一种改进的电压暂降检测方法

1、2006年2月电 工 技 术 学 报vol.21 no.2 第 21 卷第 2 期transactions of china electrotechnical society feb. 2006 一种改进的电压暂降检测方法张庆超肖玉龙（天津大学电气与自动化工程学院天津 300072 ）摘要电压暂降是最严重的电能质量问题之一，补偿电压暂降能够带来巨大的经济效益，而实现电压暂降特征量的快速、准确检测是电压暂降补偿的前提。本文对现有的电压暂降特征量检测方法进行了全面的研究后，提出一种改进的电压暂降检测方法。该方法利用求导来代替 变换方法中的相位延迟算法，不但克服了 变换方法中相位延迟算法所造成的短时

2、扰动现象，提高了检测精度，而且还明显加快了检测速度，提高了算法的实时性，从而实现了电压暂降特征量的快速、准确检测。仿真结果证明了该方法的有效性，有望用于dvr 补偿装置。关键词： 电压暂降 变换相位延迟动态电压恢复器中图分类号：tm835 an improved detection method of voltage sagzhang qingchao xiao yulong （tianjin university tianjin 300072 china）abstract with wide use of sensitive electronic equipment, voltage sag

3、 has become one of the most serious problems of power quality， which has attracted extensive attentions of scholars and engineers in the power field both native and abroad, because voltage sag compensation can bring about great economic benefit. to compensate voltage sag, fast and exact detection of

4、 voltage sag characteristics (sag amplitude, time duration and angle jump) is very important. at the basis of studying present voltage sag detection methods, this paper proposes an improved detection method of voltage sag characteristics which uses differential coefficient instead of phase delay tha

5、t is employed in transform method for the voltage sag detection. the improved method presented in this paper enhances the detection accuracy and speed which is very useful for dvr compensation device. the simulation results verify the validity of the method.keywords ：voltage sag, transform, phase de

6、lay, dynamic voltage restorer(dvr) 1引言近年来， 随着各种大功率电力电子开关设备的普及应用，对电能质量提出了越来越高的要求，尤其 是一 些 新 型 电 力 负 荷 如 用 户 敏 感 设 备plcs，asds 以及微处理机等对电压暂降敏感程度很高，当电压下降到80%标称值以下几个周波时就会导致设备中断，造成巨大的经济损失。所以采取适当措施来避免电压暂降是非常重要的1。动态电压恢复器（dvr ）是解决电压暂降问题的一种有效手段2,3，它能在 ms 级内向系统注入正常电压和故障电压之差，从而补偿电压暂降。而对电压暂降特征量如暂降幅值、起止时刻和相位跳变的快速、准

7、确检测是电压暂降补偿的前提4。到目前为止，对电压暂降特征量的检测已存在多种检测方法，但这些检测方法都不是很理想。如有效值计算方法、峰值电压法、基波分量法都只能用于检测电压暂降的幅值；单相电压变换平均值法、瞬时电压dq 分解法能同时检测电压暂降的幅值和相位跳变，但无法检测电压暂降的起止时刻；基 于 瞬 时 无 功 功 率 理 论 的dq0 变 换 方 法 是 目 前dvr 装置中常用的电压暂降检测方法，但是该方法天津市重点自然科学基金资助项目（023801211 ）。收稿日期 2005-07-15 改稿日期 2005-10-01 124 电工 技术 学报 2006年 2 月只适用于三相对称扰动，

8、而且没有考虑电压暂降时可能随之出现的相位跳变问题；由于实际的电压暂降多为单相短路故障所引起，所以对于单相短路故障，可以根据三相三线制电路的特点，以单相电压为参考电压构造出一个虚拟三相系统5,6。 但该方法需首先由单相电压构造出虚拟三相系统才能进行检测，原理上不够简单明了，实现过程中仍需进行三相变换，计算量仍然较大；针对以上问题，变换检测法3提出将单相瞬时电压从 静止坐标系变换到 dq 旋转坐标系，从而使计算量大为减少，但是由于 变换检测法所用数据不具有同时性，使得该方法检测时间比较长，实时性不够好，而且检测波形出现短时扰动，影响检测精度。本文中提出的改进算法是在 变换检测法的基础上，利用求导代

