression Methods for Voltage Fluctuation and Flicker GUO Shang-hua，HUANG Chun，WANG Lei，CAO Guo-jian (College of Electricity & Information Engineering of Hunan University， Changsha 410082,China) Abstract：Voltage fluctuation and flicker, caused by fast-speed varying load, is one of the most important aspects of power quality. In this paper, the methods of detecting voltage flicker are detailed, and the performances of some common device that suppressed the voltage fluctuation are analyzed and compared. All the study is helpful for the supervision and control of voltage fluctuation and flicker. Key words: voltage fluctuation; flicker; detection; suppression; power quality 0 引言 随着大量的基于计算机系统的控制设备和自动化程度很高的用电设备相继投入使用，工 业用户对电能质量的要求越来越高，甚至几分之一秒的不正常就可造成的巨大的损失。据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受10～50次与电能质量问题有关的干扰，其中因包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的83％[1]。电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一，必须对其进行有效地监视与抑制。 电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引起的[2]，如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。这些非线性、不平衡冲击性负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动，当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降，导致同一电网上其它用户电压以相同的频率波动。这种电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90％～110％)有规律或随即地变化，即称为电压波动。电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使白炽灯光发生闪烁等等。由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。 1 电压波动与闪变的检测 1.1 调幅波检测 要对电压波动与闪变进行有效的抑制，首先的任务就是要准确的提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在0.05~35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。
GB／T-电能质量-电压波动和闪变
、GB／T-电能质量-电压波动和闪变
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电能质量电压波动和闪变 Power quality—Voltage fluctuation and flicker GB12326—2000 代替GB12326—1990 前言 本标准是电能质量系列标准之一，目前已制定颁布的电能质量系列国家标准有：《供电电压允许偏差》（GB 12325—1990）；《电压允许波动和闪变》（GB 12326—1990）；《公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）；《三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543—1995）和《电力系统频率允许偏差》（GB/T 15945—1995）。 本标准参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC 61000-3-7等（见参考资料），对国标GB 12326—1990进行了全面的修订。 