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摘要：目前，在电力系统中存在电压跌落这个显著的电能质量问题，通常需要通过动态电压恢复器来预防这一问题的发生。对电力系统中的电压跌落以及常见的电压跌落检测方法分进行析阐述，并对动态电压恢复器的控制原理及控制策略进行探讨，以促进电压跌落问题得到有效的解决。
关键词：电压跌落；电能质量；检测方法；动态电压恢复器
作者简介：程斌（1982-），男，广东广州人，广州萝岗供电局，助理工程师。（广东?广州?510000）
中图分类号：TM714.2?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0121-02
电能质量不仅关系到电网的安全经济运行，还对大大小小的电力负荷的正常工作具有一定的影响。越来越多的用电设备对电能质量非常敏感，电力用户对供电质量的要求也越来越高。根据有关研究的数据统计可以得出，在电力系统存在的众多电能质量问题中，电压跌落问题是发生率最高且造成损失最严重的电能质量问题，而动态电压恢复器（DVR）能有效地解决电网中存在的暂态电压质量问题，如电压跌落、暂升、短时谐波等。因此，对动态电压恢复器进行深入研究有助于解决电压跌落问题，提高电能质量，满足电力用户的高要求，具有极大的理论和现实意义。
一、电压跌落简述
电压跌落是一种电压暂降现象，即在短时间内供电电压有效值出现突然下降又回升恢复。电压跌落存在多种不同的定义，其中 IEEE将电压跌落定义为供电电压有效值快速下降到90%～10%额定值范围内，并电压有效值变化将持续半个电源周期到1min；IEC所指的电压跌落表示电网中的供电电压下降到90%～1%额定值范围中，并电压有效值变化持续10ms～1min。采用检查跌落幅值、持续时间和跳变相位等特征向量可以用来判定电力系统中是否存在电压跌落问题，并在此基础上结合动态电压恢复的补偿能力产生指令电压，以补偿敏感负载上的电压跌落幅值和跳变相位。
电压跌落的成因主要包括以下几个方面：短路故障、雷击和大型异步电动机起动等，除此以外，还包括大量的随机因素。
（1）由于输电网或者配电网中出现短路故障，将会使电网电流急剧增大，从而出现公共连接点处的电压跌落情况，并沿着电网扩散开来，进而对网络中的用户产生严重的影响。其中电压跌落的幅值主要由短路故障类型和故障点距离来引发，而电压有效值的变化持续时间主要是由保护的类型决定，通常为半个周期到数秒之间。不同类型的短路故障将会产生对称型和不对型两种不同类型的电压跌落现象。
（2）雷击可能会引起绝缘子闪络或线路对地放电问题，若发生此类问题，电力系统中也会发生电压跌落现象。通常情况下，以暴露在大自然中的电力系统为主体，将不能采取有效的避雷措施，容易遭受雷击干扰，尤其是雷雨季节的多雷地区。由雷击而引发的电压跌落的概率大约为60%，持续时间在5个周波以上，而且在方圆数千平方公里内，任意地方发生雷击都将对该区域内的任一敏感负荷的正常、安全运行产生巨大的影响。
对电力用户而言，电压跌落造成的危害虽然没有电压中断的大，但它的发生率极高。电压中断的危害波及范围较小，通常仅由某一局部范围内的故障引起，而电压跌落的危害波及范围极大，可能由数百公里以外的输电系统中的故障引起，尤其是对敏感负荷造成的危害并不比电压中断小，甚至更严重。随着现代工业自动化程度的不断提高，越来越多且复杂的设备被应用到生产生活中，尤其广泛分布于办公室、工厂和家中的基于微处理器的设备对电能质量要求相对较高，尤其是对电压跌落相当敏感，即使电压跌落的持续时间很短，也极易受到电压跌落扰动的影响，从而对工业生产、人民生活以及经济造成重大影响和损失。
