28 配电网电压暂降检测算法的仿真比较

u b [11-12] 。然后将构造的虚拟三相电压从 abc
三 相 坐 标 系 变 换 到 dq 两 相 同 步 旋 转 坐 标 系 中，通过低通滤波器得到 dq 电压的直流分量 则所测基波电压的有效值 U 和相角 U d 和U q ，
分别为：
u
signal
rm s
-KGain Scope
Voltage Source
随着电力电子技术的发展，现代工业生产中 基于微电子技术控制的自动化生产线，半导体芯 片制造，精密仪器仪表等敏感性非线性用电设备 的大量使用，在给电网带来大量谐波的同时对供 配电系统的动态电能质量提出了越来越高的要 求。其中，电压暂降是动态电能质量最为突出的 问题之一，常给用户造成严重的经济损失。要有 效地解决配电网电压暂降问题，有必要研究能快 速准确地检测配电网电压变化信息的算法。因 此，针对精密负荷对配电网动态电能质量的高要 求，研究配电网电压暂降快速准确的检测算法以 及对电网谐波的抗干扰能力等具有重要的现实 意义。 目前，对电压暂降检测算法的研究已有一些 文献报道。如文献[1]利用有效值算法，采用统计 学原理有效区分电压暂降的原因，提高了电压暂 降在线监测的精度。文献[2-3]提出使用 Kalman 滤波器检测基波分量的幅值。文献[4-5]利用两相 同步旋转 dq 变换进行电压有效值的检测，该算
U
u
sin cos Ud
u
电压
构造
-dq
uß
变换
Uq
1.2 瞬时 dq 变换法基本原理
暂降有效 值及相 位计算
U

图3 αβ变换法电压检测框图
ua u1 uh 。 其 中 ， u1 2U s int 为 基 波分量 ， u h 为 谐波分 量。 当系统 发生 电压
1111
重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
400
200
0
-200
度高的优点。 (3)相比其他两种检测算法， αβ 变换 法的抗谐波干扰能力最弱。本文所得结论将为配 电网动态电能质量检测提供很好的理论依据和 技术支撑。
0.1 0.15 0.2 t/s 0.25 0.3 0.35
U/V
-400 0.05
暂降故障时，以 a 相电压为参考，将其延时 60°得 到 u c ， 由 ub ua uc可 以 计 算 出
以 a 相电压为例，假设待检测电压为
2 三种电压暂降检测算法模型及仿 真
根据上述检测算法的基本原理，利用 Matlab/Simulink 软件分别建立了其仿真模型，如 图 4(a)-(c)所示。其中，compute 模块的作用是根 据 dq 轴电压分量计算基波电压的有效值和相角。
1110
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
2.1 电压暂降时无相位跳变情况比较
假设被测电压在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50% 的幅值暂降且不含相位跳变。待测电压的波形和 所检测的电压有效值结果如图 5 所示。其中，图 5(b)标幺值计算时其基值选为电压有效值 220 V。
400
200
U/V
(1-瞬时dq变换法 2-αβ变换法) 图6 电压暂降含相位跳变的仿真结果
2.3 抗谐波干扰能力的检测效果比较
假设被测电压含有 10%的 5 次谐波分量，在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50%幅值跌落并伴随 30° 相位跳变。在以下仿真中 αβ 变换法和瞬时 dq 变 换法的低通滤波器选用相同的截止频率。待测电 压的波形和所检测的电压有效值、相位结果如图 7 所示。

