电压暂降治理方案设计

摘要近年来随着社会的发展和技术的进步，新技术的不断出现，电网负荷不断创新高，电力用户比任何时候都关注电能质量问题，并特别关心电压暂降带来的危害。电压暂降不是新的问题，但技术的进步使电力电子设备及计算机非常敏感。所以电压暂降引起了各国工作者的高度重视。本文主要介绍了电能质量的含义、电压暂降的定义、电压暂降产生的原因和危害，分析了几种电压暂降的检测方法，包括有效值算法、峰值电压法、缺损电压法、基于瞬时无功功率理论的dq0变换法、dq变换法、单相坐标变换法和小波分析法等几种方法，并对各种算法的原理和优缺点进行了研究和比较，通过对检测算法的仿真得出每个检测方法的优缺点。本文对治理电压暂降的动态电压恢复器进行了研究，对其如何进行补偿进行了讨论，介绍了DVR的概念、结构和组成部分，重点讨论了DVR的控制策略和补偿策略，并用MATLAB实现了整个DVR系统的仿真，验证了从检测方法到补偿方法的有效性，为解决电压暂降问题提供了行之有效的方法。关键词：电压暂降；检测方法；DVR；MATLABABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofsocietyandtheadvancesoftechnology.Newtechnologiesconstantlyemerging.Thepowergridloadconstantlyinnovativehigh.Powerusersareconcernedaboutpowerqualityissuesthanever,andparticularlyconcernedabouttheharmcausedbythevoltagedrop.Voltagedipsisnotanewproblem,butitmakestheelectronicequipmentsandcomputersmoresensitivewiththedevelopingoftechnology.So,voltagedipscausedhighlyvaluedfromvariouscountries.Thisarticledescribesthemeaningofthequalityofelectricity,voltagedipssdefinition,thereasonanddisadvantagewhichvoltagedipsbringin.Analysisseveraldetectionmethodsofvoltagedips,includingRMSalgorithm,thepeakvoltagemethod,defectvoltagemethod,dq0transformwhichbasedoninstantaneousreactivepowertheory,dqtransformation,single-phasecoordinatetransformationmethod,waveletanalysismethodandsoon.Studiedandcomparedtheprinciplesandadvantagesanddisadvantagesofvariousalgorithms.DidMATLABsimulationtosomeimportantdetectionalgorithms,andtorealizedeachdetectionalgorithmsAdvantagesanddisadvantages.Throughtheresearchofdynamicvoltagerestorerwhichcontrolvoltagesags.Discussedhowtocompensate.IntroducedtheconceptofDVR,thestructureandcomponent.FocusingonthecontrolstrategyandcompensationstrategyofDVR.achievedtheentireDVRsystemssimulationbyusingMATLAB.Verifiedtheeffectivenessfromdetectionmethodtocompensationmethod.Offeredeffectiveapproachtosolvetheproblemofvoltagesags.Keywords：Voltagesags;detectionmethods;DVR;MATLAB目录第1章绪论.11.1选题背景及意义.11.2本文