二、电压跌落检测方法
1.有效值计算方法
有效值计算方法是电压跌落检测过程中最基本方法，还是由电能质量检测仪标准认可并推荐的检测方法，是指依据连续周期信号有效值的定义，利用时间域一个周期数字均方根运算得到电压有效值，但是它至少基于一个周期信号分析，从而导致一个周期的延时性、实时性相对较差，而且只能检测出电压跌落的幅值，并不能快速、准确检测出电压跌落的起止时刻以及可能出现的相位跳变。
2010年8月中下旬，在营业的营销稽查中，结合计量自动化系统，检测到乌实F19线损异常，其线损值高达到34.15％，原因为乌实F19的长兴（广州）光电材料有限公司的B相电流互感器无电流输出，从而少计量1/3电量，导致乌实F19线损高达34.15％。装表班在8月19日对用户电流互感器进行更换。并对少收电费进行追补，共计两百多万度电量（见图1）。
2.基波分量法
基波分量法在假设电压波形是具有对称性的基础上，对以半个周期的电压采样数据构造出的整个周期的数据序列采取FFT运算，然后快速检测出电压变化。该方法基于对称性电压波形而实现，若实际的电压出现不对称，则会使计算结果产生误差。该方法相对有效值计算方法而言，实时性相对有所提高，但是其计算仍是建立在已知至少半个周期前的“历史”数据的基础上进行的。这势必将会造成半个周期的延时，那么基波分量法的实时性就存在有待进一步提高的空间，以满足动态电压恢复器的快速检测要求。此外，与有效值计算方法一样，对电压跌落时的起止时刻以及可能的相位跳变的明确检测，基波分量法没有得到体现。
3.小波分析法
小波分析法，即引入可变的平移因子和尺度因子来进行信号分析，是一种时频局部化分析方法。它在弥补傅立叶变换的不足以及解决时频局部化矛盾方面都表现出了良好的性能，且对信号中的奇异点表现出极好的敏感性，从而将信号中的微小变化突显；具有良好的消噪能力；能够提取丰富的特征量，且不造成信息丢失；在扰动判断方面表现出良好的准确性以实现扰动时间的准确定位；具有时频局部化的特性以自适应信号。但是小波分析法通过信号在不同小波尺度上投影来获取信号的时频特征，而不同的小波基具有不同的时频特性，即小波基都有选择性。因此，小波分析法的处理效果非常依赖于小波基的选择。 三、动态电压恢复器控制策略
1.动态电压恢复器概述
动态电压恢复器是一种D-FACTS装置，在电源与敏感负荷之间以串联的形式存在。负荷正常运行，电压由系统来提供，而动态电压恢复器被旁路；在电压凹陷情况下，在数ms内，电压凹陷情况就能被动态电压恢复器有效补偿。动态电压恢复器典型结构如图2所示，动态电压恢复器主电路包括输出滤波、器逆变器、串联变压器、直流储能装置。当用户侧发生电压暂降时，可控制逆变器开关使直流侧的电压转换为交流电压输出，然后经过滤波器滤波，由串联变压器在负载侧进行补偿。
2.动态电压恢复器控制策略
（1）底层控制，是指控制逆变器的功率半导体开关器件，主要包括脉冲频率控制（PFM）和脉冲宽度调制（PWM）两种方式。脉冲宽度调制是以控制开启和关闭时间来实现功率的控制转换，通常情况下开关器件具有相对固定不变的开关频率，其中最为常用的为正弦脉冲宽度调制（SPWM），是对开关器件的开启和关闭状态进行实时、适合的控制，以实现多脉波的矩形脉冲电压宽度呈正弦规律变化，因此可将逆变电路输出的多脉波电压视为正弦电压（若开关频率越高，脉波数越多可忽略许多低次谐波，只包含基波和开关频率倍数相对应的某些高次谐波）。