9、替 变换检测法中的相位延迟，从而明显地加快了检测速度，而且克服了短时扰动现象，有利于后续补偿装置的补偿效果。2 变换检测法简介在图1 中，电压向量u在 静止坐标系的两个 坐 标 轴 上 的 投 影 分 别 为u=ucos( t+?) 和u=usin( t+?)， 即为电压的瞬时值。dq 旋转坐标系相对于 静止坐标系以角速度 旋转，则电压向量u与 dq 旋转坐标系同步旋转，其在 dq 旋转坐标系的投影分别为ud=ucos ?，uq=usin ?。将 u和 u变换到 dq 坐标系的算法如下?-=?uuttttuucossinsincosqd（1）由此可得到dq 旋转坐标系上的两个分量ud和 uq。

10、图 1 坐标系和dq 坐标系间的变换fig.1 conversion between coordinate and dq cordinate u和 u可以根据实测的单相电压来构造，即令u =u1=usin( t+?)，将超前u90的向量作为当前分量 u，然后按式（ 1）变换到 dq 坐标轴上，再通过低通滤波器得到dq 电压中的直流分量ud0和 uq0，则可得到基波电压的幅值和相位跳变为20q20duuu+=（2）d0q0arctanuu=?（3）这样便可得到电压暂降的幅值变化和相位跳变的特征量。在上述 变换检测方法中，u分量是通过u分量超前90取得的，也就是由u 分量在相位上延迟 90后的数据

11、构成的，所以该方法所用的数据不具有同时性，这样会产生以下不利的影响：一方面，该方法从系统发生故障到检测到故障所用时间比较长，约需2ms 左右，而实际的dvr 补偿装置补偿所用时间要求是2ms，因此该方法不能很好地满足 dvr 补偿装置的实时性要求；另一方面，数据的不同时性常常造成检测波形出现短时扰动。补偿装置是根据检测结果来进行补偿的，检测精度越高，效果越好， 则补偿的精度和效果也越理想,而上述方法中出现的短时扰动现象大大影响了检测效果，从而影响了补偿装置的补偿效果。3改进的电压暂降检测方法针对以上问题，本文提出一种改进的电压暂降检测方法。研究u 和 u 之间的相互关系，可发现通过对 u 求导

12、也能得到该相电压的余弦信号u， 即令u =u1=usin( t+?) （4）)cos(/?+=tuuu（5）然后将u 和 u 按照式 (1)变换成dq 坐标系下的ud和 uq分量，再经低通滤波器得到直流分量ud0和 uq0，按式 (2)和式 (3)即可得到电压暂降的幅值变化和相位跳变的特征量。这样一来， u 和 u 的数据就可同时得到，不仅大大缩短了检测时间，从而缩短了整个补偿装置的补偿时间，提高了装置的实时性；而且避免了检测波形可能出现的短时扰动现象，提高了补偿精度和效果。在实际计算中利用的是离散的数字量而不是连续的模拟量，可用对离散数字量求差分来代替求导数， u 的差分可表示为tttutt

13、uut?-?+=?) 2/()2/(lim0（6）t? 较小时可取第 21 卷第 2 期张庆超 等一种改进的电压暂降检测方法 125 tttuttuu?-?+=) 2/()2/(（7）设采样周期为ts，式（ 7）中的t? 可用 ts代替，即sss) 2/()2/(tttuttuu-+=（8）整理后可得)cos(2sin2ss?+=ttutuu（9）由式（ 9）所产生的误差公式为%100-=uuu（ 10）即%1002sin21ss-=tt（ 11）可见， 由此所产生的误差只与采样周期ts有关，只要 ts足够小，误差就可以控制在要求的范围内。4仿真分析在实际电力系统中，由于电压暂降多由单相接地故