主要工作.3第2章电压暂降.32.1电压暂降的定义.32.2电压暂降的起因.42.3电压暂降的危害.52.4国内外电压暂降的研究现状.6第3章电压暂降检测分析方法.73.1有效值检测算法.83.1.1理论分析.83.1.2MATLAB仿真分析.83.2基波分量法.103.3峰值电压法.103.4缺损电压法.113.5基于瞬时无功功率理论的dq0变换法.113.5.1理论分析.113.5.2MATLAB仿真分析.123.6瞬时dq变换方法.143.6.1理论分析.143.6.2MATLAB仿真分析.153.7单相坐标变换检测方法.173.8小波变换法.183.8.1理论分析.183.8.2MATLAB仿真分析.183.9本章小结.20第4章电压暂降的治理.224.1引言.224.2动态电压恢复器(DVR)组成及原理.234.2.1串联变压器.244.2.2滤波器.244.2.3电压逆变器.254.2.4储能装置.264.3DVR的补偿策略.274.3.1补偿原理.274.3.2三种策略分析.274.4动态电压恢复器(DVR)的控制策略.294.4.1前馈控制方式.294.4.2反馈控制方式.304.4.3复合控制.30第5章动态电压恢复器DVR的仿真结果.31第6章结论与展望.346.1结论.346.2今后的研究方向.34参考文献.35翻译部分.36英文部分.36中文翻译.45致谢.52中国矿业大学2014届本科毕业设计第1页第1章绪论1.1选题背景及意义电能是现今商品行业中一种特殊的商品，它的质量也和普通商品一样涉及到了供需双方，不同的是它只能被动接受，而不能去选择。社会的发展带动了科技的进步，使用电能的产品也在发生巨大的变化，进而它对电能质量的要求也发生了变化。是否可以对新型的产品进行高质量供电是电力部门必须解决的一个问题，针对这个问题电力部门对努力提高电能质量做了很大的努力。随着科学技术和工业水平的提高，用电敏感负荷的性质与结构也都在发生着巨大的变化，这种变化促使我们去赋予电能新的定义与理解。电网对用户的供电电压质量经常用电压频率、谐波电压、电压偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、电压暂降、电压凸起、电压中断、振荡等参数进行描述1。理想的电力系统以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平对电力用户进行供电，在三相交流系统中各相电压、电流的幅值大小相等、相位对称而且互差120。电能质量不仅在于发电、输电和供电系统本身，而且随着现代工业的迅速发展，接入电网中的半导体换流器件和非线性负荷也干扰或者降低配电网中的电能质量2。系统中运行的发电机、变压器、电力线路等设备不同程度的存在非线性或不对称性，并且因为调控手段不尽完善，运行操作、外来干扰、故障和各种不可预见的原因等随时可能发生，理想的状态并不存在，因此，电网运行及供用电环节中存在各种问题，即电能质量问题。造成当前电能质量问题主要有以下三个方面的原因。（1）电力负荷构成的变化。现在电力系统中存在大量非线性负荷，即大规模的电力电子应用装置包括节能装置、变频设备等、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、提升机。另外，还存在很多快速变化的冲击性负荷。（2）大量谐波被注入电网中。含有非线性和冲击性负荷的新型电力设备在达到功率控制和处理目的的同时，都会产生非正弦波电流然后向电网中注入谐波电流，使公共连接点的电压波形严重畸变。负荷的波动性和冲击性导致了电压波动、瞬时脉冲等各种电能质量干扰。（3）电力系统故障。电力系统运行时出现的内、外故障也会造成电能质量问题，例如：雷击、误操作、电网故障、大功率电机重启等。发电机的励磁系统工作状态发生改变，各类装置中电力电子设备的启动等都会造成各种电能质量问题3。电力系统运行实践表明，严重的电能质量问题不仅会损坏电气设备，降低工业生产力，最为严重的时候甚至还会引起电网大面积停电，造成极坏的社会影响和严重的经济损失。下面是IEEE制定的电力系统电能质量特征参数及其分类，具体见表1-1。