電力系統(tǒng)電壓驟降的實(shí)時(shí)檢測(cè)算法研究

閔祥娜

摘 要：電壓驟降的三大特征量幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變的準(zhǔn)確檢測(cè)是電壓質(zhì)量評(píng)估與抑制干擾首先要解決的重要課題。該文以單相電源為參考電壓，采用60°延時(shí)方法構(gòu)造了一個(gè)虛擬的對(duì)稱三相系統(tǒng)，借助d-q變換將三相電壓變換到dq軸，提出了有實(shí)用意義的瞬時(shí)d-q分解法，可對(duì)單相電壓驟降的三大特征量進(jìn)行瞬時(shí)檢測(cè)。通過(guò)理論分析，對(duì)該算法進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明所述算法具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)同類電力系統(tǒng)電壓驟降檢測(cè)研究提供了重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 電壓驟降 特征量 相位跳變

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（a）-0020-05

電能是現(xiàn)代社會(huì)中最重要、最方便的能源，其應(yīng)用程度已成為一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的主要標(biāo)志。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能供求關(guān)系的矛盾已逐步得到解決，但與此同時(shí)，有關(guān)電能質(zhì)量的問(wèn)題卻日益引起人們的重視。近十幾年，工業(yè)、商業(yè)和民用負(fù)荷中復(fù)雜電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，電壓驟降給高技術(shù)含量的用電設(shè)備帶來(lái)的嚴(yán)重影響與危害表現(xiàn)得十分突出[1-4]。因此鑒于理論和實(shí)際兩方面的需要，對(duì)電能質(zhì)量控制技術(shù)中的電壓驟降問(wèn)題的研究具有重要的意義。

電壓驟降是由系統(tǒng)短路故障、過(guò)負(fù)荷和大型電機(jī)啟動(dòng)引起的電壓有效值短時(shí)快速下降，電壓驟降幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變是其最受關(guān)注的三個(gè)特征量[5-6]。該文提出了一種對(duì)電壓驟降進(jìn)行檢測(cè)的瞬時(shí)d-q分解法，可對(duì)單相電壓驟降的三大特征量進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償，具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)同類電力系統(tǒng)電壓驟降檢測(cè)研究提供了重要的參考依據(jù)。

1 電壓驟降特征量檢測(cè)算法

常規(guī)的檢測(cè)方法未解決驟降電壓幅值和相位的瞬時(shí)確定問(wèn)題，不利于直接應(yīng)用于電壓驟降的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，而借助abc-dq坐標(biāo)變換能夠有效解決上述問(wèn)題[7-9]。

1.1 基本原理

已知三相電壓變換到dq坐標(biāo)的變換關(guān)系式為：

（1）

式中：

考慮一般的電能質(zhì)量擾動(dòng)情況，以a相為例，設(shè)基波相電壓均方根值為U、初相位為零。若將擾動(dòng)表示成高頻振蕩信號(hào)的疊加，h次高頻信號(hào)的均方根值為Uh、處相角θh，并按指數(shù)eβt衰減，則a相電壓ua可表示為

（2）

以a相電壓ua為參考，將其延時(shí)60 °可得-uc，然后由ub=-ua-uc可算出ub，則

（3）

（4）

將式（1）、（2）和（3）分解成基波分量和高頻分量，代入式（1）中，經(jīng)過(guò)三角函數(shù)運(yùn)算可得：

（5）

（6）

式中，，

。

式（6）、（7）分別為驟降電壓的均方根值Usag和相位跳變的計(jì)算式。

（7）

（8）

1.2 檢測(cè)算法的原理框圖

圖1給出了電壓驟降時(shí)單相控制的原理框圖，對(duì)三相系統(tǒng)只需采用三組相同的控制電路即可。

電壓驟降的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，關(guān)鍵是要檢測(cè)出驟降的起止時(shí)刻、幅值與相位跳變，而均方根值的突然變化則是發(fā)生驟降的主要標(biāo)志。

電壓驟降發(fā)生與否，是通過(guò)將低通濾波后所求得的電壓均方根值與設(shè)定閥值作比較來(lái)進(jìn)行的。若比值超出閥值，則表明已發(fā)生電壓均方根值的較大變化。在隨后的校正中，利用濾波后的Uda和Uqa計(jì)算Usag和，可以進(jìn)一步計(jì)算補(bǔ)償電壓的均方根值。

