（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电闪变研究与管理.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 i a d i t i o n a l p o 、v e rg e n e r a t i o n a n ds u p p l ym o d eo fp o w e rs y s t e m l a si t s d i s a d v a l l t a g e sa tl e a s ti nf o l l o 谢n gt 、v oa s p e c t s ：o n ei sc o m s 啪i n gh u g e 锄o u n t so f 1 1 1 1 r e n e w a b l er e s o l l r c e s ，s u c ha sc o a la n dn a n l r a lg a s ，砌c hh a sp o l l u t e dm ea i r 肌d w a t e r t l l e0 t h e ri st r a n s m i s s i o n1 i n ea 1 1 d 佻f o m l e rs u b s t a t i o no c c u p y i n gm u c h g r o u f l da l l dc 印i 僦，a n daw a s t eo fe n e r 眄s o l l r c e sd u et op o w e rl i n el o s s 柚dm e e l e c t r i c i t yu s e dw h k np o w e ip l a n t i na d d i “o n ，也e 如e lb e c o m e ss c 钌c e ，a n da tt h e s 锄et i m ep e 叩l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt os u r r o 哪d i n ge n v i r o n m e n t s ，t h u st h e 仃a d i t i o n a lp o w e rs y s t 锄m o d ei sr e c o n s i d e r e da n d协e r c b yt h ed i s 们b u t i o n g e n e r a l i o n ( d g ) i sp u tf o m r a r d h o w e v e r ，d gm a yb r i n gm c k e rp r o b l e mi i l d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i sp a p e r j u s tf o c u s e so nt h i sp r o b l e m t h i sp 印e rf i r s ti i l n d d u c e sm eb a s i cc o n c e p to fd ga n dn i c k e r s ，a n dm e s i g n i f i c a n c eo f 印p l y i n gd g i no u rc o u n 仃yi sa l s od 呈s c u s s e d t h e nt l l ep 印e rp r e s e m s an i c k e rm e t e rb a s e do ni e c s t a n d a r da n dan e t - c o n n e c t e dc o i l 订0 1 l e r ，w h i d la r e d e s i g n e d a n d i m p l e m e m e dt 1 1 r o u g h s o 行w a r es i m u l a t i o ni n t h i s p a p e la n c l e c t r o m a 酗e t i ct r a n s i e n tm o 出b a s e do nm a t l a b s i m u l i l l ki se m p l o y e dt oa n a l y z e 也e n i c k e ri 1 1as m a l ld i s 扛i b u t i o ng e n e r a t i o ns y s t e n l ac o n 加l l e rm o d e lb a s e do np s s 压i s u s e dt os i m u l a t et h ev o l 诅g ef l i c k c rmar e a ld i 州b u t i o nn e r k 、i 也d gt h er e s u l t s 0 fs i m u l a 虹o n 曲d i c a t en l e 丑i c k e rc a u s e db yd ge x i 咖b u tb yo p e r a t i n gi n 印p r o 埘a c c m o d ea n de q u i p p i n g 谢t ha p p