14、障所引起， 因此本文利用matlab 仿真工具， 对相电压为220v 电力系统工频运行时发生单相接地短路故障的电压情况进行仿真，其故障相电压发生短时下降，从而得到电压暂降的波形如图2 所示。图 2 故障相的电压暂降波形fig.2 voltage sag waveform of fault phase从图2 中可以看出，故障相电压在0.06s0.122s 时发生暂降，并伴随相位跳变。仿真中设定系统采样频率为25khz，每周期采样点数为500，所用滤波器为50hz 通带截止频率，750hz 阻带截止频率的 butterworth 低通滤波器。 由于采用了低通滤波器，即使暂降波形中含有大量谐波，也会

15、被滤出，并不影响检测效果。图 3 和图 4 分别为利用 变换法和改进法对电压暂降幅值进行检测的结果。由仿真曲线可知，两种方法均在0.06s 时检测到电压暂降，暂降幅值均为 124v，即发生了56.6%的电压暂降。dvr 补偿装置是以暂降幅值的90%作为启动阈值，改进法所 检 测 到 的 幅 值 从 发 生 暂 降 到 下 降 到90%只 需0.12ms， 而 变换法所检测到的幅值从发生暂降到下降到 90%则需 1.64ms。实际 dvr 补偿装置的补偿时间为2ms， 因此 变换法的检测结果不能很好地满足dvr 补偿装置的实时性要求，而改进法对于 dvr 而言则具有非常好的动态响应性能，满足dv

16、r 补偿装置的实时性要求。同时， 也正是改进算法的这一优点，使它实现了对暂降发生起止时刻的准确检测。图 3 变换法的电压暂降幅值检测结果fig.3 detection result of the voltage sag magnitude using transform method 图 4 改进的电压暂降幅值检测结果fig.4 detection result of the voltage sag magnitude using improved method另外，在图3 中可以看到，利用 变换法进行电压暂降幅值检测时，由于所用数据不具有同时性，在0.12s 处即电压暂降恢复时检测波形出现了

17、短时扰动（如果电压暂降的起始时刻出现在幅值最大处，幅值检测波形的起始时刻也将出现短时扰动） 。由于补偿装置是以暂降幅值的90%作为投入和切除的阈值，所以图3 中出现的短时扰动会导致补偿装置误动，影响补偿效果；而在图4 中，利用改进法对电压暂降幅值进行检测时，避免了扰动的发生，使补偿效果得到改善。同时，在图4 中可以看到，检测暂降幅值时，暂降波形在起止时刻出现了较大的“过冲” ，其原因是暂降波形在起止时刻处是不连续的，改进算法在进行求导时，不连续处126 电工 技术 学报 2006年 2 月的导数会发生突变，即图中的“过冲”，但这并不影响后续补偿装置的补偿效果，因为补偿装置是以检测波形下降到90

18、%为动作依据的。图 5 和图 6 分别为利用 变换法和改进法对电压暂降相位跳变进行检测的结果。由仿真曲线可知，两种方法都检测到- 47.7的相位跳变。但是，通过比较可以看出，在图5 中，利用 变换法对电压暂降相位跳变进行检测时，由于 u和 u所用数据在时间上相差0.005s(相位差90)，在相位跳变的起始和恢复时刻检测波形均出现了短时扰动现象，与图 3 中出现的扰动一样，这也将使补偿装置的补偿精度和效果受到影响。改进法利用求导实现了数据的同时性，从图6 可以看出，利用改进法能在保持检测精度的前提下，避免扰动的发生，从而提高后续的dvr 补偿装置的补偿效果。图 5 利用 变换法对电压暂降相位跳变

19、检测的结果fig.5 detection result of the phase angle jump of voltage sag using transform method 图 6 利用改进法对电压暂降相位跳变检测的结果fig.6 detection result of the phase angle jump of voltage sag using improved method 5结论（ 1）改进法所检测到的电压暂降幅值从发生暂降到下降到90%只需 0.12ms， 具有非常好的动态响应性能，满足dvr 补偿装置的实时性要求。（ 2）利用改进法对电压暂降幅值和相位跳变进行检测时，避免了暂降检测波形中扰动的发生，这将会使dvr 补偿效果得到改善。参考文献1 卢本初，陈红坤，梁有伟. 电力系统中电压骤降的综合分析 .电力设备, 2003, 4(12):