和GB 12326—1990相比，这次修订的主要内容有： 1）将系统电压按高压（HV）、中压（MV）和低压（LV）划分，分别规定了相关的限值，以及对用户指标的分配原则。 2）将国标中闪变指标由引用日本ΔV10改为IEC的短时间闪变P st和长时间闪变P lt 指标，以和国际标准接轨，并符合中国国情。 3）将电压波（变）动限值和变动频度相关联，使标准对此指标的规定更切合实际波动负荷对电网的干扰影响。 4）将原标准中以电压波（变）动为主，改为以闪变值为主（原标准中ΔV10均为推荐值），以和国际标准相对应。 5）对于单个用户闪变允许指标按其协议容量占总供电容量的比例分配，并根据产生干扰量及系统情况分三级处理（原标准中无此内容），既使指标分配较合理，又便于实际执行。 6）引入了闪变叠加、传递等计算公式，高压系统中供电容量的确定方法以及电压变动的计算和闪变的评估等内容，并给出一些典型的实例分析。 7）对IEC 61000-4-15规定的闪变测量仪作了介绍，并作为标准的附录A，以利于测量仪器的统一。 8）整个标准按国标GB/T1.1和GB/T1.2有关规定作编写。原标准名称的引导要素“电能质量”英译为“Power quality of electric energy supply”改为国际上通用的“Power quality”，并将本标准名称改为《电能质量电压波动和闪变》。 作为电磁兼容（EMC）标准，IEC 61000-3-7等涉及的内容相对较多，论述上不够简洁。在国标修订中选取相关内容，基本上删去对概念和原理的解释部分，因为国内将陆续发布等同于IEC 61000的EMC系列标准，可作为执行电能质量国家标准参考。对于国标中所需要的一些定义、符号和缩略语，以及相关闪变测量仪规范和闪变（Pst）的表达式等，主要参考了IEC 61000-3-3、IEC 61000-4-15。 须指出，在采用IEC 61000相关内容中，本标准对于下列几点作了修改： 1）按IEC标准，对闪变P st、P lt指标，每次评定测量时间至少为一个星期，取99%概率大值衡量。这样规定，在电网中实际上难以执行。本标准中对闪变P st指标规定取1天（24h）测量，而且取95%概率大值衡量；对P lt指标，原则上规定不得超标。
3、GB／T12326-2008电能质量 电压波动和闪变
电能质量电压波动和闪变 Power quality—Voltage fluctuation and flicker GB12326—2000 代替GB12326—1990 前言 本标准是电能质量系列标准之一，目前已制定颁布的电能质量系列国家标准有：《供电电压允许偏差》（GB 12325—1990）；《电压允许波动和闪变》（GB 12326—1990）；《公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）；《三相电压允许不平衡度》（GB/T 15543—1995）和《电力系统频率允许偏差》（GB/T 15945—1995）。 本标准参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC 61000-3-7等（见参考资料），对国标GB 12326—1990进行了全面的修订。 和GB 12326—1990相比，这次修订的主要内容有： 1）将系统电压按高压（HV）、中压（MV）和低压（LV）划分，分别规定了相关的限值，以及对用户指标的分配原则。 2）将国标中闪变指标由引用日本ΔV10改为IEC的短时间闪变P st和长时间闪变P lt 指标，以和国际标准接轨，并符合中国国情。 3）将电压波（变）动限值和变动频度相关联，使标准对此指标的规定更切合实际波动负荷对电网的干扰影响。 4）将原标准中以电压波（变）动为主，改为以闪变值为主（原标准中ΔV10均为推荐值），以和国际标准相对应。 5）对于单个用户闪变允许指标按其协议容量占总供电容量的比例分配，并根据产生干扰量及系统情况分三级处理（原标准中无此内容），既使指标分配较合理，又便于实际执行。 6）引入了闪变叠加、传递等计算公式，高压系统中供电容量的确定方法以及电压变动的计算和闪变的评估等内容，并给出一些典型的实例分析。 7）对IEC 61000-4-15规定的闪变测量仪作了介绍，并作为标准的附录A，以利于测量仪器的统一。 8）整个标准按国标GB/T1.1和GB/T1.2有关规定作编写。原标准名称的引导要素“电能质量”英译为“Power quality of electric energy supply”改为国际上通用的“Power quality”，并将本标准名称改为《电能质量电压波动和闪变》。 作为电磁兼容（EMC）标准，IEC 61000-3-7等涉及的内容相对较多，论述上不够简洁。在国标修订中选取相关内容，基本上删去对概念和原理的解释部分，因为国内将陆续发布等同于IEC 61000的EMC系列标准，可作为执行电能质量国家标准参考。对于国标中所需要的一些定义、符号和缩略语，以及相关闪变测量仪规范和闪变（Pst）的表达式等，主要参考了IEC 61000-3-3、IEC 61000-4-15。 须指出，在采用IEC 61000相关内容中，本标准对于下列几点作了修改： 1）按IEC标准，对闪变P st、P lt指标，每次评定测量时间至少为一个星期，取99%概率大值衡量。这样规定，在电网中实际上难以执行。本标准中对闪变P st指标规定取1天（24h）测量，而且取95%概率大值衡量；对P lt指标，原则上规定不得超标。