（2）中层控制，主要有闭环控制和开环控制。开环控制是采用系统电压与基准电压的差值对逆变器的输出实施无用户电压反馈的控制。系统要求若仅采用纯粹的开环控制是很难达到的，串联变压器的等效阻抗会影响输出电压。通常可以采用更低阻抗的串联变压器，但是这种方法的成本相对较高，且存在加大的设计难度；另外，为了减小串联阻抗的影响，可采用状态反馈方法。相对开环控制而言，闭环控制是一个有反馈的控制方式，通常是为了保持负载电压和期望的参考电压在动态上一致，将动态电压恢复器输出的补偿电压或经过补偿后的负载电压反馈回控制系统。其中输出电压有效值反馈控制虽然能够稳定输出电压有效值，但对于负荷变化的反应很慢，而输出电压瞬时值反馈控制通过调节参考电压和输出电压的差，有效地提高输出电压的动态性能。
（3）上层控制。上层控制，即当动态电压恢复器检测到系统侧有电压跌落时，为了使电力用户不受其影响并满足电力用户的需求，动态电压恢复器将会根据参考电压的幅值相位输出一个补偿电压。动态电压恢复器电压注入方式主要考虑电压补偿能和能量补偿能力的问题：在相同的直流电压条件下，如何使电压跌落问题获得更大补偿幅度；在相同直流侧电压和储能电容的条件下，如何使电压跌落问题获得更长补偿时间。对不同补偿策略的选择，如完全补偿策略、同相位补偿策略和最小有功补偿策略等，可根据用户侧负荷对电能质量的敏感程度而确定。
四、结语
在现代工业时代中，越来越多电力电子设备在人们生产与生活得到了广泛的应用，在给人们带来方便的同时也对电能质量的要求越来越高，而最常见且影响很大的电能质量问题就是电压跌落，因此，治理电压跌落问题对改善电能质量非常具有意义。针对电压跌落问题，本文分析了电压跌落问题的检测方法和动态补偿技术，以给寻求更适合于动态电压恢复器的实时检测方法提供理论依据，使其具有更广阔的发展和应用前景。
参考文献：
[1]申科,王建赜,蔡兴国,等.动态电压恢复器比例谐振控制[J].电力自动化设备,2010,(7).
[2]蔡林海,荆平,武守远,等.动态电压恢复器控制策略研究[J].电力自动化设备,2007,(11).
[3]郭文勇,肖立业,郭金东,等.动态电压恢复器的最优控制和最优滤波[J].中国电机工程学报,2009,(6).
（责任编辑：刘辉）
关键词：电压跌落；电能质量；检测方法；动态电压恢复器
作者简介：程斌（1982-），男，广东广州人，广州萝岗供电局，助理工程师。（广东?广州?510000）
中图分类号：TM714.2?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）24-0121-02
电能质量不仅关系到电网的安全经济运行，还对大大小小的电力负荷的正常工作具有一定的影响。越来越多的用电设备对电能质量非常敏感，电力用户对供电质量的要求也越来越高。根据有关研究的数据统计可以得出，在电力系统存在的众多电能质量问题中，电压跌落问题是发生率最高且造成损失最严重的电能质量问题，而动态电压恢复器（DVR）能有效地解决电网中存在的暂态电压质量问题，如电压跌落、暂升、短时谐波等。因此，对动态电压恢复器进行深入研究有助于解决电压跌落问题，提高电能质量，满足电力用户的高要求，具有极大的理论和现实意义。
一、电压跌落简述
电压跌落是一种电压暂降现象，即在短时间内供电电压有效值出现突然下降又回升恢复。电压跌落存在多种不同的定义，其中 IEEE将电压跌落定义为供电电压有效值快速下降到90%～10%额定值范围内，并电压有效值变化将持续半个电源周期到1min；IEC所指的电压跌落表示电网中的供电电压下降到90%～1%额定值范围中，并电压有效值变化持续10ms～1min。采用检查跌落幅值、持续时间和跳变相位等特征向量可以用来判定电力系统中是否存在电压跌落问题，并在此基础上结合动态电压恢复的补偿能力产生指令电压，以补偿敏感负载上的电压跌落幅值和跳变相位。