r o 州a t ec o n 加l l e r ，m en i c k e rc o u l db es l i g l l t a t i a s 厶t 1 1 ep a p e rm a l ( e sab r i e fd i s c u s s i o na b o u t ) gm a n a g e m e n tb a s eo nl o a d m a n a g e m e n ts y s t e m k e ) 僻o r d ：d i s m 面o n ( 油e 硎o n ；p o w e rq u a i i t y ；v 0 i t a g en i c k e r ；n e t - c o n n e c t e d c o n 廿o l l e r ；o p e m t i o na i l dm a l l a 群i l e n t ； l l 浙江大学硕士学位论文 1 1 分布式发电概述 第一章概述 1 1 1 引言 传统的发供电模式，一方面发电侧消耗大量煤炭、天然气等不可再生能源， 并对大气和水体产生污染；另一方面输配电设施的建设占用大量土地与资金，发、 输、配过程中的厂用电与线损不可避免地造成了大量的电能浪费。由于石化燃料 供应日益紧张，生态环境不断恶化，人们对传统的发供电体系进行了反思。技术 创新带来的小型发电机组效率的提高，为分布式发电的再现提供了重要的技术保 证。同时负荷的不断增长致使输电网络越来越接近运行极限，资源与环境的双重 压力构成了推进分布式发电的直接动力。所以，直接从配电侧接入电网的分布式 发电技术越来越受到人们的关注。分布式电源对于调峰、节省输变电投资、提高 供电可靠性，边远用户或者商业区和居民区供电，有着重要的作用【1 8 ，1 9 ，2 4 】。 分布式发电( d g ) 并非一个全新的概念。在电力时代的早期，由于电能的 使用尚未普及，很多机组都是孤岛运行；我国早期的燃煤自备电厂、重要用户采 用的自备发电机，也应当都是分布式发电的例子。但是这些小机组由于技术落后， 在节能环保方面没有任何优势可言，国家已经要求逐步淘汰小煤电、小热电机组。 目前所提出的分布式发电技术，一般是指风力发电、光伏发电、燃料电池、微汽 轮机、燃气轮机等以可再生能源或者天然气作为一次能源的新型发电技术。 1 1 2 分布式发电的定义与分类 关于分布式发电目前还没有统一的定义，一般指在配电网或用户侧接入的小 型发电装置。这些电源单机一般不超过1 0 m w ( 如往复式发电机、微气轮机) ， 小的可以是几百瓦( 如光伏电池) ；在配电网接入运行；具有环境友好型，资源 节约型的特点。 目前主要的分布式电源有风力发电、光伏发电、燃料电池、微汽轮机、燃气 轮机发电、往复式发电机、能量存储装置等。目前在美国往复式发电机、微汽轮 机发电的使用量大幅上升，一些大公司采用其作为备用电源采用并网或孤岛运行 浙江大学硕士学位论文 方式，基本具备了与传统用电模式的竞争力 1 8 】。而风力发电、光伏电池、燃料 电池等因为技术复杂价格昂贵，广泛使用预计还需要一段时间。这些电源按照燃 料不同，可分为石化能源与可再生能源；根据循环方式不同，可分为燃气轮机发 电方式，蒸汽轮机发电方式或柴油机发电方式。根据用户需求不同，有供电力方 式、热电联产方式( c h p ) 和冷热电联产方式( c c h p ) ；图i 1 从技术和制造的 角度，对分布式电源进行了分类。 再毯融峨h d m m m | s n l d h l n ? 礤蚪似c p 叽坩r s t e 蚍s r 船娟t 如7 1 ：4 l i 如i2 s j 繁瓣葛黧麓翁i 缔越黜熟斛 i n 即5 肆t 酬慷刚堰吣l c o 性矗s 口l ! j 怒絮筌揣l 蒜燃醚托、 裟裟甜卜恃触 竺 龇￥设* ，s u j 1 删 辈黼靴雪一蓉斓。惑 一竺兰燃帆k 竺# i 如 8 u 。l 舢 燃辑电嚏一o 一 电缝? 。飞帖s u c h s o 删。嘎摊钱目，”篙岫 嗍南j 莲鲡匦 ，一7 臀、魑燃卜了：豫屯燃，曲溢毹1 赢蒜闻 蔫最知圈影i 砸屯嚣| 景i 碲扣j t 蹦c；m c 似l靶饩爱呓建，；麓 毡g l 1 1 3 分布式发电的现状 目前世界上最具商业运营前景的主要是微汽轮机。专家预测微汽轮机采用热 电联产模式将是2 1 世纪能源利用的潮流。目前微汽轮机技术主要在北美，欧洲 和日本也有一些厂家。采用热电联产模式后，其能源综合利用率可以达到6 0 以 上【2 4 】。但是由于其采用天然气发电，在天然气资源比较匮乏的地区就难以推广。 在中国就存在利用天然气来“发电”还是利用天然气来“做菜”的争议，中国的 燃气大电厂普遍存在供气不足的问题。更不用说保证小型的分布式电源了。 尽管风力发电、光伏发电等目前经济性较差，但是由于其使用可再生能源发 电，仍然受到普遍的重视。美国、日本由于本国的电子信息产业比较发达，在太 阳能利用方面走在了前面。欧洲在传统机械制造业方面始终保持着领先的地位， 浙江大学硕士学位论文 本身所处的地理位置风能又特别的丰富，所以风力发电在欧盟快速发展。随着可 再生能源技术的进一步成熟，在世界各国的鼓励政策支持下，预计今后可再生能 源将会得到更快、更大、更好的发展。今后发展较快的可再生能源除水能外，主 要是生物质能、风能和太阳能。