电能质量之电压波动与闪变分析与检测方法
电压波动与闪变分析与检测方法 前言 电能质量包括电压、频率、谐波、三相不平衡度、电压的骤升或骤降等等。电压波动是多种电能质量问题的1种。一般是指电网由于雷击、对地短路、发电厂故障及其他外部、内部原因造成电网短时故障, 引起的电网电压短时大幅度波动、甚至短时断电数秒钟的现象, 但如果设备和系统抵御能力较差, 将给生产带来不应有的损失。据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受10～50次与电能质量问题有关的干扰，其中因包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的83%。电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一,必须对其进行有效的监视与抑制。 1电压波动的种类及产生原因 电压波动的原因多种多样，其危害均是通过电网电压波动或电源的短时消失使工厂生产受到影响的。引起电压波动的因素有多种多样，有自然界因素引起、有电网本身引起、有用电负荷引起的等等。电压波动从类别上分有3大类: 暂态扰动、RMS ( Rights Management Services) 扰动及稳态变化，每种类别又对应多种表现形式。 1.1暂态扰动 暂态扰动分为暂态冲击和短时波动2种表现形式( 见图1、图2) ，暂态冲击是由雷电、电焊机、负荷开关及电容器开关的合断所引起；短时波动是由线路或电缆开关、电容器开关及负荷开关的合断所引起。
图1 暂态冲击表现形式图2短时波动表现形式 1.2RMS扰动 RMS扰动分为电压骤降/ 骤升、电压中断2种表现形式( 见图3、图4) , 电压骤降/ 骤升是由远端系统故障所引起; 电压中断是由系统保护动作、断路器和熔断器的断开及定期检修所引起。 图3 电压骤降/ 骤升表现形式图4 电压中断表现形式 1.3稳态变化 稳态变化分为低电压/ 过电压、谐波及电压闪变3种表形形式( 见图5、图6、图7) ，低电压/过电压是由电机起动和负荷增加或减少所引起；谐波是由非线性负荷和系统谐振所引起；电压闪变是由间隙性负荷、电机起动及电弧炉所引起。 图5 低电压/ 过电压表现形式图6 谐波表现形式
电压波动和闪变
对国家相关电能质量标准的理解与综述 1 电压波动和闪变 范围 本标准适用于交流50Hz 电力系统正常运行方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯光闪烁明显感觉的场合。 1.1 定义： （1）电压波动（voltage fluctuation ）电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变 （2）电压方均根值曲线R.M.S. voltage shape U （t ） 每半个基波电压周期方均跟值（有效值）的时间函数 （3）电压变动relative voltage change d 电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差，以系统标称电压的百分数表示。 （4）电压变动频度rate of occurrence of voltage changes r 单位时间内电压变动的次数（电压由大到小或由小到大各算一次变动）。不同方向的若干次变动，如间隔时间小于30ms ，则算一次变动。 1.2电压波动的测量和估算 电压波动可以通过电压方均根值曲线U （t ）来描述，电压变动d 和电压变动频度r 则是衡量电压波动大小和快慢的指标。 电压变动d 的定义表达式为： %100??=N U U d 式中： △U----电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差。 U N ----系统标称电压。 当电压变动频度较低且具有周期性时，可通过电压方均根值曲线U （t ）的测量，对电压波动进行评估。单次电压变动可通过系统和负荷参数进行估算。 当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化率分别为△P i 、 △Q i 时，可用下 式计算： %1002??+?=N i L i L U Q X P R d 式中R L 、X L 分别为电网阻抗的电阻电抗分量。 在高压电网中，一般X L ＞＞ R L 则 式中： S SC ---考察点（一般为PCC ）在正常较小方式下的短路容量。 在无功功率的变化量为主要成分时（例如大容量电动机启动），可采用以下两
电压波动