中国矿业大学2014届本科毕业设计第2页表1-1IEEE制定的电力系统电能质量特性参数及其分类类别典型频谱典型持续时间典型电压幅值纳秒级5ns上升50ns微秒级1s上升50ns1ms冲击脉冲毫秒级0.1ms上升1ms低频5kHz0.350ms04pu中频5500kHz20s08pu瞬变现象振荡高频0.55MHz5s04pu暂降（凹陷）0.530周波0.10.9pu瞬时暂升（凸起）0.530周波1.11.8pu间断0.5周波3s0.1pu暂降30周波3s0.10.9pu暂时暂升30周波3s1.11.4pu间断3s1min0.1pu暂降3s1min0.10.9pu短时间变动短时暂升3s1min1.11.2pu持续间断1min0.0pu长时间变动欠电压1min0.80.9pu中国矿业大学2014届本科毕业设计第3页过电压1min1.11.2pu电压不平衡稳态0.52波形畸变直流偏置稳态00.1谐波0100thH稳态020间谐波06kHz稳态02陷波稳态噪声宽带稳态01电压波动25Hz间歇0.17工频变化10s美国电科院曾经统计过一组数据，电能质量问题主要是由电压暂降（VoltageSag）和电压凸起（VoltageSwell）造成的，比例占90%以上，其中电压暂降是主要事故原因。在一些工业发达国家，电力部门和用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题(如谐波、供电中断、电压闪变、电压切痕及电压凸起等)的关注程度大得多，电压暂降已经上升为首要的电能质量问题。1.2本文主要工作本文对电压暂降的各种检测方法进行了分析，指出了各自的优缺点。在此基础上，提出了对用于治理电压暂降的动态电压恢复器进行的研究，并且通过用MATLAB仿真验证了所提方法的有效性。论文主要章节共分为五章，具体安排为：第一章：绪论。对电能质量的研究背景及意义进行了简要的概述，简述了电能质量的基本概念及分类。最后介绍了本文的设计工作安排。第二章：电压暂降。介绍了电压暂降的基本概念、产生原因及电压暂降带来的危害，叙述了国内外电压暂降的研究现状。第三章：电压暂降检测分析方法。系统地阐述了电压暂降的检测方法，其中包括有效值法、基波分量法、dq变换法、峰值电压法、缺损电压法、基于瞬时无功功率理论的dq0变换法、dq变换法、单相坐标变换法和小波分析法等几种方法，并对所述检测方法的原理进行了研究与分析，对部分方法进行了MATLAB仿真分析，通过比较得出各自的优缺点。第四章：电压暂降的治理。介绍了动态电压恢复器的一般主电路结构，各个组成部中国矿业大学2014届本科毕业设计第4页分的结构，常用的三种补偿策略和控制方式，为DVR的设计和仿真做了理论上的说明。第五章：动态电压恢复器的仿真结果。是整个DVR系统的仿真，并得出补偿前后的仿真结果图，验证所选择方法的有效性。第2章电压暂降2.1电压暂降的定义电压暂降又叫电压跌落和电压凹陷或者电压骤降，它是指电压有效值在短时间内下降然后回升至额定值的附近，一般情况下暂降会持续半个至三十个周波。国际电气与电子工程师协会(IEEE)把电压暂降定义为：供电电压有效值快速下降到额定值的90%10%，并且持续10ms到1min时间。国际电工委员会(IEC)则将其定义为：供电电压有效值快速下降到额定值的90%1%。我国将电压暂降定义为：电力系统中某一点的工频电压均方根值暂时降低到系统标称值的0.010.9.,而且持续10ms1min后恢复正常的现象。在研究电压暂降的过程中，常把电压暂降时电压均方根值与额定电压均方根值的比值定义成电压暂降的幅值；把暂降发生到结束所用的时间定义成暂降持续时间。电压暂降主要的三个特征量为电压暂降幅值、电压暂降持续时间与电压相位跳变。2.2电压暂降的起因在电力系统中引起电压暂降的原因有很多，例如：输配电系统中发生短路故障、有大容量感应电机重新启动、雷击、开关误操作、变压器和电容器组投切等事件都是引起电压暂降的原因。短路故障、大容量感应电机重新启动和雷击是引起电压暂降的主要原因。具体分析如下：（1）短路故障线路出现不同类型的短路，和故障点间的距离不同，会导致每条母线电压下降的比例不同。因为这种故障时常发生，所以它很有可能导致设备跳机或误动作，其中三相接地短路造成的电压暂降更有危害性。实际情况中单相短路故障发生次数最多，它是产生电压暂降最主要的原因。据统计发生单相短路的次数是其他短路类型的1.5倍。下图为线路短路引起的电压暂降：中国矿业大学2014届本科毕业设计第5页图2-1线路短路引起的电压暂降（2）大型电动机的重新启动大型感应电动机启动也能够引起电压暂降。大容量感应电动机用电量约占到接入电网中的全部负荷的60%左右。每当大功率的电动机启动的时候，定子侧电流会突然升高，可以超过额定电流的5倍以上，从而使母线处的电压显著下降。大型电动机的启动方式接入负荷等因素都会加大电压暂降的严重程度。虽然这类电压暂降持续的时间很长，但是暂降幅度不是很大，对生产和生活的影响也不大。