电压波动与闪烁：现象、影响与治理

电压波动与闪烁是电能质量领域的核心问题之一，它们直接影响用电设备的性能和用户的舒适度。随着现代电力系统中非线性、冲击性负荷的增多以及分布式可再生能源的大规模并网，这一问题日益突出。

一、 核心概念界定

  1. 电压波动 (Voltage Fluctuation)：

    • 定义： 指供电电压幅值在一定范围内发生连续变化或一系列随机变化的现象。这种变化通常表现为电压有效值（RMS）的持续或周期性变动。
    • 特征： 变化的频率范围主要在 0.5 Hz 至 25 Hz 之间（有时上限扩展到 30 Hz 或更高）。这个频段恰好与白炽灯和其它设备对人类视觉感知的影响最为敏感的区域重叠。
    • 幅度： 通常用相对电压变动幅度 ΔV 或 ΔV/Vn（Vn 为标称电压）来描述。常见范围在 0.1% 到 7% 之间（短时可能更高）。

  2. 电压闪烁 (Voltage Flicker)：

    • 定义： 特指由电压波动引起的人眼对光源（主要是白炽灯）亮度变化的主观视觉感受。是一种生理-心理现象。
    • 核心联系： 闪烁是电压波动在照明设备（尤其是白炽灯）上产生的主观感知效应。即使电压波动的幅度很小，只要发生在特定的敏感频率范围内，就可能引起明显的、令人不适的闪烁感。
    • 关键点： 电压波动是物理现象，闪烁是人眼感知的结果。电压波动是起因，闪烁是后果（主要针对照明）。
 

二、 主要成因

电压波动与闪烁主要源于电力系统中负荷功率的快速、重复性变化，特别是无功功率的剧烈变动：

  1. 大型冲击性负荷：

    • 电弧设备： 电弧炉（炼钢）、电弧焊机（制造）。电极起弧、熔炼阶段及废钢塌落时无功功率需求剧烈、不规则波动。
    • 轧机、大型起重机、冲压机: 启动、加速、制动过程中产生显著的功率冲击。
    • 大型电动机启动： 直接启动时产生较大的启动电流（有功和无功）。

  2. 间歇性可再生能源：

    • 并网风电场： 风速的瞬时波动导致风力发电机输出功率快速变化。
    • 光伏电站： 快速移动的云层遮挡会导致光伏输出功率突然下降或上升。

  3. 其它负荷：

    • 点焊机、电阻焊机周期性大功率工作。
    • 大型空调压缩机、电梯的周期性启停。
    • 家用电器启动（如冰箱压缩机）。

  4. 系统因素：

    • 短路容量不足： 系统在公共连接点的短路容量（PSC）较小，意味着系统阻抗较大。当相同容量的波动负荷接入时，在短路容量小的节点引起的电压波动幅度更大，更容易导致闪烁问题。
    • 相对负荷容量： 波动负荷的容量占系统总容量的比例越大，影响越显著。
 

三、 主要危害

  1. 对人体的直接影响：

    • 视觉不适与疲劳： 最普遍和直接的影响。灯光闪烁（尤其是白炽灯最为敏感）会引起眼睛疲劳、头痛、恶心、分散注意力，降低工作效率和生活舒适度。
    • 潜在健康风险： 对于光敏性癫痫等特殊人群，特定频率的闪烁可能诱发健康问题。

  2. 对照明设备的影响：

    • 缩短白炽灯、卤素灯等热辐射光源的寿命。
    • 导致荧光灯、LED灯等产生可感知的闪烁（虽然现代电子镇流器和驱动器对此有一定抑制能力）。

  3. 对敏感设备的影响：

    • 电子设备工作异常： 可能导致计算机重启、显示器画面抖动、数据错误或丢失、通信中断、PLC误动作等。
    • 精密仪器测量失真： 影响依赖于稳定电压参考的仪器精度。
    • 过程控制失灵： 影响自动化生产线、工业控制系统的稳定运行。
    • 旋转电机过热： 电压波动可能导致电机转矩波动、转速不稳，增加损耗和温升。

  4. 对电网本身的影响：

    • 可能导致电压调节设备（如自动调压器、有载调压变压器）频繁动作，增加设备磨损。
    • 加剧系统运行的不稳定性和复杂性。
 

四、 评估标准与测量方法

国际电工委员会（IEC）制定的标准 IEC 61000-4-15 定义了电压闪烁的量化评估方法和限值，被世界各国广泛采纳（如国标 GB/T 12326 / GB 17625.2）：

  1. 核心概念：短时闪烁指示值（Pst）和长时闪烁指示值（Plt）

    • Pst (Short-term Flicker Severity)： 评估10分钟内电压波动引起的闪烁对人眼刺激的严重程度。Pst = 1 代表在特定实验条件下，50%的观察者刚刚感觉到闪烁的阈值。
    • Plt (Long-term Flicker Severity)： 评估2小时内闪烁的严重程度，由连续的12个Pst值计算得出（Plt = 立方根(Σ(Psti^3)/12)）。
    • 限值： 通常规定在公共连接点（PCC），Pst ≤ 1 和 Plt ≤ 0.65 是常见的兼容性水平限值。具体限值需要根据供电协议或当地电能质量标准确定。

  2. 测量原理：

    • 测量设备基于IEC 61000-4-15定义的“闪烁计”模型。
    • 输入电网电压信号。
    • 解调： 提取电压波动分量（0.5Hz - 30Hz）。
    • 加权滤波： 应用模拟人眼-脑系统对不同频率闪烁敏感度的特定权重曲线（灵敏度曲线）。
    • 统计处理： 对加权后的信号进行统计分析（累积概率函数）。
    • 计算输出： 最终计算出Pst/Plt值。