1 概述 电压波动常给工业生产、科学研究和日常生活增添不少麻烦，有时会损坏设备，造成事故。随着现代科技的迅猛发展，电子计算机及各种电子设备的日益普及，厂矿、科研、邮电、医院等部门对供电电压的质量要求愈来愈高。但是，由于供电系统中大量冲击性负荷、间歇性负荷的存在以及各种短路故障的发生，常常导致系统电压短时、快速地变化，即电压波动。下面从以下几个方面对此问题作以浅析。 2 电压允许波动的范围 根据《供用电规则》规定，受电端的电压波动幅度不应超过：35kV及以下供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的±5%；10kV及以下高压供电和低电力用户为额定电压的± 7%；低压照明用户为额定电压的+5%～-10%。 3 电压波动对电气设备的影响 各种电气设备都设计在额定电压下工作。只有电网内各级电压符合标准，才能使用电设备处于最佳工况运行。当用户端电压波动超过允许值时，则用电设备的性能、生产效率、产品质量等都将受到不同程度的影响，发、供、用电设备的出力降低，供电线路损耗增加，电动机起动困难，另外还将影响通信、广播电视质 量等。 电压波动对电气设备的影响如下： 1)荧光灯及电视亮度随电压波动而变化，当电压在较大范围内持续波动时有闪烁感。 2)白炽灯电压高于额定值10%，寿命要缩短70%；电压低于额定值时，发光效率急剧下降。 3)高压水银灯当电压降低20%～30%，持续时间为0 05～1s时，便会熄灭。 4)试验设备这些设备要求有高度的输出精度，当输入电压波动时，其精度不能保证。 5)电热设备电压低于额定电压10%；供热量减少20%以上，升温时间延长；电压高于额定值会影响发热元件的寿命。 6)感应电动机电压波动会使其转矩、滑差率、负荷电流都受到影响，造成转速不稳或过负荷现象。当电压低于额定电压10%，电动机电磁转矩约下降为额定转矩的81%，而且起动时间延长、电流增大，造成绕组线圈发热、损耗增加、效率降低以及功率因数下降，影响电动机的寿命。对于用电磁起动器控制或装有失压保护的异步电动机瞬时电压降低会导致这些保护装置动作，设备就要停止运转，再起动需花时间。
电压波动和闪变的常用检测方法
随着大量的基于计算机系统的控制设备和自动化程度很高的用电设备相继投入使用，工业用户对电能质量的要求越来越高，甚至几分之一秒的不正常就可造成的巨大的损失。据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受10～50次与电能质量问题有关的干扰，其中因包括电压波动和闪变在内的动态电压质量问题造成的事故数约占事故总数的83％[1]。电压波动和闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一，必须对其进行有效地监视与抑制。 电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引起的[2]，如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。这些非线性、不平衡冲击性负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动，当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降，导致同一电网上其它用户电压以相同的频率波动。这种电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90％～110％)有规律或随即地变化，即称为电压波动。电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使白炽灯光发生闪烁等等。由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波动的主观视感，即“闪变”，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。 1 电压波动与闪变的检测 1.1 调幅波检测 要对电压波动与闪变进行有效的抑制，首先的任务就是要准确的提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在0.05~35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。 考虑电压波动分量，就是在基波电压上叠加有一系列的调幅波，为使分析简化又不失一般性，研究电压波动的检测方法可分析某单一频率的调幅波对工频载波的调制，将工频电压u(t)的瞬时值解析式写成： 式中：A为工频载波电压的幅值，ω0为工频载波电压的角频率，m为调幅波电压的幅值，mcos(Ωt)为波动电压。 目前，常用的波动电压检出方法有三种：平方解调检波法、全波整流检波法
电压波动与闪变