合理制定实施方案可以有效的抑制电动机启动带来的大电流，从而可以抑制此类型电压暂降的带来的危害。下图为感应电动机启动引起的电压暂降：图2-2感应电机启动引起的电压暂降（3）雷击雷击造成的绝缘子闪络或者线路对地放电等现象会使保护装置动作，导致发生电压暂降，这在多雷区很明显。这种雷电造成的电压暂降影响范围大，暂降幅度小，持续时间大多超过100毫秒。另外，空载变压器投入或退出运行的操作也会导致电压暂降。因铁心的饱和效应，空载变压器投切时会产生很大的励磁涌流，电压暂降发生就是因为大的励磁涌流。变压器在投切的过程中常伴有二次与四次谐波为主的高频次谐波。由于三相铁心饱和程度不中国矿业大学2014届本科毕业设计第6页同，三相电压暂降的程度也不同。变压器的投切问题引起的电压暂降正常不低于85%。2.3电压暂降的危害在发达国家里，电压暂降与中断已经上升为各个领域内最为重要的电能质量问题。随着电子信息技术和智能控制技术在办公大厦、通信以及医疗等领域的普遍应用，还有变频调速电动机、各种自动化设备及计算机系统等在加工制造行业等生产领域的广泛应用，人们越来越发现电压暂降带来的严重后果。因为对这些敏感的设备来说，只是几十毫秒的供电电压暂降和中断就会影响到敏感设备的正常工作，带来巨大的经济损失和严重危害。而电压暂降的次数远远比中断的次数要多。因为暂降发生的次数比较多，所以从总体上看电压暂降带来的经济损失更大。电压暂降对于传统性工业中常用的负荷影响不大，它主要影响带有电力电子器件设备的正常工作，或者影响新型电子类设备所控制的传统工业。用户设备对电能质量问题特别是电压暂降的敏感程度视其用电特性的不同所带来的后果也各不相同。表2-1和表2-2是查看国内外有关资料整理的电压暂降对一些重要设备的影响调查及事故案例4。表2-1电压暂降造成的事故事故名主要敏感工序原因危害BonlacFoods,Australia奶粉制造工序系统故障电压低于90%时，吹干电机会跳闸。重新启动时需很长时间这会导致未处理的鲜奶变质华虹NEC，上海芯片制造系统干扰电压低于87%持续0112s或低于90%持续0.01s，造成芯片毁坏，每次直接损失100万美元CaledonianPaper,UK造纸工序雷击电压低于90%时，电机跳闸，作业中断，每次生产损失14000英镑Orianugscompany,USA拉丝制造；自动纺织系统干扰当电压低于90%时，工厂馈线会自动跳闸导致作业中断中国矿业大学2014届本科毕业设计第7页表2-2电压暂降造成的影响设备名称造成的影响芯片制造设备当电压低于85%的时，芯片就会被毁，测试仪停止工作，内部电子电路主板故障直流电机当电压低于80%，电机保护会自动跳闸PLC当电压低于90%并且持续几周波，I/O设备会被自动切除。低于81%时PLC停止工作计算机当电压低于60%持续12个周波，计算机工作降收到影响，数据可能丢失交流接触器电压低于50%持续时间超过一个周波，接触器会自动脱扣，有时电压低于70%接触器就会脱扣精密机械工具机械人控制的精密加工过程，当电压低于90%持续二到三个周波，工作过程中断制冷电子控制器当电压低于80%时，控制器切除制冷电机，造成很大损失调整电机VSD当电压低于70%，持续时间当超过六个周波后，VSD会被切除。一些精密加工的电机，当电压低于90%时，并且持续时间超过三个周波以上，电机跳闸并且退出运行随着我国经济的高速发展，复杂电子设备广泛的应用在现代工业企业，而这些复杂电子设备大多对短时间的电压暂降比较敏感，所以，电压暂降成为了威胁现代社会用电正常、安全工作的主要因素。电压暂降主要是由系统短路故障、大负荷电动机启动和雷击引起的，即使使用最优系统结构也无法避免这些扰动的侵袭，并且现代供电系统供电中断后的快速恢复能力远远达不到许多敏感负荷的要求，即使在系统中装设UPS也避免不了。因此，保证优质的电力不间断的供应变得更加的必要和迫切，这是现代电力工作者面临的新的严峻的挑战。中国矿业大学2014届本科毕业设计第8页2.4国内外电压暂降的研究现状电压暂降问题并不是新的问题，它是随着电力系统的存在而产生的，是一个长期面临的问题。在以前的传统工业中绝大数的设备对电压暂降幅值的突然变化不太敏感，因此电压暂降并没有引起人们的高度重视。从二十世纪七十年代开始，由于电压暂降对新型工业及其他行业带来了不可忽略的损失，其相关研究工作才开始逐步展开。八十年代期间电压暂降的研究工作主要集中在电压检测5、机理分析和对电机运行性能的影响6，到末期人们对电压暂降的研究才越来越深入、全面。