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用Matlab/Simulink對(duì)電壓驟降及其補(bǔ)償過(guò)程進(jìn)行建模，檢測(cè)算法采用瞬時(shí)d-q分解法。

瞬時(shí)abc-dq變換模塊需要有兩組輸入量和一組輸出量：第一組輸入量為“abc”，用于將待轉(zhuǎn)換的正弦相位信號(hào)以向量形式輸入，其輸入形式為[a相，b相，c相]向量信號(hào)；第二組輸入量為“sin_cos”，用于輸入含有[sin（t），cos（t）]值的向量信號(hào)；輸出量為“dq0”，用于輸出向量信號(hào)[d，q，0]，這里主要采用其中的d、q兩項(xiàng)分量作為應(yīng)用目標(biāo)?！皊in_cos”的輸入模塊如圖2所示。

瞬時(shí)abc-dq變換模塊經(jīng)過(guò)sin_cos輸入和三相電壓輸入可以得到，如圖3所示。

電壓驟降d-q差值計(jì)算模塊如圖4所示，電力系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生電壓驟降時(shí)，d軸分量反映了正常電壓的均方根值即380，q軸為0。當(dāng)電壓驟降發(fā)生時(shí)，經(jīng)過(guò)abc-dq變換，驟降電壓的幅值可瞬時(shí)確定，同時(shí)與正常值做比較，可以得到d、q分量的差值，接著再進(jìn)行dq-abc反變換即可得到補(bǔ)償電壓值。dq-abc變換是abc-dq的逆變換，輸入輸出含義與abc-dq模塊相類似。

根據(jù)瞬時(shí)d-q分解法原理，可以通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算驗(yàn)證電壓驟降發(fā)生時(shí)的相位跳變，具體模塊如圖5所示。

2.2 算例分析

2.2.1 無(wú)相位跳變、50%的電壓驟降

三相系統(tǒng)的相電壓為220 V，頻率為50 Hz，仿真中的LPF選用2階低通濾波器。設(shè)a相電壓在0.06～0.18 s之間發(fā)生無(wú)相位跳變、50%的電壓驟降，具體過(guò)程如圖6所示。

圖7（a）、（b）分別為d軸分量和電壓均方根值的變化曲線。

圖8為應(yīng)用dq變換得到0.06～0.18 s內(nèi)的補(bǔ)償電壓波形。圖9為補(bǔ)償電壓與驟降電壓的疊加波形，具有十分良好的補(bǔ)償效果。

2.2.2 30 °相位跳變，30%的電壓驟降

假設(shè)三相電壓中a相在0.03～0.07 s之間發(fā)生了30 °相位跳變、30%的電壓驟降。圖10（a）為發(fā)生電壓驟降階段的電壓均方根值變化曲線；圖10（b）為相位跳變曲線。

圖11為dq變換后0.03～0.07 s內(nèi)的補(bǔ)償電壓波形，從圖10、11可知，采用瞬時(shí)d-q分解法能夠?qū)崟r(shí)、有效地提供補(bǔ)償電壓，得到線路所需要的正常電壓波形。endprint

3 結(jié)語(yǔ)

新型的瞬時(shí)d-q分解法通過(guò)對(duì)單相電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標(biāo)系上的各分量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發(fā)生。該方法與以往常規(guī)檢測(cè)方法相比，具有原理簡(jiǎn)單，變換矩陣階數(shù)少，運(yùn)算量小的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)不同驟降幅值和相位跳變的仿真表明，所述算法具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)同類電力系統(tǒng)電壓驟降的檢測(cè)研究提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問(wèn)題的研究和技術(shù)進(jìn)展[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003 （12）：1-4.

[3] Bollen M H J.Understanding power quality problem，voltage sags and interruptions[J].IEEE PRESS，Piscataway，NewJersey，2000.

[4] Tunaboylu N S，Collins J E R，Chaney P R.Voltage disturbance evaluation using the missing voltage technique[J].Proceedings of the IEEE ICHQP VIII，Athens，Greece，1998：577-582.

