基于PSCAD不同擾動源引起的電壓暫降仿真

趙影，石媛，張新民，張述偉

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 大連遼南船廠，遼寧大連 116041）

0 引言

電壓暫降（voltage sag）是電網中比較常見的一種電壓波動現象，這會對電能質量造成一定的影響。按照國際電氣與電子工程師協會IEEE的定義，電壓暫降是指電網電壓（工頻條件下）有效值減小到額定電壓的10%～90%，持續時間為二分之一周波至1分鐘的短時間電壓波動。 電壓暫降有三個最重要的特征量：幅值、持續時間和相位跳變。

長期以來，對電能質量的研究工作更多的側重于電網電壓的諧波含量控制、電壓閃絡和三相電壓的不平衡率等方面，對電壓暫降可能造成的危害沒有引起足夠的重視，目前國際學術界還沒有形成一個公認的電壓暫降的評判標準。隨著新技術的不斷發展，各行各業對電能質量的要求也越來越高，電壓暫降造成的問題也日益凸顯，電壓暫降已經成為造成用電設備無法正常運行的主要原因之一。電壓暫降會造成一些敏感元件的誤動作，例如大型計算機系統故障，交流變頻調速裝置保護，自動化控制器誤動作等等。因此，對電壓暫降現象的研究具有十分重要的意義，有利于保障工業生產和商業活動正常有序進行。

造成供電線路電壓暫降的原因是供電線路中產生了過大的電流。眾所周知，供電線路存在一定阻抗，當線路中通過電流時，就會產生電壓降，電流越大，電壓降越明顯。引起電壓暫降的原因是在短時間內供電線路中產生了遠超過正常情況的電流，結果導致出現了遠低于正常情況的電壓。導致電網中出現瞬間大電流的原因有很多，短路故障便是其中之一。當供電線路的某個位置出現短路故障時，會產生很大的短路電流，導致電壓驟然降低。由于線路上故障保護裝置(隔離開關、斷路器等)立即動作，隔離故障點，電網電壓在短時間內恢復正常，這就形成了電壓暫降。另外，大功率負荷突然接入電網，例如變壓器的投切等，也會導致電網電壓驟降。大功率的感應電機啟動時，過載電流可達額定電流的5倍，過載電流經過系統阻抗時，系統分壓突然變大，導致公共連接點（PCC）電壓暫降。此外，誤操作導致的短路也會引起供電電壓的波動。有調查表明，線路故障短路、大功率感應電動機啟動和變壓器的投切是造成系統電壓暫降的主要原因。通過對這三種原因的分析，能夠幫助我們區分系統故障的起因，有利于及時的排查故障，避免用戶和電網公司的糾紛。

1 短路故障引起電壓暫降分析

大風、雷電、電力公司設備故障、建筑或交通事故、動物接觸或樹枝搭接等原因，都有可能造成供電系統發生短路故障。發生短路故障后，故障點的母線電壓下降，產生電壓暫降，隨后短時間內系統保護動作，將故障點隔離，故障點附近母線電壓恢復到正常值，故障點隔離時間決定了電壓暫降的持續時間。相比其他兩種造成電壓暫降的原因，短路故障造成的影響最嚴重，危害也最大。

圖1是發生短路故障時電壓暫降的系統模型，圖中Zs=Rs+jXs是電源與PCC之間的系統阻抗，ZF=RF+JXF是PCC與故障點之間的線路阻抗。假設電源電壓US=1 p.u.。發生短路故障時，PCC點的電壓為

由上式可知，故障點距離 PCC 越近，電壓暫降就越嚴重。圖1是單相的供電系統短路故障模型，相間短路和三相短路故障也可用此模型來表示。PCC點對應的電壓幅值和相角的波動由PCC和故障點之間的線路阻抗與供電系統阻抗決定。系統中變壓器類型及中性點接地方式、設備的接線方式都對短路故障時在供電負荷端所產生的電壓暫降有一定影響。圖2為三相（對稱）短路故障時瞬時值波形和有效值波形。

通過對系統模型和仿真結果的分析，可得知短路故障造成的電壓暫降具有如下特點：

1）電壓暫降幅值一般低于0.7p.u., 其持續時間與故障排除時間有關;

2）不同的電壓暫降現象與不同類型的短路故障有關：三相短路故障造成的電壓暫降，三相電壓幅值相等；其他類型的短路故障造成的電壓暫降，三相電壓幅值不同;