现在，一些发达国家如欧美等国家已经取得了丰富的研究成果。最早关注和分析研究电压暂降问题的人是瑞典学者MathH.J.Bollen，他在1992年出版了第一本关于电压暂降的著作。书中深入的阐述了电压暂降发生的原因、短时间中断、暂降域和电压暂降的危害等内容，并对电压暂降的检测方法和抑制措施等进行了深入的分析和研究。此外，美国EPRI对电压暂降进行了多年的、大范围的监测，其调查结果显示电压暂降的幅值是不断变化的并不是恒定不变，而且还伴有相位突变，三相不平衡以及波形的畸变；大部分电压暂降的幅度都小于额定值的40%，并且持续的时间不会超过10个周期。英国、加拿大等国也进行了类似的监测，为治理和改善电能质量积累了资料。通过这些大量的资料，IEEE、IEC等国际组织对电能质量制定了相关标准的规定，其中就包括了电压暂降，电压暂降的相关标准包括IEC6100-4-11、IEC61000-4-34和IEEE1159等7。随着我国的电力水平的不断提高，电能质量也越来越受到重视。目前，一系列的国家电能质量标准已经在我国发布并且执行，其中包括三相电压允许不平衡度、供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、电压允许波动与闪变、公用电网谐波以及暂时过电压和瞬态过电压，但是还没有制定关于电压暂降的标准。国内许多学者近年来就电压暂降的检测方法、补偿控制策略进行了研究。一些高校研制出了动态电压恢复器的样机，对电压暂降的分析和补偿取得了一定的研究成果，但电压暂降的检测设备、识别方法仍不成熟，作为有效治理补偿电压暂降的前提，我们迫切需要对电压暂降的准确检测方法进行深入研究。目前我国还没有正式的电压暂降的国家标准，据悉，经过有关专家两年多的不懈努力，在大量的项目调研和资料收集的基础上，由福建省电科院等单位起草的电能质量电压暂降与短时中断通过了全国电压电流等级和频率标准化技术委员会的审查，即将正式成为我国国家的标准开始发布和实施。这个标准为我国相关电力部门提供了电压暂降与短时中断的监督管理依据，也提供了指导相关问题的治理的依据，对敏感用户的用电需求与生活生产也有重要的指导意义，具有良好的社会和经济效益。第3章电压暂降检测分析方法通过上一章的总结，可以看出电压暂降的严重性，所以能快速、准确地测出电压暂中国矿业大学2014届本科毕业设计第9页降的特征量，是成功检测电压暂降的关键。电压暂降的特征量包括电压暂降的起始时刻、暂降幅值及相位跳变等。在IEEE和IEC标准中常用暂降幅值和持续时间这两个指标来衡量电压暂降。电压暂降的补偿过程中需要实时的确定电压补偿量和动态电压恢复器补偿能力之间的关系。对电压暂降补偿来说，可以及时检测出暂降的起始时刻、幅值和可能出现的相角变化是关键的问题，这是成功补偿电压暂降的核心所在。因为电压暂降具有较短的持续时间，而且具有不确定性，所以要求很高的实时性，一些传统的电能质量检测方法都会产生很大的误差混淆检测结果。目前，分析电压暂降检测方法中长用的主要有：有效值法、峰值电压法、缺损电压法、瞬时电压dq0分解法、dq变换法、单相坐标变换法和小波分析法的分析方法等。本章主要是对上述方法进行总结，简要概述其原理，然后对各个部分检测方法仿真分析得出其优缺点进而进行比较，为后续的工作奠定基础。3.1有效值检测算法3.1.1理论分析通过电压的有效值去求解电压暂降的幅值是IEC61000-4-30(电能质量检测仪标准)推荐的测量方法。它的基本原理是：根据对连续周期信号有效值的定义，电压有效值可以通过计算时间域一个周期数值均方根运算得到。连续电压周期信号的均方根值为：)(tv=（3-VRMSdtvTt0211）式（3-1）中T为信号周期，单位s，T应大于被测信号的半个周期。在采用计算机计算有效值时，首先应该对连续信号进行采样，经过数字化处理后，式（3-1）中的积分运算可采用下面的求和运算实现：=（3-VRMS102Nntv2）式(3-2)中N为每个周期的采样点数，为被检测信号的采样电压。IEC61000-4-）（t30建议最好采样周期选取一个周波，而且每半个周波内刷新一次数据。当模拟信号采样的时候，一个工频周期最少要采样128个点。而在实际应用中，经常采用滑动平均值法。它的基本原理是：采集到新的样本点以后，就将最早采集到的样本点依次除去，然后采用一个周期内的滑动采样值进行均方根运算，得到一个全新的均方根值就可求出一个新的有效值8。中国矿业大学2014届本科毕业设计第10页有效值计算法的优点是：计算量小、实现快捷、不易出错等，所以它可以满足工程上的需要。