电压跌落的成因主要包括以下几个方面：短路故障、雷击和大型异步电动机起动等，除此以外，还包括大量的随机因素。
（1）由于输电网或者配电网中出现短路故障，将会使电网电流急剧增大，从而出现公共连接点处的电压跌落情况，并沿着电网扩散开来，进而对网络中的用户产生严重的影响。其中电压跌落的幅值主要由短路故障类型和故障点距离来引发，而电压有效值的变化持续时间主要是由保护的类型决定，通常为半个周期到数秒之间。不同类型的短路故障将会产生对称型和不对型两种不同类型的电压跌落现象。
（2）雷击可能会引起绝缘子闪络或线路对地放电问题，若发生此类问题，电力系统中也会发生电压跌落现象。通常情况下，以暴露在大自然中的电力系统为主体，将不能采取有效的避雷措施，容易遭受雷击干扰，尤其是雷雨季节的多雷地区。由雷击而引发的电压跌落的概率大约为60%，持续时间在5个周波以上，而且在方圆数千平方公里内，任意地方发生雷击都将对该区域内的任一敏感负荷的正常、安全运行产生巨大的影响。
对电力用户而言，电压跌落造成的危害虽然没有电压中断的大，但它的发生率极高。电压中断的危害波及范围较小，通常仅由某一局部范围内的故障引起，而电压跌落的危害波及范围极大，可能由数百公里以外的输电系统中的故障引起，尤其是对敏感负荷造成的危害并不比电压中断小，甚至更严重。随着现代工业自动化程度的不断提高，越来越多且复杂的设备被应用到生产生活中，尤其广泛分布于办公室、工厂和家中的基于微处理器的设备对电能质量要求相对较高，尤其是对电压跌落相当敏感，即使电压跌落的持续时间很短，也极易受到电压跌落扰动的影响，从而对工业生产、人民生活以及经济造成重大影响和损失。
二、电压跌落检测方法
1.有效值计算方法
有效值计算方法是电压跌落检测过程中最基本方法，还是由电能质量检测仪标准认可并推荐的检测方法，是指依据连续周期信号有效值的定义，利用时间域一个周期数字均方根运算得到电压有效值，但是它至少基于一个周期信号分析，从而导致一个周期的延时性、实时性相对较差，而且只能检测出电压跌落的幅值，并不能快速、准确检测出电压跌落的起止时刻以及可能出现的相位跳变。
2010年8月中下旬，在营业的营销稽查中，结合计量自动化系统，检测到乌实F19线损异常，其线损值高达到34.15％，原因为乌实F19的长兴（广州）光电材料有限公司的B相电流互感器无电流输出，从而少计量1/3电量，导致乌实F19线损高达34.15％。装表班在8月19日对用户电流互感器进行更换。并对少收电费进行追补，共计两百多万度电量（见图1）。
2.基波分量法
基波分量法在假设电压波形是具有对称性的基础上，对以半个周期的电压采样数据构造出的整个周期的数据序列采取FFT运算，然后快速检测出电压变化。该方法基于对称性电压波形而实现，若实际的电压出现不对称，则会使计算结果产生误差。该方法相对有效值计算方法而言，实时性相对有所提高，但是其计算仍是建立在已知至少半个周期前的“历史”数据的基础上进行的。这势必将会造成半个周期的延时，那么基波分量法的实时性就存在有待进一步提高的空间，以满足动态电压恢复器的快速检测要求。此外，与有效值计算方法一样，对电压跌落时的起止时刻以及可能的相位跳变的明确检测，基波分量法没有得到体现。
3.小波分析法
小波分析法，即引入可变的平移因子和尺度因子来进行信号分析，是一种时频局部化分析方法。它在弥补傅立叶变换的不足以及解决时频局部化矛盾方面都表现出了良好的性能，且对信号中的奇异点表现出极好的敏感性，从而将信号中的微小变化突显；具有良好的消噪能力；能够提取丰富的特征量，且不造成信息丢失；在扰动判断方面表现出良好的准确性以实现扰动时间的准确定位；具有时频局部化的特性以自适应信号。但是小波分析法通过信号在不同小波尺度上投影来获取信号的时频特征，而不同的小波基具有不同的时频特性，即小波基都有选择性。因此，小波分析法的处理效果非常依赖于小波基的选择。 三、动态电压恢复器控制策略