生物质能仍是可再生能源中( 非水电) 最重要的能 源之一，主要利用方式是发电、供热和制取液体燃料。风电将是今后2 0 年发展 最快的可再生能源技术。2 0 0 3 年，全球新增风电装机容量约为8 2 5 万千瓦，总 风电装机容量已达4 2 5 0 万千瓦。目前，至少有4 8 个国家已利用风力发电，而欧 洲就占全球风电总装机容量的7 0 多，且主要集中在德国、丹麦和西班牙。据 预测，到2 0 2 0 年，风电将占世界发电量的1 2 。太阳能发展的主要方向是光伏 发电和热利用，光伏发电的主要市场是发达国家的并网发电和发展中国家无电地 区的独立供电。 分布式发电技术在我国目前还处于起步阶段，我国目前分布式发电源主要是 一些小水电、自备发电机、以及为数不多的风力发电、光伏电池、潮汐电站和垃 圾发电。我国分布式发电的水平很低，受“电荒”影响，自备柴油发电机增长很 快。我国的风电装机容量不到l o o 万千瓦，远未形成产业规模。无论是市场占有 率，还是在能源结构中的比重乃至发电设备制造水平，都远远落后于丹麦、德国 等发达国家，甚至不如风能开发晚于我国的印度。光伏发电在地广人稀的西藏地 区使用，大城市仅仅是做了一些试点。其他的一些发电形式更是只有形象工程的 意义了。所以我国分布式发电发展的任务很重。 1 2 我国发展分布式发电的重要意义 1 2 1 我国严峻的能源形势 据2 0 0 1 年中国能源发展报告，截至2 0 0 0 年在一次能源的资源结构中，我国 总资源量、探明总储量和探明可采储量占世界的比例分别为3 9 、2 5 和 1 0 1 ；人均煤炭、石油、天然气资源量仅为世界平均水平的6 0 、1 0 和5 。2 0 0 3 年，我国能源消费总量为1 6 8 亿吨标准煤。其中煤炭占6 7 1 ，原油 占2 2 7 ，天然气占2 8 ，可再生能源占7 3 。 目前我国面临着常规能源资源约束，过分依赖煤炭污染严重，能源利用效率 低等问题。在石油方面，自1 9 9 2 年以来进口剧增，年均增长率达到3 5 左右， 3 浙江大学硕士学位论文 中国己成为全球第三大石油进口国。能源过分地依赖进口，也许还过分依赖世界 上某个地区或国家，如果不事先应对，隐含地缘政治与能源安全供应的风险。在 煤炭方面，我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，在我国一次能源生产和消费 结构中的比例约为6 7 ，这种构成居世界首位。煤炭资源在满足我国能源需求的 同时，也对我国生态环境造成严重的破坏作用。我国煤炭利用方式主要是燃烧发 电，煤炭燃烧后s 仉排放量约占全国大气尘埃总排放量的8 7 ，c 晚占7 1 ，粉尘 占6 0 ；排放后形成的酸雨区和污染区，已达国土面积的4 0 以上，造成巨大的 经济损失和严重的社会影响。 如果我国重复发达国家的历史发展道路。那么到2 0 2 0 年，能源消费会持续 增长，保守估计也需要2 5 亿到3 5 亿吨标煤、1 0 亿千瓦发电装机容量；如果到 2 0 5 0 年达到中等发达国家水平，人均消费3 到3 5 吨标煤、1 千瓦功率，人口稳 定在15 亿左右，能源消费则需要4 5 亿到5 2 亿吨标煤、1 5 亿千瓦发电装机容量。 世界上没有任何一种能源能满足这种规模的能源需求。这是对中国自身和世界能 源的巨大挑战。 1 2 2 我国发展d g 产业潜力巨大 中国缺油少气，发展分布式发电必须以可再生能源的综合利用为核心。可再 生能源是重要的战略替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全， 保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的 重要战略措施。 我国可再生能源的资源非常丰富，据2 0 0 0 一2 0 0 4 年全国水力资源复查，初步 统计全国水力资源理论蕴藏量6 8 9 亿k w ，年发电量6 0 4 万亿k w h ，技术可开 发装机容量4 9 3 亿k w 。全园水力资源总量，包括理论蕴藏量、技术可开发量和 经济可开发量均居世界首位。中国10 1 1 1 高度层的风能资源总储量居世界首位，海 上可开发的风能资源更是高达7 5 亿千瓦时。我国西北广袤的沙漠地区，沙漠、 沙漠化土地、潜在沙漠化土地加在一起，共计为8 5 4 万平方公里。倘若把那里 的太阳能都变成电能，那么每年将提供相当于2 万座每座1 0 6 万千瓦标准电功率 的核电站所发电力，可以提供全国电能供应 2 5 。我国是一个农业大国，农业废 弃物资源分布广泛，生物质能开发前景广阔。我国海岸线漫长，潮汐能资源达2 亿千瓦时，也是很大的笔能源财富。 4 浙江大学硕士学位论文 尽管我国可再生能源开发的前景诱人，但是现状不容乐观。目前我国水力资 源的开发利用程度尚低。目前水电开发的重点在西部，其水能可开发量占全国的 8 2 ，已开发量不足l o ，开发程度较低。风能是地球“与生俱来”的丰富资源，加 快开发利用风能已成为全球能源界的共识，但在我国风能利用远未形成产业规 模。迟迟迈不过产业化这道“坎”的我国风力发电，被人称为“长不大的婴儿”。开 发利用太阳能是实现中国可持续发展战略的有效措施之一。近两年来我国的光伏 产业发展迅猛，但我国的光伏电池的生产仍然与发达国家有很大差距。