Voltage source
alpha beta build
Scope
图2 瞬时dq变换法电压检测框图
V(pu)
Freq wt
alpha beta to dq Transformation
Compute Scope1
1.3 αβ 变换法基本原理
αβ 变换法将电压从 αβ 两相静止坐标系变 换到 dq 两相同步旋转坐标系中 [13] 。对于单相 电压暂降的检测，可以根据实测的单相电压来构 造两相静止坐标系下的电压分量 u 、u 。 假设
法可以检测出电压跌落的深度和基波正序分量 的相位跳变。文献[6]在两相静止 αβ 变换和两相 同步旋转 dq 变换的基础上研究了 αβ 变换法，避 免相位延迟提高了检测精度。然而，上述文献大 都围绕某一种检测算法针对特定的电压暂降故 障进行分析，对电网电压暂降时相位跳变、电网 含谐波时的响应能力分析和比较还不够深入。此 外，虽然有文献提及基于现代信号处理的检测方 法如小波变换[7]、 S 变换[8]等， 但是这些方法往往 计算量大，导致工程应用及实现相对困难。 基于此，本文在分析电网电压有效值算法、 瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法基本检测原理的基础 上，应用Matlab/Simulink仿真软件分别建立其电 压暂降检测的仿真模型。在配电网单相电压暂降 时有无相位跳变和电网含谐波等不同情况下，对 基波电压有效值、相位检测的准确性和抗谐波干 扰能力进行了比较研究。
400
-400 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(a) 待测动态电压波形
1.4
200
U/V
3 1 2
1.2
0
U / p.u.
1 0.8 0.6 0.4 0.05
-200
-400 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
百度文库
0.3
0.35
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
(a) 待测动态电压波形
1.2 1 1 2
参考文献
[1] 王洪梅，林克．基于统计学的提高故障电压跌落在 线监测判别准确率的方法[J]． 吉林电力， 2006， 34(3)： 12-24． WANG Hong-mei, LIN Ke. A statistical-based method
3
U / p.u.
abc to dq Transformation
Compute Scope1
Sin_Cos
Discrete 1-phase PLL
ua u
abc电压 构造
Ud abc-dq 变换 Uq
ub uc
暂降有效 值及相 位计算
U
(b) 瞬时dq变换法电压检测仿真模型
u beta alpha beta alpha beta sin_cos d q d q rms(p.u.) phase
由于电压暂降过程中通常会伴随着电压相 位的偏移或跳变，以及随着配电网中电力电子装 置的增加，电网电压波形畸变情况较为普遍，使 得电压暂降检测算法的性能将对配电网中补偿 装置的设计产生很大影响。因此，本节对三种电 压暂降检测算法，在电压暂降时有无相位跳变以 及电网含 5 次谐波畸变情况下的检测精度及各自 的抗谐波干扰能力进行仿真比较。在以下的仿真 中，假设被测电压的有效值为 220V ，频率为 50Hz。
0
-200
而，与 αβ 变换法的动态响应能力相比，瞬时 dq 变换法动态响应能力较弱，其原因是该算法构建 虚拟三相系统的 b、 c 相电压是通过将 a 相电压延 时 60° 得到，因此，在电压暂降和恢复时刻存在 一定的延时。 αβ 变换法则由于采用求导运算代替 相位延时来构造虚拟两相系统，明显加快了检测 速度，克服了短时扰动，实时性好、准确度高。 另外，与图 5(b)无相位跳变仿真结果相比，电网 电压相位跳变将使得电压有效值大小在电压暂 降的起止时刻产生波动，将对有效值的检测精度 有一定的影响，采用瞬时 dq 变换法时尤为明显。
Sin_Cos
Discrete 1-phase PLL
(c) αβ变换法电压检测仿真模型 图4 检测算法的仿真模型
u 2U sin(t ) ，对 u 求导得到该相电压
的余弦信号为 u 2U cos(t ) ，然后将其 变换到 dq 坐标系，通过低通滤波器则可得到 dq 电压中的直流分量 U d 和 U q ， 仍然可由式(2)、 (3) 得到基波电压有效值和相角。其原理框图如图 3 所示。
0.35
1.4
(a) 待测动态电压波形
1.2 3
(b) 不同算法对基波电压有效值检测效果
U / p.u.
(1-有效值法 2-瞬时dq变换法 3-αβ变换法) 图5 电压暂降无相位跳变的仿真结果
1 0.8
1 2
0.6
由仿真结果可以看出，对于无相位跳变的电 压暂降，三种检测算法都能检测出电压暂降后基 波的有效值大小。但是，从动态响应能力比较可 以看出，有效值算法的动态检测效果最差，这是 由于该算法需要利用一个周期的采样数据，在电 压暂降开始和消失后都有约一个周期的过渡时 间； 而瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法的实时性更好， 能够迅速而准确地检测到电压暂降的起止时刻 和有效值大小。
为了实时检测电压有效值的瞬间变化， 当采集到新样本点时，顺序将最早采集到的 样本点去除，然后用一个周期的滑动采样值 求出一个新的均方根值 [10] 。其检测原理如图 1 所示，图中， u 为待检测电压，U 为所检测电压 基波有效值。
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重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
u
有效值计算
图1 有效值算法电压检测框图
1 各种电压暂降检测算法原理
1.1 有效值算法基本原理
根据连续周期信号有效值的定义，对信 号进行数字化处理之后，计算一个周期数据 序列的滑动平均值如下 [9] ：
U k
1 i k 2 ui N i k N 1
(1)
式中， N 为一个周期中总的采样点数； ui 为
U (k ) 为第 k 个采样电压的有效值。 采样电压；
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
杨春，刘霞，洪毅
（重庆市江津区供电有限责任公司， 402260）
摘要：要实现对配电网动态电能质量的准确检测，有必 要研究配电网动态电压暂降的检测算法。本文在分析有 效值算法、瞬时dq变换法和αβ变换法三种电压暂降检测 算法基本原理的基础上， 应用Matlab/Simulink软件仿真平 台，建立了配电网电压暂降的检测模型。在配电网单相 电压暂降时有无相位跳变和电网含谐波等不同情况下， 对基波电压有效值、相位检测的准确性和抗谐波干扰能 力进行了比较研究。针对电压暂降时有无相位跳变以及 配电网含谐波源等情况，对三种检测算法的检测性能进 行了仿真比较。仿真结果表明：三种检测算法都能检测 电压暂降后基波有效值的大小。其中， αβ变换法具有检 测响应速度快，检测精度高等特点，而瞬时 dq变换法则 具有更好的配电网谐波抗干扰能力。 关键词：配电网；电能质量；电压暂降；电压检测；相 位跳变；谐波
0.4 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(b) 不同算法对电压有效值检测效果 (1-有效值算法 2-瞬时dq变换法 3-αβ变换法)
40 30 20 10 0 -10 0.05 2
/°
1
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(c) 不同算法对电压相位跳变检测效果
RMS
U U U
2 d
2 q
(2) (3)
u
(a) 有效值算法电压检测仿真模型
a abc abc sin_cos d q d q rms(p.u.) phase
arctan
其原理框图如图 2 所示。
sin cos
Uq Ud
Voltage source
abc build
Scope
Fre q V(pu) wt
2.2 电压暂降时有相位跳变情况比较
假设被测电压在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50% 幅值暂降的同时相位发生 30° 的跳变。待测电压 的波形和所检测的电压有效值、相位结果如图 6 所示。 由图 6(b)和图 6(c)可知，当电网电压暂降且 存在相位跳变时，有效值算法无法检测其相位跳 变信息，而瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法可以较准 确地检测出被测电压幅值跌落和相位跳变。然
0.8 0.6 0.4 0.2 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
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