电压波动与闪变 一、电压波动与闪变的定义 电压波动就是电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期（20ms）。 电压波动造成灯光照度不稳定（灯光闪烁）的人眼视感反应称为闪变，换言之，闪变反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响；电压闪变是电压波动引起的结果，它不属于电磁现象。 电压闪变与常见的电压波动不同。 （1）电压闪变是指电压形上一种快速的上升及下降，而波动指电压的有效值以低于工频的频率快速或连续变动。 （2）闪变的特点是超高压、瞬时态及高频次。如果直观地从波形上理解，电压的波动可以造成波形的畸变、不对称，相邻峰值的变化等，但波形曲线是光滑连续的，而闪变更主要的是造成波形的毛刺及间断。 二、电压波动与闪变的检测方法 由于电压波动是电压有效值的快速变动，它的波形是工频电压的调幅波。因此，闪变测试首先是通过检波的方法将波动信号从工频电压中分离出来。目前国内外电压波动的检测方法有三种，即平方检测、整流检测和有效值检测。对三种检测方法，论文予以分析、比较，最终确定选用平方检测法的改进法，即本文采用同步电压和小波多分辨率分析检测电压闪变信号。并对小波分解和同步检波对波动信号的检测文中加以说明。常用的几种闪变仪中电压波动的检测方法，可归结为由上式解调出调幅波v = mcos ?t，介绍如下。 2.1 平方检波法 IEC 推荐的闪变仪采用平方检测方法，即由 u (t)、u (t)2和v (t)的波形图例，如图3－1 所示。经过0.05~35Hz 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，便可以检测出调幅波即电压波动分量，其输出 2.2 整流检波法 英国ERA 闪变仪采用整流检测的方法。图3-2（a）所示的电压u ( t )经过整流的波形g ( t )如图3-2(c)所示。理论上，将g(t)可看成u(t)乘以幅值为±1、频率为工频的矩形波p(t)。p(t)的波形图如图3-2(b)所示。由傅立叶级数变换可得
码头电压波动和闪变分析及其解决方案
码头电压波动和闪变分析及其解决方案 摘要：电压波动造成的灯光闪烁的人眼视觉反应称为闪变，电压波动会影响到许多电气设备的正常运行。本文结合某码头电压波动和闪变事件实例，对闪变原因进行了分析，并提出了相应的治理措施，对其解决方案进行了详细的介绍，为类似事件处理提供参考借鉴。 关键词：码头；电压闪变；解决方案 随着我国社会经济的快速发展，码头作为供船舶停靠、货物装卸、旅客上下的重要交通枢纽，也取得了极大的进步。在码头运行中，其供配电系统的稳定运行关系到码头的工作效率及其正常运行。而随着码头电力系统中大容量冲击负荷的不断增加，码头供配电网中的电压闪变现象也越来越严重，严重影响到了码头的正常工作。因此，对其进行分析，进而提出详细的解决方案十分必要。 1 码头配置配电系统 1.1 码头配置配电系统 用户、发电厂以及电力网变电站组成了完整的电力系统。大部分码头电能是经过地区电力网分配，通过电压降低处理，分配到具体的用电场所。港区占地面积一般比较大，用电负荷分布呈分散性，其中大部分容量不大且基本是220～380V的设备。大型码头的作业区通常接入的电能电压高达110kV，桥吊设备使用的电能需要在码头进行降压，电压控制在3～10kV，低压设备的使用需要进行进一步降压的操作。 按照一般具体情况，码头用电负荷等级大多是Ⅱ级或者Ⅲ级。国际性大型码头大多为Ⅱ级负荷；普通的中、小型码头为Ⅲ级负荷，负荷分级不是绝对的，影响因素有：码头性质、规模以及当时当地的电力供应情况。所以码头的用电负荷需要结合具体的实际情况，综合考虑各种影响因素后才能确定。 1.2 码头供配电系统 以负荷等级为Ⅱ级的某大型码头为例，码头供配电系统为：开关站110kV （洋中开关站）、1个6kV降压站（LNG站）以及2个10kV降压站（A站、B 站）。由110kV临洋1541线以及临洋1538线组成供电系统，进线输电电缆长约43km，使用单相混合的方式敷设。其中110kV母线拥有1443MVA的最小短路容量，1482MVA的最大短路容量，一般情况下，两段母线是分列运行的，码头用电负荷目前一般不超过10MW。为补偿由于远距离输电导致的线路电缆电容发生容性无功功率的现象，所以在110kV开关站侧以1541线和1538线设置并联补偿电抗器，设置25MVA的额定容量。A站以及B站的1#、2#主变为50MVA的容量，LNG站1#、2#为25MVA的主变容量，其中，A站所带负荷主要是28台桥吊，B 站所带负荷主要是34台桥吊。 2 电压闪变 2.1 电压闪变的描述 发生电压闪变事件的时候，同时对A站、B站2#主变进行停运检修，1#主变带全部负荷A站、B站2#主变。其中A站所带负荷主要是中242冠二期乙馈线、中224冠东乙馈线、中141冠二期甲馈线以及中123冠东甲馈线；B站所带负荷主要是洋11盛东甲馈线、洋27盛二期甲馈线、洋28盛二期甲馈线以及洋12盛东乙馈线。办公楼出现灯光闪烁现象，并且同时在A、B站的1#主变10kV进线侧进行检测，检测到电压发生振荡[1]。 2.2 分析电压闪变的源头