不仅如此 我国9 0 的光伏电池都出口到国外，国内光伏发电十分有限。 发展分布式发电不仅可以推进可再生能源的合理利用，而且对于电力系统建 设运行也可以带来可观的经济效益。引入分布式发电，可减少大型电厂和远距离 输电线路的建设。首先，新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足；其次， 由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷，降低了峰谷差，现有发输电设施的利用 率将大大提高。那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有 建设的必要，从而节省了大量的投资。另一方面，分布式发电的普及对电力市场 的走向和格局影响深远。电力公司和用户之间将形成新型的关系：用户可以从电 力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司有偿 提供削峰、紧急功率支持等服务；分布式发电也为其他行业( 如天然气公司) 进入 电力市场打开了大门，整个电力市场的竞争将更加激烈。从而更加有利于整个社 会资源的合理优化配置。当然，分布式电源的接入使得配电网从一个辐射式的网 络变为一个遍布电源和用户互联的网络。配电系统的控制和管理将变得更加复 杂。需要对对这种新型配电系统的进行深入研究，制定相应法律法规，积极稳妥 地推进分布式发电。 所以一方面我国传统一次能源储量匮乏，在支撑经济高速发展中日益捉襟见 肘，面临开发新能源的巨大压力。另一方面，我国地域广阔，可再生能源总量丰 富，开发的潜力巨大。如何将这些潜在的能源转化为现实的生产力，是我们国人 共同的责任。可再生能源由于能量密度低，无法采用集中式开发的方法，分布式 发电正好为其提供了良好的利用途径。再者，目前用电的峰谷差日益增大，发电 利用小时不足大大影响了传统机组的经济性。分布式发电正好可以弥补传统发电 模式的不足，起到削峰填谷、降低线损等作用。而且发达国家的成功经验，也给 浙江大学硕士学位论文 我国提供了比较参考的依据。技术的日益成熟，运行经验的积累，为我国发展分 布式发电提供了基础保证。只要引导得当，我国完全可以发挥后发优势，实现自 主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来。 1 2 3 推进分布式发电的一点想法 尽管我国可再生能源储量非常丰富，有很好的开发前景。但是可再生能源固 有的能量密度低，受时间和季节的影响显著的缺点。所以开发成本和技术要求普 遍较高目前还不具备与传统能源同台竞争的能力。而且目前采用分布式发电技术 开发可再生能源仍处于研究阶段，还无法达到工业运行的要求。i e e e1 5 4 7 接入 标准【1 3 ，在推出后不到一年就进行了修订，充分反映了该领域的不成熟性。 另一方面，我国是发展中国家，科技文化水平相对落后，受技术和资金等因 素的束缚，新能源利用普遍存在开发成本较高和利用率低的问题。这主要在于体 制性障碍和缺少市场激励机制。可再生能源法的制定实施为发展可再生能源提供 了法律保障，但是一部简单的法律不可能解决所有的问题，要加快配套法规政策 的制定出台，更重要的是营造市场氛围尽快将政策落到实处。 我国的能源政策应在满足经济和社会发展需要的同时，提高能源效率，发展 清洁能源，加强能源与环境的协调，并在体制上为可持续能源战略的实施创造有 利条件。方面要在技术上争取突破：降低开发利用的成本。在接入标准的制定 过程中，坚持实事求是原则，减少人为限制分布式电源并网运行的情况发生。 本文建议可以从以下几个方面着手，逐步推进分布式发电： 1 尽快健全相关法律法规，以价格手段推动市场的形成和完善。长期稳定 的政策支持是大规模开发的初始动力。建议提高分布式发电，特别是其中可再生 能源发电政策中的刚性成分，采取明确的政策保障，降低项目投资风险。建立公 共融资担保机制，提高投资者的融资能力，也是促进分布式发电发展的有效手段。 2 建立政府推动下的市场需求和竞争机制，通过采取政府鼓励和市场引导 相结合的方式，促进分布式发电的技术进步和产业化发展，坚持以规模化带动产 业化。实施可持续发展坚持分担责任的原则，各个层面包括地方和地区政府、商 业部门、企业、消费者等所有利益相关者共同承担义务的事业。 3 国家应重视分布式发电的技术开发，加大科学研究和开发计划的投入， 设立专门的研究开发项目和计划，积极开展国际合作。要突出分布式发电在能源 浙江大学硕士学位论文 发展总体战略中的地位，确定长远的发展目标，形成统一的长期发展规划和具体 的实施计划。尽快争取技术突破，逐步降低分布式电源制造运行的成本；进一步 研究接入标准，减少分布式电源按入中的技术障碍；研究解决好分布式电源接入 后的各种运行问题，确保电力系统安全稳定经济运行。 4 建立促进分布式发电发展的社会氛围。加强全民资源节约意识，开展珍 惜资源、保护环境、节约能源、走可持续发展道路的教育，提高全社会利用可再 生能源的自觉性。各新闻媒体应当广泛宣传，让节能意识、环保意识深入人心。 只要采取行之有效的保障措旌，包括营造市场需求、消除市场障碍、财政税 收扶持、推动技术进步、培育产业体系、加强法制建设等，必然可以大大加速分 布式发电技术在我国的普及利用，不断提高优质清洁能源在能源结构中的比例。 