  3. ΔV10 (相对电压变动)：

    • 衡量电压有效值变动的大小指标。指在规定的测量周期内（如每周波），相邻两个有效值之差超过0.1%标称电压的相对电压变动。
    • 统计值： 常统计 d(t) 曲线（相对电压变动的时间函数）在测量时间段内95%概率大值不超过的限值（如3%）或99.5%概率大值不超过的限值（如4%）。
    • 主要反映电压波动的物理幅度，是评估波动水平的基础。
 

五、 抑制与治理措施

解决电压波动与闪烁问题需要系统性方法，通常结合多种措施：

  1. 源头治理 (减少波动源)：

    • 优化工艺： 改进电弧炉电极控制（如智能电极调节器）、优化轧机传动控制策略、合理安排大型冲击性负荷的运行时段。
    • 设备改造： 对大电机采用软启动器或变频器（VFD）启动。
    • 采用先进技术： 使用更快速的静止无功补偿装置。

  2. 阻断传播路径 (提高系统“强度”)：

    • 专用线路供电： 为大型波动负荷（如电弧炉）提供专线供电，避免影响公共电网。
    • 提高供电电压等级： 在更高电压等级接入大容量冲击负荷，利用该电压等级更高的短路容量来抑制电压波动。
    • 增大系统短路容量： 加强电网结构（如新建线路、变电站），增加系统的短路容量是抑制电压波动的根本措施之一。

  3. 受端补偿与支撑 (主战场)：

    • 静止无功补偿器 (SVC)： 传统主力军。通常结合TCR（晶闸管控制电抗器）和FC（固定电容器组）/TSC（晶闸管投切电容器），通过快速调节感性/容性无功来平衡负荷的无功波动，稳定电压。响应速度通常在几十毫秒内。
    • 静止同步补偿器 (STATCOM / SVG)： 基于全控型电力电子器件（如IGBT）的先进装置。比SVC具有更快的响应速度（毫秒级）、更宽的运行范围（输出电流与电压无关）、更好的低电压特性、更小的占地。是当前主流的解决方案，尤其适合要求高、波动快的场合（如风电、电弧炉）。能提供或吸收连续可调的无功功率。
    • 动态电压恢复器 (DVR)： 主要用于补偿电压暂降/暂升，但部分高级DVR可以通过注入一个与系统电压同频但幅值可调的电压分量来抵消小幅度的电压波动。
    • 有源电力滤波器 (APF)： 主要用于谐波治理，但可通过控制策略同时补偿部分无功功率波动（需留足容量裕度）。
    • 储能系统 (BESS)： 具有快速精确调节有功和无功功率的能力。通过快速吸收或释放有功功率，可以更主动地平复由有功功率波动（如风电、光伏的功率波动）引起的电压波动。结合PCS转化为无功补偿能力也有助于稳定电压。

  4. 其它措施：

    • 选择对闪烁不敏感的照明光源： 如直流驱动的LED灯（配合高质量驱动器）或高频电子镇流器驱动的荧光灯，其光输出对低频电压变化的敏感性远低于白炽灯。
    • 提高用户设备的抗扰度： 对敏感设备配置在线式UPS或稳压电源。
 

六、 典型应用场景

  1. 冶金行业 (电弧炉)： 电弧炉是引起严重电压波动和闪烁的典型负荷。大型电弧炉普遍配套安装SVC或STATCOM进行动态无功补偿和闪变抑制。
  2. 新能源并网 (风电场/光伏电站)： 风电场的功率输出随风速变化而波动，大型光伏电站受云层影响功率骤变。在并网点配置STATCOM或具备快速无功调节能力的SVG（有时结合储能），是满足并网电能质量要求（如低电压穿越和闪变限值）的关键技术。
  3. 电气化铁路： 电力机车启动和运行时产生有功和无功冲击。在牵引变电所配置SVC或STATCOM可有效改善供电质量。
  4. 大型制造厂： 存在大量焊机、大型电机、冲压设备等。集中安装无功补偿装置（如STATCOM或SVC）或优化局部补偿方案，可防止生产过程受电压波动干扰。
 

七、 发展趋势

  1. 功率半导体技术驱动： 以IGBT、SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）为代表的新型功率器件，推动STATCOM/SVG向更高电压等级、更大容量、更高效率、更高开关频率发展，性能持续提升。
  2. 储能系统深度融合： BESS与STATCOM/SVG的集成应用成为解决波动性问题的重要手段，尤其适应高比例可再生能源接入的需求，实现有功和无功的联合快速调节。
  3. 智能化与协同控制： 应用先进传感器、大数据分析和人工智能技术，实现补偿装置的预测性控制、多装置协同优化运行，提升系统整体稳定性和效率。
  4. 标准演进： 随着技术发展和新型负荷/电源接入，相关国际和国家标准（IEC, IEEE, GB等）持续更新，以适应新的测试方法和更严格的要求。
  5. 新型照明的影响： LED照明的普及降低了对传统电压波动（闪烁）的敏感性，但对电源质量（如纹波）提出了新要求。同时，关注LED光源本身可能产生的光闪烁（如驱动不良引起的高频闪烁）成为新的研究热点。
 

结论

电压波动与闪烁是电能质量的核心挑战。深入理解其物理本质、产生机理、评估标准和危害影响，是解决问题的前提。随着冲击性负荷和可再生能源的进一步发展，采用快速、高效、智能的无功补偿技术（特别是STATCOM/SVG）、探索与储能的协同应用、并优化系统规划和负荷管理，是保障供电可靠性、提升用户满意度、促进电力系统高质量发展的关键路径。持续的技术创新和标准完善将推动这一领域不断进步。