將經濟效益函數F1與并網穩定性函數F2進行加權,可把F1和F2多目標問題轉化為F3單目標問題進行求解。即

3）在電壓暫降開始和結束時刻，電壓幅值發生突變，波形較陡；在電壓暫降過程中，電壓幅值基本不變，基波電壓的幅值變化波形呈矩形狀;

4）電壓暫降過程中可能產生相位跳變。

2 感應電機啟動引起電壓暫降分析

根據電機學的相關知識，感應電動機啟動時，初始轉子轉速為 0，定子上產生很大的啟動電流，一般是額定工作電流的2～5倍。啟動電流突然變大會導致系統阻抗上的電壓降增加，從而造成公共連接點的電壓暫降。感應電動機的容量、啟動方式、局部電網的容量及電動機負載等因素都會對PCC點的電壓暫降程度產生影響。由于三相感應電動機是三相對稱的，啟動時造成的三相電壓暫降的波形一致；同時，與短路故障時電壓暫降的現象不同，由于定子線圈上的銅損以及轉子轉速的升高，啟動電流逐漸減小，電壓暫降的過程相對緩慢。圖3為感應電動機啟動時電壓暫降示意圖。圖4為感應電動機啟動時三相瞬時值波形和三相有效值波形。

三相同步電機一般采用異步啟動，直流電機采用直接啟動，這類電機在啟動時同樣有可能產生與感應電動機類似的電壓暫降。

通過對系統模型和仿真結果的分析，可得知感應電動機啟動造成的電壓暫降具有如下特點：

1）三相電壓同時發生暫降，三相暫降幅值相同;

2）暫降幅值一般不會低于0.8p.u.;

3）電壓暫降開始時，電壓幅值突然下降，隨后電壓緩慢恢復至正常值，恢復過程中沒有突變。

3 變壓器投切引起電壓暫降分析

如圖5所示，假設母線容量無窮大，閉合開關后變壓器投入系統，此時變壓器輸入電壓為：

α為變壓器投入時電壓的初相角。設變壓器剩磁為Φr，對u(t)從0到t積分可得

V/ωN為穩態最大磁通Φmax，則

由圖 6可知，在電壓處于穩態時，當鐵芯磁通在-Φmax與Φmax之間時，勵磁電流幾乎沒有變化；當鐵芯磁通︱Φ(t)︱＞︱Φmax︱時，鐵芯磁通達到飽和，此時勵磁電流會迅速變大，系統阻抗上的電壓降增大，造成PCC點的電壓暫降。鐵芯的剩磁和閉合開關時電壓的初相角是決定電壓暫降程度的主要原因。

圖7為變壓器投入時的三相電壓瞬時值波形圖以及三相電壓有效值波形圖。圖8 則是發生電壓暫降時各次諧波分量分布圖。從幅值上可以看出，2-4次諧波的含量比較高。

通過對系統模型和仿真結果的分析，可得知變壓器投切造成的電壓暫降具有如下特點：

1）三相電壓暫降幅值不相等；電壓暫降幅值不會低于85%；

2）伴隨著電壓暫降，電壓信號中含有諧波分量，尤以2次諧波為主；

3）暫降電壓逐漸恢復，無突變。

4 結論

從以上對三種主要暫降原因進行的電磁暫態仿真結果可以看出，線路短路故障引發的電壓暫降的發生和恢復波形較陡，突變期間的電壓暫降幅值基本不變；而電動機啟動和變壓器投運引發的電壓暫降的恢復是緩慢的，電壓幅值降到最低點后就立刻恢復。且一般由感應電動機啟動以及變壓器投運引發的電壓暫降幅值較淺，電壓暫降幅值很少低于 85%。此外，感應電動機是對稱負載，啟動時引發的電壓暫降也是三相對稱的；變壓器投運時三相的初相角是互差120°，變壓器投運引發的電壓暫降總是三相不平衡的。此外變壓器投運時電壓信號中含有諧波分量，尤以2次諧波為主。

根據文中分析得到的短路故障、感應電動機啟動以及變壓器投運造成的電壓暫降的不同特點，結合在實際情況中監測得到的一些電壓暫降數據，進行故障原因的調查分析。正確的辨別造成電壓暫降的原因，有助于供電系統進行合理的改進，也有助于在產生故障時明確供電公司、設備供應商以及用戶之間責任判定。通過對不同情況下的電壓暫降分析，達到治理電壓暫降問題，減小電壓暫降的危害，從而提高供電系統電能質量的目的。

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