为推进社会主义和谐社会建设，促进产业结构的优化升级，实现可持续能源发展 战略，提供重要支持。 1 3 电压闪变概述 1 3 1 电压闪变的定义 电压闪变是人对光照度变化的主观视感 1 4 】，是电能质量的重要指标之一， 反映了人对电压波动所引起的灯光亮度变化的主观视觉，理论上说只要存在电压 波动就必然会有闪变。早在1 9 2 1 年，g e 公司就提出了闪变敏感度曲线，而这一 曲线被沿用至今，也成为了王e c 制定闪变标准的重要依据之一 1 8 ，2 0 。我国的电 压闪变标准也已经国家技术监督局发布( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 。2 0 0 5 年8 月1 日，国 家电监会颁布实施的供电服务监管办法中也明确将其作为监管指标之一。 1 3 2 闪变的危害 电压闪变的危害表现在：1 照明灯光闪烁( 称为“闪变”) 引起人的视觉不适 和疲劳，影响工效；2 使电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度振动；3 电动机 转速不均匀，影响电机寿命和产品品质：4 影响对电压波动较敏感的工艺或试验 结果，如芯片生产等。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，因为闪变是人对光照度波动的主观视感。 分布式电源的机组启停，原动机有功输入的波动( 光伏电池、风力发电、往 浙江大学硕士学位论文 复式发电机的气缸熄火过程) ，控制系统间的相互作用( m p p t 控制，参数设定 值不合理) 都可能造成电压闪变，所以有必要对其研究。 1 4 本文的目标和内容 ( 一) 研究目标： 1 根据i e c 6 1 0 0 0 一4 一1 5 标准仿真开发闪变测量仪，为闪变指标p s t 获取提 供手段； 2 根据i e e e l 5 4 7 要求，设计并实现逆变型电源和小型同步发电机的并网 控制器，为进一步研究闪变问题提供基础； 3 不同类型分布式电源在不同运行方式下引起电压闪变比较； 4 对分布式电源的管理进行初步讨论。 ( 二) 研究内容： 1 了解分布式发电的发展现状及动态，分析其在中国的发展前景，以及存 在的问题； 2 阅读国内外关于闪变仪算法、并网控制器、闪变仿真方面的有关论文， 开发基于m a t l a b s i m u l i l l l 【和p s s 雁的程序： 3 基于m a t l a b s i m u l i n k 的闪变仿真预测； 4 基于p s s e 的带d g 典型配电网闪变仿真预测； 5 基于负荷管理系统的d g 运行管理方式初步讨论。 ( 三) 预期成果： 1 、结合杭州电力局的分布式发电对地区配网的影响项目，给杭州电力局提 供一个分布式电源引起电压闪变和d g 运行管理方面的理论报告； 2 、发表一些关于分布式发电引起的电压闪变方面的文章，为我国分布式发 电的发展尽一分力。 浙江大学硕士学位论文 2 1 基本概念 第二章电压闪变及其测量 2 1 1 电压波动 电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压方均根值 的两个极值之差，常以标称电压的百分数表示其相对百分值，d ：型* 二型m 。l o 鼢。 u 电压波动的波形，在分析时抽象的将工频电压“看作载波，将波动电压v 看作调 幅波，如图2 1a 。 图2 1 a ) 电压波动蓝线 图2 1 b ) 电网均方根电压 图2 1c ) 调幅波电压 图2 1 b 表示电压有效值u ( t ) 可以看作由一个调幅波电压v ( t ) 对正常电压 【u ( t ) = c o n s t 调制的结果。图2 1 c 表示正弦调幅波，横坐标相当于u ( t ) 的平均值， d 值为v ( t ) 的峰谷差值，通常以其大小作为电压波动的度量。单位时间内的电压 浙江大学硕士学位论文 波动次数称为电压波动的频度r ，一般以m i n 。作为单位。频率和频度的关系为 r ：二。 。 1 2 0 在任意波形调幅波的情况下，若将调幅波分解成傅立叶级数，则对于每个频 率分量，都有其对应的p p 值。需要注意的是，偶然的电压变动，可能叠加并增 大在正常运行状态下的电压波动 6 】。 2 1 2 电压闪变 电压闪变是人对光照度变化的主观视感【1 4 。由于白炽灯对电压波动反应最 为敏感，所以国际电工委员会组织在其标准中选择它的工况作为判断电压波动值 是否被接受的依据。闪变的主要决定因素有：1 电压波动的幅值、频度和波形； 2 照明装置的特性；3 人的主观视感。所以闪变的度量必须包括上面三个因素。 2 1 2 1 闪变觉察率f 经过u i e 和i e c 多年的协调，闪变的标准已在力求统一。对于照明装置一 般取2 3 0 v ，6 0 w 的白炽灯，定义闪变觉察率f 的统计公式为： f ： 笪里 1 0 0 爿+ 占+ c + d 其中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 不能忍受的人数。