缺点是检测持续时间存在一定的误差，也不能反映电压相位跳变，所以需要研究、改进。3.1.2MATLAB仿真分析通过搭建Simulink仿真模型，模拟输电线路。设置Three-PhaseProgrammableVoltageSource模块，模拟三相电压暂降，A相瞬时值通过RMS得到有效值如图3-1所示。图3-2给出了在0.2-0.4s发生的电压暂降的波形，暂降持续时间为11个周期，暂降幅值为50%。采用上述方均根值计算方法求得的电压均方根值如图3-3所示。图3-1输电线路Simulink有效值仿真图图3-250%、10周期电压暂降波形中国矿业大学2014届本科毕业设计第11页图3-3方均根值计算结果从图3-2可以看到，设定的电压暂降的持续了10个周期，暂降幅值为50%，暂降发生和截止是瞬时的。而从图3-3可看出，在电压暂降达到0.5之前，有一个周期的过度时间，在暂降终止时还有一个周期的过度时间。滑动平均值法中近一个周期的“历史”数据引起了过度时间。所以，如果仅从均方根值判断电压暂降持续时间约为11个周波，与实际持续时间比较大约相差一个周波的误差。并且均方根值计算结果不能明确电压暂降的起始时刻和电压暂降发生时可能出现的相位跳变大小。3.2基波分量法以时间t为自变量的基波电压可由下式求得：(3-3)dtTtueUjwf02式中为基波的角频率,为基波周期。T200电压的基波分量是利用FFT来计算的，它的变化特性与全周期有效值计算的结果很相似。想要快速得到电压值的变化，则可根据对称性用半个周期电压采样值来虚构一个周期的数据序列然后进行傅立叶快速变换，通过快速傅立叶变换得到电压基波分量。很明显半个周期的数据获取基波分量的方法要求所测电压对称，否则会使计算结果产生误差。傅立叶变化检测法也不能检测出电压暂降的起止时刻，对暂降持续时间的检测还有较大的误差。和有效值法和峰值电压比较，它虽然能够检测出相位变化，但它不能同步反映出具体数值，对时域上的信号变化也不敏感。傅立叶变换的本身就存在固有缺陷。如：频谱混叠和泄漏等现象，它也会引起不可避免的检测误差对测量产生严重影响。中国矿业大学2014届本科毕业设计第12页3.3峰值电压法峰值电压法的基本原理：峰值电压法是通过对一个周期内的电压值进行比较来计算此周期内的电压峰值，而后通过对峰值电压和参考电压的峰值比较来判断电压暂降是否发生。峰值电压是时间t的函数，公式为(3-4)tuTpU0max式(3-4)中为采样电压波形，T为半个周期的整数倍。)(tu峰值电压法的优点是原理简单，容易实现，而且暂降结束后能够快速检测到电压恢复，并且能显示出电压暂降发生的起止时刻。缺点是需要半个周期的时间获取暂降信息，一般情况下检测出的幅值大于实际暂降值导致检测结构出现较大的误差。3.4缺损电压法缺损电压被定义为期望的理想瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值，它是由美国学者Tunboylu提出来的。理想瞬时电压可通过对事件发生之前的电压进行外推得到，这种方法与于锁相环(PLL)法相似。将期望的瞬时电压波形设为，即PLL波形，电压暂tuPL降的波形为，则任一时刻的缺损电压为:tusag)(tm=-(3-5)tuPLsag由三角函数的计算原理可知，两个正弦波函数进行和或差的运算可以得到另一个具有不同相位的正弦波，所以只要暂降电压波形为正弦波，缺损电压波形将为正弦波。设：=(3-6)tuPLatAUsin=（3-7)sagbsagB式(3-6)、(3-7)中U、分别为PLL电压幅值（V）、相角（rad）；、分别为sagU暂降电压的幅值（V）,相角（rad），A、B为电压暂降的幅值。假设两个电压频率相同，则可以表示为：tm(3-8)tRsin中国矿业大学2014届本科毕业设计第13页式(3-8)中:baaBARcosinsitan22R是应该补偿的电压均方根值，是应该补偿的电压相位值。上式中可以看出，想要得到缺损的电压值必须先得到故障发生前的瞬时电压值，而如何准确的知道电压暂降发生的起始时刻从而标记电压暂降前的电压值是目前存在的最大问题。即使得到了缺损电压的瞬时值，如何去判定是否发生电压暂降现在还没有任何明确的标准，所以必须计算出其有效值，而计算有效值这个过程会引起电压暂降发生时刻的延时，所以缺损电压法并不能弥补有效值算法的缺点。缺损电压法不能检测相位跳变。3.5基于瞬时无功功率理论的dq0变换法3.5.1理论分析自二十世纪八十年代日本学者赤木泰文提出瞬时无功功率理论9以来，已经成功的应用在多个领域。