[5] 盧本初.配電系統(tǒng)電壓驟降特性分析與可靠性評(píng)估[D].武漢：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，2004.

[6] Joos G.Three-phase static series voltage regulator control algorithms for dynamic sag compensation[C]//In：Proc.IEEE Conference Records on ISIE99，Bled，Slovenia，1999：515-520.

[7] 劉云潺，黃純，歐立權(quán)，等.基于dq變換的三相不平衡電壓暫降檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007（3）：72-76.

[8] N.H.Woodley，L.Morgan，A. Sundaram.Experience With An Inverter-Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE Trans on Power Delivery，1999，14（3）：1181-1185.

[9] Middlekauff S W，Collins J E R. System and customer impact：considerations for series custom power devices[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1998，13（1）：278-282.endprint

3 結(jié)語(yǔ)

新型的瞬時(shí)d-q分解法通過(guò)對(duì)單相電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標(biāo)系上的各分量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發(fā)生。該方法與以往常規(guī)檢測(cè)方法相比，具有原理簡(jiǎn)單，變換矩陣階數(shù)少，運(yùn)算量小的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)不同驟降幅值和相位跳變的仿真表明，所述算法具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)同類電力系統(tǒng)電壓驟降的檢測(cè)研究提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問(wèn)題的研究和技術(shù)進(jìn)展[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003 （12）：1-4.

[3] Bollen M H J.Understanding power quality problem，voltage sags and interruptions[J].IEEE PRESS，Piscataway，NewJersey，2000.

[4] Tunaboylu N S，Collins J E R，Chaney P R.Voltage disturbance evaluation using the missing voltage technique[J].Proceedings of the IEEE ICHQP VIII，Athens，Greece，1998：577-582.

[5] 盧本初.配電系統(tǒng)電壓驟降特性分析與可靠性評(píng)估[D].武漢：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，2004.

[6] Joos G.Three-phase static series voltage regulator control algorithms for dynamic sag compensation[C]//In：Proc.IEEE Conference Records on ISIE99，Bled，Slovenia，1999：515-520.

[7] 劉云潺，黃純，歐立權(quán)，等.基于dq變換的三相不平衡電壓暫降檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007（3）：72-76.

[8] N.H.Woodley，L.Morgan，A. Sundaram.Experience With An Inverter-Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE Trans on Power Delivery，1999，14（3）：1181-1185.

[9] Middlekauff S W，Collins J E R. System and customer impact：considerations for series custom power devices[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1998，13（1）：278-282.endprint

3 結(jié)語(yǔ)

新型的瞬時(shí)d-q分解法通過(guò)對(duì)單相電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標(biāo)系上的各分量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發(fā)生。該方法與以往常規(guī)檢測(cè)方法相比，具有原理簡(jiǎn)單，變換矩陣階數(shù)少，運(yùn)算量小的特點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)不同驟降幅值和相位跳變的仿真表明，所述算法具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)同類電力系統(tǒng)電壓驟降的檢測(cè)研究提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問(wèn)題的研究和技術(shù)進(jìn)展[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003 （12）：1-4.

[3] Bollen M H J.Understanding power quality problem，voltage sags and interruptions[J].IEEE PRESS，Piscataway，NewJersey，2000.

[4] Tunaboylu N S，Collins J E R，Chaney P R.Voltage disturbance evaluation using the missing voltage technique[J].Proceedings of the IEEE ICHQP VIII，Athens，Greece，1998：577-582.

[5] 盧本初.配電系統(tǒng)電壓驟降特性分析與可靠性評(píng)估[D].武漢：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，2004.

[6] Joos G.Three-phase static series voltage regulator control algorithms for dynamic sag compensation[C]//In：Proc.IEEE Conference Records on ISIE99，Bled，Slovenia，1999：515-520.

[7] 劉云潺，黃純，歐立權(quán)，等.基于dq變換的三相不平衡電壓暫降檢測(cè)方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007（3）：72-76.

[8] N.H.Woodley，L.Morgan，A. Sundaram.Experience With An Inverter-Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE Trans on Power Delivery，1999，14（3）：1181-1185.

[9] Middlekauff S W，Collins J E R. System and customer impact：considerations for series custom power devices[J].IEEE Trans.on Power Delivery，1998，13（1）：278-282.endprint