典型的测试系统如图2 2 所示：u = 2 3 0 v ，z = 0 4 + j o 2 5 址， 对于u = 4 0 0 v 的情形z = o 2 4 + j 0 1 5q ，中性点阻抗z o = o 1 6 + j o 1 0 旺【l o ，1 1 】。 各叫嘲细曲- 盼 图2 2 瞬时闪变的试验装置图 2 1 2 2 瞬时闪变视感度 电压波动引起照度波动对人的主观反应称为瞬时闪变视感度，用p 表示。通 1 0 浙江大学颧士学位论文 常以f _ 0 5 作为视感度的衡量单位。人对不同频率的主观视感是不同的，这是因 为人脑对于亮度的交化需要有最低的记忆时间，高于某一频率或低于某一频率， 人跟就无法觉察其变化( 这一频率称为“停闪频率”) 。表2 1 表示了p = 1 时对应 的电压波动。 表2 1 单位瞬时闪变值( 舻1 ) 对应正弦电压波动表 屉z q5l ols 2o25lo 盐；i 塑k i ： l ：9 qg ：g ： q ：2 ，向z j54o45s o s56o d 盐 q ：g ：q 2g 墼q 塑 q 塑2i ： ，店z 657o ! so88 95 g ：igi 塑 g ：塑q ：堑g ；：2 ；q g ；： ，唐z l aom5 1 1 o5i ：o i 3o d b 每q2 6 0q2 7 0 q2 8 2q2 9 6n3 1 2o3 4 8 ，屉z 1 4ol soi 6oi lo i ol go 一，。 n3 8 9 q 躬2q4 8 0qs 3 0q5 8 4 q6 4 0 f h z 2 002 lo2 20 2 曼o2 4 o2 5o g 兰gz 2 9 g ：鲤g 翌q 2 q 32 篮! ：q 篮 从表2 1 可以看出人对6 - 1 2 h z 频段的电压波动较为敏感，8 8 赫兹的电压波 动最为敏感。为了度量人对不同频率的电压波动的敏感度，更本质地描述灯眼 脑环节的频率特性，m c 定义了视感度系数 置：曼罢霎塑翼罂颦罢黧婆挚! ，根据表2 1 可以计算得到k ( 厂) 的频 p = l 觉察单位的厂h z 正弦电压波动d 。 一 域曲线，如图2 3 。 图2 3 视感度k ( o 的频率特性曲线 ” 浙江大学硕士学位论文 2 1 - 2 3 短时间闪变值p s t 对于随机变化的电压波动，要计算其闪变需要充足的时间( 1 0 m i n ) 观测电 压波动的统计量。i e c 规定对于l o m i n 内的瞬时视感度p ( t ) ，作出其概率分布图 和累积概率函数( c p f 曲线) ，如图2 4 5 。 l i il 一、l n b、 r、 、 e 1 r p ( ) 图2 4p 概率分布图 图2 5p 的累积概率函数曲线 瞬时闪变信号p 具有电压波动的幅值、波形和频率特性，直接反映了电压波 动引起灯光闪烁对人视感的影响，是计算倦r 的中间过程。i e c 8 6 8 中先对该信号 进行a d 模数转换，继而运用累积概率函数( c ) 甲) 曲线对p 进行统计：首先对 一段时间( 如l o 翔i n ) 内的p 信号进行分级，以不小于每一级p 的各级的时间在 该时段内所占时间长度的百分比为纵坐标，以p 为横坐标，作出伢f 曲线。何 曲线纵坐标o 1 、1 、3 、l o 、5 0 9 6 对应的瞬时闪变值分别为1 ，p l ，p 。a 。p ，。 实际上仿真中可以采用排序方法直接计算出各点的p ，值， 则这段时间的风f 可 按下式计算： 其中， 霉j = 叫o 0 3 1 4 琢l + o 0 5 2 5 吮+ o 0 6 s 7 & + o 2 8 b 伽+ o 0 8 马m 1 2 搠旺大学坝士竿1 互诧x 。娲7 + p l + b 5 ，1 $ 2 i 一 ，之2 + 如+ r ，1 52 i 一 ，) 6 + j 气+ j ) 1 1 ) + n 3 + j _ 1 7 1 m2 ：一 。，钿+ r o 十风o j 0 b2 i 一 2 2 闪变测量仪的设计 2 2 1i e c 的闪变测量原理 国际电工委员会( i e c ) 在其标准i e c 8 6 8 中，从测量仪器的角度出发，通过 对电压信号进行处理，阐述了闪变值的计算原理。首先以连续的电压信号为输入 量，通过平方解调器、转折频率( c u t o f f f r e q u e n c y ) 为o 0 5 h z 和3 5 h z 的带通滤波 器、中心频率8 8 h z 的加权滤波器，再通过一个平方器、一阶平滑滤波器后获得输 出信号，如图2 6 所示 们呕哐驰酹吧 删 蛰l 三h 溷 三p 平方奄l 藏 却较t平方 1 平埽谶硅 图2 6 瞬时闪变值d 的计算框图 2 2 2 平方环节 平方环节模拟了灯的作用，起到平方检波作用，从工频电压波动中解调出反 映电压波动的调幅波。假设“0 ) = 爿( 1 + 聊c o s 亿) c o s 耐，经积化和差得 砸) = 缸s 缸+ ；删( c 。s 细一o ) o s ( 。+ 哪) ， 所以“( r ) 包含了m q 的频率分量，这两个频率分量太靠近工频了，不利于滤波 处理。经平方后有： “2 ( f ) = 等( 1 + 等) + m 爪。s ( 。) + 譬c 。s ( 2 口) + 譬( 1 + 等) c o s z 耐 + 华c o s 2 ( m 删+ 华c o s 耻舭等c o s ( 2 卅q x + 等c o s ( 2 出埘 浙江大学硕士学位论文 可见平方后的信号含有直流分量，频率为n ，2 q ，2 掰，2 m q ，2 埘2 q 这些分量。