瞬时无功功率理论打破了用平均值法来定义功率的传统模式，它阐述了瞬时有功功率等瞬时功率量，并且以瞬时无功功率理论为基础，来实现有源滤波器中的谐波及无功电流的实时检测。从abc三相电压变换到dq坐标系的转换矩阵为：(3-9)cbaqduC式中32cos32cosininsi320tttC变换矩阵C中的和是扰动前a相电压相位的正、余弦信号，它可由锁相环tsit与一个正弦和余弦信号发生电路产生。假设一个理想的三线三相电压为：(3-10)32sin(itUutcba经过dq变换后结果为：中国矿业大学2014届本科毕业设计第14页(3-11)03qusagdU其中以为暂降幅值。sagU由公式(3-10)可知，最终的变换结果中d轴分量代表了电压的均方根值，它是由上述的矩阵变换得到的电压瞬时均方根值。相位跳变的问题不会出现在对称的三相电压暂降中，它也无法检测出相位跳变。基于瞬时无功功率检测方法只适用于平衡的三相电压暂降。3.5.2MATLAB仿真分析搭建Simulink仿真模型，模拟输电线路。由理论可知这个方法适用于检测三相对称的电压暂降，设置Three-PhaseProgrammableVoltageSource模块，模拟三相对称电压暂降如图3-4所示。图3-5给出了在0.1-0.2s发生的电压暂降的波形，暂降持续时间为5个周期，暂降幅值为50%。采用上述基于瞬时无功功率检测方法求得的电压均方根值如图3-6所示。图3-4输电线路Simulinkdq0仿真图中国矿业大学2014届本科毕业设计第15页图3-550%、5周期电压暂降波形图3-6电压均方根值通过对理想的三相电压的dq变换可以瞬时求取电压的均方根值。对于平衡的三相电压暂降不会出现相位跳变问题，电压暂降的幅值可以瞬时确定。但是现实中大多发生的是不平衡电压暂降，并且这种电压暂降不仅会引起电压幅值的降低，而且还会引起电压的相位跳变。所以这种方法只是可以实时检测电压幅值，但只适用于三相对称扰动，在电压暂降中的应用前途不大。通过改进dq0得出了瞬时dq变换方法10-11，下面介绍潇湘宁提出的该方法。中国矿业大学2014届本科毕业设计第16页3.6瞬时dq变换方法3.6.1理论分析在对称三相三线电路中的各相电压波形相同、相位互差，所以可以选取任意一120项作为标准电压构建一个虚拟的三项电压系统,从而利用前面瞬时无功功率理论dq0变换法矩阵变换进行电压暂降特征量的分析。考虑到电能质量扰动的情况，以三相电压中a项为例，设基波电压均方根值为U、初相位为零。将扰动看作是叠加的高频振荡信号，h次高频信号的均方根值是、初相角为hU,并按指数衰减，则A相电压可以表示为：hte(3-12)thhaetUtusin2sin把A相电压延时可以得到,由可以算出，所以和分别为：60ccabubbuc(3-13)3bsin2sin23isinthhthhhtUetttu(3-14)3csi3sinthhettu将公式(3-12)、(3-13)分解成基波分量和高频分量，代入(3-9)中，经过运算可以得到：(3-15)3(11)3(11dsin()3sin(ii3ththththkhhhheUeUu(3-16)3(11)3(11cos()3sin(31iththththqhhhheUeUru中国矿业大学2014届本科毕业设计第17页式(3-15)、(3-16)中，。ht)1(1-hht)1(1从(3-15)、(3-16)中可以得知，中的直流分量为基波电压的均方根值。第h次高du频振荡信号分解为了次高频振荡分量的叠加，q轴变换结果中的直流分量为零，高频振荡信号与d轴的变换结果相似。所以当电压中含有较大的扰动时，不能表示基波电du压均方根值的反应量，此时应该采用滤波器提取的直流分量来求出电压变化的均方根d值。设式(3-12)到(3-14)中的高频振荡分量仍然存在于电压中，采取上述单相延时的方法来构造另外两相电压，将构造出的三项电压进行dq变换，并将变换后的d、q电压分量中的直流成分提取出来，就可以得到：(3-17)sin3coagqadU把和作为实际计算的已知量，就可根据上面公式求出电压暂降的幅值和daUqa相位跳变角分别是：(3-18)qadsagqadsagUU22rcin3rcin怎样快速、准确的提取与是求解电压暂降幅值和相位跳变的关键。现在最daq长用的是低通滤波法，就是利用低通滤波器（LPF）从矩阵变化的结果中提取出直流分量。3.6.2MATLAB仿真分析本图仍然采用上图中的主电路Simulink仿真模型，在模块Three-PhaseProgrammableVoltageSource中设置电压暂降，取A相暂降，为了模拟实际的采样过程，采用离散仿真算法。