1.动态电压恢复器概述
动态电压恢复器是一种D-FACTS装置，在电源与敏感负荷之间以串联的形式存在。负荷正常运行，电压由系统来提供，而动态电压恢复器被旁路；在电压凹陷情况下，在数ms内，电压凹陷情况就能被动态电压恢复器有效补偿。动态电压恢复器典型结构如图2所示，动态电压恢复器主电路包括输出滤波、器逆变器、串联变压器、直流储能装置。当用户侧发生电压暂降时，可控制逆变器开关使直流侧的电压转换为交流电压输出，然后经过滤波器滤波，由串联变压器在负载侧进行补偿。
2.动态电压恢复器控制策略
（1）底层控制，是指控制逆变器的功率半导体开关器件，主要包括脉冲频率控制（PFM）和脉冲宽度调制（PWM）两种方式。脉冲宽度调制是以控制开启和关闭时间来实现功率的控制转换，通常情况下开关器件具有相对固定不变的开关频率，其中最为常用的为正弦脉冲宽度调制（SPWM），是对开关器件的开启和关闭状态进行实时、适合的控制，以实现多脉波的矩形脉冲电压宽度呈正弦规律变化，因此可将逆变电路输出的多脉波电压视为正弦电压（若开关频率越高，脉波数越多可忽略许多低次谐波，只包含基波和开关频率倍数相对应的某些高次谐波）。
（2）中层控制，主要有闭环控制和开环控制。开环控制是采用系统电压与基准电压的差值对逆变器的输出实施无用户电压反馈的控制。系统要求若仅采用纯粹的开环控制是很难达到的，串联变压器的等效阻抗会影响输出电压。通常可以采用更低阻抗的串联变压器，但是这种方法的成本相对较高，且存在加大的设计难度；另外，为了减小串联阻抗的影响，可采用状态反馈方法。相对开环控制而言，闭环控制是一个有反馈的控制方式，通常是为了保持负载电压和期望的参考电压在动态上一致，将动态电压恢复器输出的补偿电压或经过补偿后的负载电压反馈回控制系统。其中输出电压有效值反馈控制虽然能够稳定输出电压有效值，但对于负荷变化的反应很慢，而输出电压瞬时值反馈控制通过调节参考电压和输出电压的差，有效地提高输出电压的动态性能。
（3）上层控制。上层控制，即当动态电压恢复器检测到系统侧有电压跌落时，为了使电力用户不受其影响并满足电力用户的需求，动态电压恢复器将会根据参考电压的幅值相位输出一个补偿电压。动态电压恢复器电压注入方式主要考虑电压补偿能和能量补偿能力的问题：在相同的直流电压条件下，如何使电压跌落问题获得更大补偿幅度；在相同直流侧电压和储能电容的条件下，如何使电压跌落问题获得更长补偿时间。对不同补偿策略的选择，如完全补偿策略、同相位补偿策略和最小有功补偿策略等，可根据用户侧负荷对电能质量的敏感程度而确定。
四、结语
在现代工业时代中，越来越多电力电子设备在人们生产与生活得到了广泛的应用，在给人们带来方便的同时也对电能质量的要求越来越高，而最常见且影响很大的电能质量问题就是电压跌落，因此，治理电压跌落问题对改善电能质量非常具有意义。针对电压跌落问题，本文分析了电压跌落问题的检测方法和动态补偿技术，以给寻求更适合于动态电压恢复器的实时检测方法提供理论依据，使其具有更广阔的发展和应用前景。
参考文献：
[1]申科,王建赜,蔡兴国,等.动态电压恢复器比例谐振控制[J].电力自动化设备,2010,(7).
[2]蔡林海,荆平,武守远,等.动态电压恢复器控制策略研究[J].电力自动化设备,2007,(11).
[3]郭文勇,肖立业,郭金东,等.动态电压恢复器的最优控制和最优滤波[J].中国电机工程学报,2009,(6).
（责任编辑：刘辉）