经这样使得低频分量和2 倍工频分量分离开来有利于随后的滤波处理。 图2 7 9 表示了平方检波的过程( a 习2 5 m = 地f _ 9 h z ) 。 秀卿 图2 75 0 正弦调制 图2 8u ( t ) 频域表示图2 g 平方检波后的频谱圈 2 2 3 带通滤波环节 带通滤波器的作用是从信号中提取人眼敏感的0 0 5 h z 一3 5 h z 的波动信号，对 两倍工频信号实现滤波。该环节由一个截止频率0 0 5 h z 的高通滤波器和一个截止 频率为3 5 h z 的六阶b u t t e r w o r t h 滤波器构成。闪变仪要求在相对电压变动为5 的 范围最为灵敏，解调调幅波的幅值变动必须小于1 。所以，对于两倍工频l o o h z 的衰减需在9 0 ( j b 的数量级。这一特性由六阶b u t t e r w o r t h 滤波器和加权滤波器共 同完成。 一阶高通滤波器传递函数为 硼沪舞，峨= 2 加_ 0 5 j 。 六阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器的传递函数为 丑彤( s ) = 【1 + 6 1 ( s ，国。) + 6 2 ( s 。) 2 + 6 3 ( s ，脚。) 3 + 6 4 ( s 国。) 4 + 6 ，( s 出。) 5 + 氏( j 。) 6 】1 其中， 出。= 2 万3 5 s 一，6 】= 也= 3 8 6 4 ，6 2 = 轧= 7 4 6 4 ，如= 9 1 4 1 ，阮= la 2 2 4 加权环节 视感度加权滤波器模拟了人脑对频率的选择性。加权滤波环节反映了人跟对 不同频率的敏感性特征，用典型环节逼近图丁) 曲线来实现。k ( s ) 以乘积形式表 述，莱积的前一项对应二阶滤波器，再乘以会有一个零点和两个极点的后一项对 应的补偿环节，i e c 推荐的传递函数表达式为： 4 浙江大学硕士学位论文 其中， 郧，= 盎雨 k = 1 7 4 0 8 2 ，五= 2 石4 0 5 9 8 1 ，缈l = 2 万9 1 5 4 9 4 甜2 = 2 疗2 2 7 9 7 9 ，珊3 = 2 石1 2 2 5 3 5 ，口4 = 2 丌2 1 9 。 带通滤波与频率加权环节的综合频谱特性如图2 1 0 所示。2 1 l 反映了滤波后 的频谱，可以看出调幅波的频率被准确的识别了出来。 图2 1 02 3 环节综合频谱特性 图2 “滤波后加权后的信号频谱 2 2 5 平方和一阶低通滤波 最后一个环节模拟人脑神经对视觉的反映和记忆效应。c r a s h b a s s 提出，除 了视感度加权以外，为反映光照度暂态变化的能见度，应再增加平方和积分两个 滤波功能。平方环节模拟了眼一脑觉察过程，一阶低通环节模拟了人脑的记忆效 应，其传递函数为： 1 三p ( s ) = 二一，f = 3 0 0 m s 。 l 十s r 经过上述各环节就可以得到输入信号的瞬时视感度p ( t ) ，经1 0 m i n 的测量统 计，依据2 1 2 3 就可以计算出短时闪变p s t 值。 2 。3 闪变仪的实现 2 3 1 瞬时闪变值的获取 根据闪变仪的原理，在m a t l a b s i m u l i n k 中可以比较容易的得到瞬时闪变 p ( t ) 的计算程序，如图2 1 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 s i v v z 图2 1 2m a t l a b s i 1 i n k 中的闪变仪框图 图中f r o mf i l e 表示电压信号取自文件，k 值是为了归一化而引入的，当输 入信号为标幺值时k 取1 下方的p u l s e 信号为自检信号，方便程序的测试。 l a n u a l s w it c h 方便了对测试信号和文件输入信号的选择。其它各环节与2 2 中的表述 完全一致。g a i n = 4 0 0 g a i n l 的数值i e c 推荐取2 ，实际中可以根据整定结果来取 值，一般与i e c 给出数值的误差 1 。c o n s t a n t l 是为了减少误差而引入的，当 所测量到的电压闪变p s t o 叭时，需要考虑对0 点修正。 图2 1 3 显示了测试信号取r = 1 1 0 i n ，d = o 7 2 5 ，方波时，稳态p ( t ) 的波形。 可以看出p ( t ) 在 0 52 4 范围内周期性波动，这主要是由于记忆效应引起的。 图2 1 3r = u 0 m i n - 1 ，d ：0 7 2 器，方波时，稳态p ( t ) 的波形 2 3 2p s t 的计算 在获得瞬时闪变p ( t ) 后，计算p s t 就比较容易了。本文中采样频率取4 0 0 h z ， 这是充分足够的。在获得p ( t ) 首先按照p ( t ) 的大小进行排序然后取得 0 1 、 浙江大学硕士学位论文 1 、3 、1 0 、5 0 对应点，根据2 1 2 3 计算p s t 值。