仿真中LPF选用2阶、截止频率为40HZ的巴特沃斯滤波器。A相信号如图(3-7)所示，在0.1s到0.2s之间发生具有的相位跳变、50%的电压暂降，暂降仍然为正弦50波。中国矿业大学2014届本科毕业设计第18页图3-7输电线路Simulinkdq仿真图（b）方均根变化曲线中国矿业大学2014届本科毕业设计第19页（c）相位跳变曲线图3-8检测出的幅值、相位曲线先根据上述理论，将A相电压移相构造出三相系统的电压，但是因为所选择的电压源模块不能同时模拟幅值和相位，所以通过修改电压源中的设置来构造三相系统的电压。再根据传统d-q法的公式和原理搭建仿真模型,验证传统d-q法对电压暂降的检测精度。瞬时电压d-q分解法与基于瞬时无功功率理论的dq0法相比，瞬时电压d-q分解法不仅可以检测幅值和相位的跳变，实时性好，而且还可应用于除三相对称电路之外的电路结构，适用范围更加广泛。3.7单相坐标变换检测方法在实际的电力系统中，单项故障引起的电压暂降是最多的，把单相电压作为一个参考电压来构造一个三相系统，然后在利用dq检测法检测电压暂降的特征量，这个方法有一定的使用性，但原理复杂，计算量大，针对这些问题变换检测法在dq基础上提出了改进，将单相电压从坐标变换到dq坐标。如下图电压向量U在静止坐标系的两个坐标轴上的投影分别为和即为电压的瞬时值。d-q旋转坐标系相对于静止tuacostubsin坐标系以角速度旋转，则电压向量U与d-q旋转坐标系同步旋转，其在d-q旋转坐标系的投影分别为，将、变换到d-q坐标系的算法如下：codiqduq(3-19)ttqdcossini图3-8坐标系和坐标系间的变换qd中国矿业大学2014届本科毕业设计第20页和可以是由实测的单相电压构造成的，即，将超前的utUusinu90向量作为当前分量，然后再进行d-q变换，再通过低通滤波得到直流分量，从而得到基au波电压的幅值和相位跳变：(3-20)0020arcosarctnqddqduUU即得到电压暂降的幅值和相移的特征量，且这种方法计算量较少，但该方法本身具有局限性，当出现明显的电压畸变时，谐波带来的影响并不能完全在该方法中被消减。由于和构造不同时，实时性不够好且容易引起短时扰动，影响精度。u3.8小波变换法3.8.1理论分析小波分析是近年来在傅立叶分析基础上发展起来的一个非常热门的前沿研究领域，它是继傅立叶分析之后的一个突破性进展。小波变换通过引入可变的尺度因子和平移因子，在分析过程中能够调节时频窗口，把时频局部化矛盾解决，有效的弥补了傅立叶变换中存在的不足，为信号处理提供了多分辨率下的动态分析手段和综合手段12。现今小波分析是今后学术界研究的重点和关键内容。在众多的小波函数中，Daubechies系列的小波具有正交、时频紧支撑、高正规性的优点，它在处理短时电能质量扰动检测时效果可以达到最佳，并且在db小波系列中，db4小波信号对奇异值的提取效果最佳。所以，电压暂降中常用db4小波变换实现检测功能。小波变换不仅能够检测幅值的剧烈变化，也能检测出相位的跳变，比前述的几种方法有了更广阔的适用性。下面对幅值信号和相位信号分别进行小波变换的仿真，来验证小波分析的优越性。3.8.2MATLAB仿真分析电压幅值信号通过编写m文件实现，模拟电压的幅值发生暂降，没有相位跳变的情况。原始信号如下图所示：中国矿业大学2014届本科毕业设计第21页图3-9幅值剧烈变化的电压暂降信号对幅值信号用wavemenu指令，在gui界面中进行分析，选择db4小波函数进行4层分解，如图3-10所示：图3-10幅值信号的db4小波4层分解示意图由图3-10的d1细节，我们可以清晰的看出，db4实时准确的检测出了电压暂降的起始时刻和终止时刻，显示了db4提取特征量的优异性能。因此，小波变换适合分析幅值变化的电压暂降，而且实时性好。下面对相位跳变信号进行分析。为了更能说明问题，对相位跳变信号仍用编写m文件实现，模拟幅值不变，相位跳变50的情况，以观测小波变换的检测效果。原始如下图中国矿业大学2014届本科毕业设计第22页3-11所示：图3-11相位跳变的电压暂降信号对该信号用wavemenu指令，在gui界面中进行分析，选择db4小波函数进行4层分解，如下图3-12所示：图3-12相位信号db4小波4层分解示意图在图3-12的分解细节中，我们可以明显看出，小波变换不仅能检测出幅值变化，而且还能把相位的跳变实时准确的检测出来。所以，小波分析法有着比前几种方法更广阔的应用范围，实时性好，适合电压暂降的检测