電力系統電壓驟降的實時檢測算法研究

閔祥娜

摘 要：電壓驟降的三大特征量幅值、持續時間和相位跳變的準確檢測是電壓質量評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°延時方法構造了一個虛擬的對稱三相系統，借助d-q變換將三相電壓變換到dq軸，提出了有實用意義的瞬時d-q分解法，可對單相電壓驟降的三大特征量進行瞬時檢測。通過理論分析，對該算法進行建模仿真，仿真結果表明所述算法具有較好的實時性，對同類電力系統電壓驟降檢測研究提供了重要的參考依據。

關鍵詞：電能質量 電壓驟降 特征量 相位跳變

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0020-05

電能是現代社會中最重要、最方便的能源，其應用程度已成為一個國家發展水平的主要標志。隨著科學技術和國民經濟的發展，電能供求關系的矛盾已逐步得到解決，但與此同時，有關電能質量的問題卻日益引起人們的重視。近十幾年，工業、商業和民用負荷中復雜電子設備得到了廣泛應用，電壓驟降給高技術含量的用電設備帶來的嚴重影響與危害表現得十分突出[1-4]。因此鑒于理論和實際兩方面的需要，對電能質量控制技術中的電壓驟降問題的研究具有重要的意義。

電壓驟降是由系統短路故障、過負荷和大型電機啟動引起的電壓有效值短時快速下降，電壓驟降幅值、持續時間和相位跳變是其最受關注的三個特征量[5-6]。該文提出了一種對電壓驟降進行檢測的瞬時d-q分解法，可對單相電壓驟降的三大特征量進行檢測與補償，具有較好的實時性，對同類電力系統電壓驟降檢測研究提供了重要的參考依據。

1 電壓驟降特征量檢測算法

常規的檢測方法未解決驟降電壓幅值和相位的瞬時確定問題，不利于直接應用于電壓驟降的實時補償，而借助abc-dq坐標變換能夠有效解決上述問題[7-9]。

1.1 基本原理

已知三相電壓變換到dq坐標的變換關系式為：

（1）

式中：

考慮一般的電能質量擾動情況，以a相為例，設基波相電壓均方根值為U、初相位為零。若將擾動表示成高頻振蕩信號的疊加，h次高頻信號的均方根值為Uh、處相角θh，并按指數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，經過三角函數運算可得：

（5）

（6）

式中，，

。

式（6）、（7）分別為驟降電壓的均方根值Usag和相位跳變的計算式。

（7）

（8）

1.2 檢測算法的原理框圖

圖1給出了電壓驟降時單相控制的原理框圖，對三相系統只需采用三組相同的控制電路即可。

電壓驟降的補償環節，關鍵是要檢測出驟降的起止時刻、幅值與相位跳變，而均方根值的突然變化則是發生驟降的主要標志。

電壓驟降發生與否，是通過將低通濾波后所求得的電壓均方根值與設定閥值作比較來進行的。若比值超出閥值，則表明已發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計算Usag和，可以進一步計算補償電壓的均方根值。

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用Matlab/Simulink對電壓驟降及其補償過程進行建模，檢測算法采用瞬時d-q分解法。

瞬時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”，用于將待轉換的正弦相位信號以向量形式輸入，其輸入形式為[a相，b相，c相]向量信號；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；輸出量為“dq0”，用于輸出向量信號[d，q，0]，這里主要采用其中的d、q兩項分量作為應用目標。“sin_cos”的輸入模塊如圖2所示。

瞬時abc-dq變換模塊經過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差值計算模塊如圖4所示，電力系統沒有發生電壓驟降時，d軸分量反映了正常電壓的均方根值即380，q軸為0。當電壓驟降發生時，經過abc-dq變換，驟降電壓的幅值可瞬時確定，同時與正常值做比較，可以得到d、q分量的差值，接著再進行dq-abc反變換即可得到補償電壓值。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。

根據瞬時d-q分解法原理，可以通過數學運算驗證電壓驟降發生時的相位跳變，具體模塊如圖5所示。

2.2 算例分析

2.2.1 無相位跳變、50%的電壓驟降

三相系統的相電壓為220 V，頻率為50 Hz，仿真中的LPF選用2階低通濾波器。設a相電壓在0.06～0.18 s之間發生無相位跳變、50%的電壓驟降，具體過程如圖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為應用dq變換得到0.06～0.18 s內的補償電壓波形。圖9為補償電壓與驟降電壓的疊加波形，具有十分良好的補償效果。

2.2.2 30 °相位跳變，30%的電壓驟降

假設三相電壓中a相在0.03～0.07 s之間發生了30 °相位跳變、30%的電壓驟降。圖10（a）為發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內的補償電壓波形，從圖10、11可知，采用瞬時d-q分解法能夠實時、有效地提供補償電壓，得到線路所需要的正常電壓波形。endprint

3 結語

新型的瞬時d-q分解法通過對單相電壓進行坐標變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標系上的各分量之間的關系，經過低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發生。該方法與以往常規檢測方法相比，具有原理簡單，變換矩陣階數少，運算量小的特點。同時，對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時性，對同類電力系統電壓驟降的檢測研究提供了重要的參考依據。

參考文獻

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[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 結語

新型的瞬時d-q分解法通過對單相電壓進行坐標變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標系上的各分量之間的關系，經過低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發生。該方法與以往常規檢測方法相比，具有原理簡單，變換矩陣階數少，運算量小的特點。同時，對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時性，對同類電力系統電壓驟降的檢測研究提供了重要的參考依據。

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3 結語

新型的瞬時d-q分解法通過對單相電壓進行坐標變換，可以得出將驟降幅值、相位跳變和電壓變換到坐標系上的各分量之間的關系，經過低通濾波后可正確判斷電壓驟降的發生。該方法與以往常規檢測方法相比，具有原理簡單，變換矩陣階數少，運算量小的特點。同時，對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時性，對同類電力系統電壓驟降的檢測研究提供了重要的參考依據。

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