对于上面的信号计算结 果如下： c p f 曲线上 o 1 、1 、3 、1 0 、5 0 点对应p ( t ) 值为 2 4 0 6 2 2 3 9 2 3 2 3 5 6 32 1 4 3 41 1 2 3 7 ，根据g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 本程序没有作平滑平均，加权系数 取 0 0 3 1 40 0 5 2 50 0 6 5 7o 2 8o 0 8 ；计算结果p s t = 1 0 1 6 8 ，误差小于i e c 规定 的5 上限。 i e c 在给出闪变仪测量原理的同时给出了校验标准 1 2 ，校验值如表2 2 的 卜2 列所示。按照i e c 闪变设计规范设计的闪变仪，当调幅波为矩形波，电压变 化额度和波动幅值为表2 2 规定值时，要求p s t 在1 o 0 5 的范围内。从表2 2 中可以看出，该本文设计的闪变测量程序完全满足i e c 标准的要求。 表2 2i e c 测试标准与测试结果 电压波动电压波动测量值 频度m i n幅度 g a i n = 2g a i n = 1 9 8 12 7 2 0 o 9 8 9 0 o 9 8 3 l 22 2 l o1 0 1 9 i1 0 1 2 9 71 4 6 01 0 1 8 9o 9 9 9 9 3 90 9 0 5i 0 3 3 61 0 2 7 9 1 1 0o 7 2 51 0 2 2 71 0 1 6 8 1 6 2 0o 4 0 21 0 0 l lo 9 9 5 0 2 3 3 数字闪变仪的考虑 模拟闪变仪存在过度过程长，0 点漂移等问题，随着d s p 技术的成熟，目前 在工程使用的闪变仪多采用数字化方法实现。在实现时主要将各个模拟环节采用 双线性变换得到数字滤波器的参数，采样频率取f s = 2 0 0 或者f s = 4 0 0 。为便于实 际应用还需寻求其运算结构的实现。对于无限长单位脉冲响应( i i r ) 滤波器，其 运算结构形式主要有直接型、级联型、并联型等。结构形式对系统运算速度、结 果精度及稳定性有很大的影响由于并联结构具有运算速度快、各基本环节误差 互相不影响等优点，较适合于实时信号处理。因此，可采用并联型结构实现上述 各环节 2 7 ，2 8 。由于i i r 滤波器存在过渡过程，也有文献对基于f i r 滤波器进 浙江大学硕士学位论文 行闪变仪设计的讨论 3 0 ，这里就不予赘述了。实际闪变仪开发时还需要考虑存 储容量的问题，在对p ( t ) 进行分级时一般可以取8 0 0 级，而不用对每个p ( t ) 都 进行记录，这样就可以大大减少对存储器的要求。 2 4 闪变标准简介 2 。4 1 闪变传递的规律 闪变传递用传递系数来表示，闪变的传递规律为：1 ) 在高电压等级出现的 闪变干扰，将大部分传递至中压电网和低压电网a 一般，取o 8 一l ，而 取o 9 5 1 ；2 ) 由于高电压等级的电力网短路容量较大，所以从低电压等级的 闪变传递至高一电压等级的闪变实际可以忽略，z o ；3 ) 同电压等 级的闪变传递作用比较复杂，一般需要计算机仿真计算来获得。( 高压h v ：3 5 k v ( u n 2 2 0 k v ；中压m v ：1 k v u n 3 5 k v ；低压l v ：u n 妄1 k v ) 2 4 2i e c 闪变接入标准 对于不同频度的电压波动其电压限值是不同的，i e c 规定对于低压供电系统 d 。= 3 ；对于中高压供电规定如表2 3 。 表2 3i e c 规定的电压波动标准 d ( ) r ( 1 h ) m vh v r l43 l ( r 1 03 2 5 l o r l o o 21 5 1 0 0 r 1 0 0 01 2 51 在实际应用中，要限制电压变动也要限制闪变，但首先是将限制闪变放在首 位。闪变干扰性负荷接入电网的条件，主要由用户的协议负荷( 被理解为整个用 户的用电设备容量) 和供电系统的总供电能力来决定。对于小负荷的用户，i e c 规定了单个用户基准的发生闪变干扰的允许值，表2 4 ，低于该值的用户可以不 1 8 浙江大学硕士学位论文 受限制 表2 4i e c 对于小负荷接入的闪变允许值 l e 1 ，e l t e p io 0 50 3 5 o 0 2o 2 5 对于h v 和m v 电网的用户发生闪变干扰的允许值，应该限制在总的闪变干扰 在公共供电点不超过闪变规划值，可以作3 级评定： 1 简单评定： 对h v 电网如果s 。s 。兰o 1 则允许接入。s 。，表示干扰负荷的最大视在 功率。s * 表示接入点的短路容量。对于m v 电网如果： 竺坠 2 0 0 ( m i n 一1 ) 0 2 ，1 0 r 2 0 0 ( i i l i n 。) 0 4 ，r d q o 的变换公式如下： 阱；竺2 髫吨卜率。 c o s 徊r 一1 2 0 。) c o s p ，f + 1 2 0 。) 8 f ，国为基波角频率a 1l l l ，j 22j “ 从上式可以看出，为了得到d q 0 分量，并在控制作用完成后将其变换为a b c 坐标， 需要一个锁相环节，从而具有同步的相角参考值。 3 2 3 2 锁相环节 锁相环是指一种电路或者模块，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其 中