國網(wǎng)湖南綜合能源服務(wù)有限公司 徐 勇 向運(yùn)琨 曾 麟 何 哲

電壓暫降是指供電電壓方均根值在短時間突然下降且經(jīng)過短暫時間間隔后又重新恢復(fù)的變化現(xiàn)象。國際電工委員會指出電壓暫降電壓有效值變化范圍在1%-90%后又回到額定值，持續(xù)時間為10ms-1min。暫降幅值、持續(xù)時間和相位跳變是評價電壓暫降的三個主要特征量[1]。隨著目前電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題嚴(yán)峻，客戶對電壓質(zhì)量的要求也逐步提升。電壓暫降事件問題尤其突出，亟需開展電壓暫降監(jiān)測診斷及治理工作。

本文從理論上詳細(xì)介紹了基于dq 變換的三種常用的電壓暫降檢測方法：基于瞬時無功功率dq0的變換法，瞬時dq 變換法以及單相變換法[1-3]。分析了基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRFSPLL）。同時在Matlab 仿真環(huán)境中采用基于瞬時無功功率dq0的變換法，針對三相對稱的電壓暫降進(jìn)行仿真驗(yàn)證了檢測方法的有效性。

1 基于dq 坐標(biāo)變換的檢測方法

基于瞬時無功功率的dq0方法目前在電壓暫降的檢測中廣泛應(yīng)用。該方法可瞬時求取對稱三相電壓的有效值，在三相平衡暫降情況不會存在相位跳變，可快速計算電壓暫降幅值，具備良好的實(shí)時性和精確性。然而實(shí)際三相平衡暫降情況少之又少且通常伴隨相位變化，該方法適用范圍較窄。

瞬時dq 變換法。對于單相電壓暫降的測量，可以單相電路電壓為基礎(chǔ)構(gòu)造虛擬的三相系統(tǒng)，進(jìn)而利用坐標(biāo)變換可進(jìn)行電壓暫降的幅值、相位特征量分析。假設(shè)檢測a 相，構(gòu)造三相電壓，將Ua延時60°得到-Uc，進(jìn)而有基爾霍夫定律關(guān)系得到Ub=Ua-Uc，從而得到基波電壓的有效值U 初始的相位為0，可得到基波電壓的幅值Usag和相角φ，瞬時dq 變換法檢測速度快、動態(tài)響應(yīng)好，準(zhǔn)確提取電壓暫降的幅值相位。但該方法較復(fù)雜，實(shí)時性也并不是很好。另外在電壓擾動發(fā)生移相60°后還會造成鏡像電壓擾動[4]。

單相αβ 檢測方法。該方法在相互垂直靜止的坐標(biāo)系和相互垂直且以一定角度速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系為基礎(chǔ)。其中uα滯后uβ90°，得到。計算可得ud和uq，經(jīng)低通濾波器可獲得直流分量ud0和uq0，進(jìn)而計算出電壓暫降后的電壓方均根值和相位角φ=arctanuq0/ud0[5]，相較于瞬時dq 變換法計算量減少了很多，但由于uα滯后uβ90°的原因會存在一定的延時，延時時間為四分之一個工頻周期。

2 單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)

2.1 SSRF-SPLL 概述

SSRF-SPLL 采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)（圖1），適用于電網(wǎng)電壓平衡下相位、頻率與幅值等特征值的檢測。電網(wǎng)平衡下電壓僅含正序分量，αβ 和dq坐標(biāo)系中的電壓矢量和輸出電壓矢量位置如圖2。其中V 為實(shí)際電壓矢量，Vpll為鎖相環(huán)輸出矢量，為實(shí)際矢量角度，為鎖相環(huán)輸出矢量角度。圖2中，實(shí)際電壓矢量以d 軸為基礎(chǔ)定向，當(dāng)鎖相環(huán)準(zhǔn)確鎖相時Vpll和V 應(yīng)該是完全重合的，即。當(dāng)電壓相位突變時Vpll和V 的相對位置將產(chǎn)生變化，而鎖相環(huán)采取閉環(huán)控制使得輸出滿足。ωff為檢測電壓的額定頻率。

圖1 SSRF-SPLL 的矢量圖

圖2 SSRF-SPLL 控制結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2中，對輸入電壓進(jìn)行abc →α β變換和αβ →dq 變換，從而將三相靜止的正弦量變換成兩相中的直流量。結(jié)合鎖相環(huán)，通過閉環(huán)PI 控制使得vq=0即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測。在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，將vq輸入PI 控制器，當(dāng)頻率固定時vq為直流量，利用PI 調(diào)節(jié)器的直流無靜態(tài)誤差的調(diào)節(jié)特性，最終令vq趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測。

2.2 SSRF-SPLL 工作原理

假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相平衡電壓并令A(yù) 相電壓的初始相位為0，則三相電網(wǎng)電壓可分別表示為、、，式中V 為輸入電壓有效值，ω1為輸入電壓角頻率。通過進(jìn)一步計算可得到電網(wǎng)電壓的dq 分量表達(dá)式：

式中ω0為鎖相環(huán)計算頻率，φerror為輸入電壓矢量實(shí)際相角與計算相角的差。由該式分析可知，假設(shè)dq 坐標(biāo)系以d 軸定向，當(dāng)ω0≠ω1時則vq是交流分量；當(dāng)ω0=ω1、φerror≠0時則vq為直流分量，其數(shù)值大小與φerror成正比；當(dāng)、ω0=ω1、φerror=0時vd=V、vq=0。根據(jù)以上計算規(guī)則，只要控制vq輸入的PI 控制器調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對SSRF-SPLL的整體控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的特征值檢測。

3 電壓暫降的仿真

為驗(yàn)證電壓暫降檢測方法的準(zhǔn)確性和有效性，在Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下搭建模擬電壓暫降的仿真系統(tǒng)（圖3），Three-Phase Fault 模塊用于模擬電壓暫降的產(chǎn)生，dq-transform 模塊用于測量三相電壓的方均根值，最后利用示波器分別觀察三相瞬時電壓以及它的方均根值的變換情況。由于是平衡的三相電壓暫降，不存在相位跳變，故不用測量三相電壓相位值跳變。

圖3 電壓暫降系統(tǒng)仿真模型

圖4 三相瞬時電壓

圖5 三相電壓的方均根值

在圖3所示的仿真系統(tǒng)模型中，設(shè)置電壓頻率為50Hz，線電壓為380V，三相對稱且不存在諧波；三相線路阻抗設(shè)定為RL 型阻抗，其中R 為0.5Ω，L 為1mH；三相負(fù)荷采用恒功率模型，有功功率為10kW，無功功率為2Var。Three-Phase Fault 模塊在0.1秒時開始動作模擬故障的發(fā)生，在0.2秒時自動恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。圖4顯示的是三相瞬時電壓，圖5顯示的是三相電壓的方均根值。對比圖4和圖5，電壓暫降的起止時間設(shè)置0.1～0.2s，電壓有效值從220V 降到了75V（0.34p.u.），圖4中快速準(zhǔn)確地計算出幅值的變化，驗(yàn)證了該方法可有效地測出電壓暫降的幅值和持續(xù)時間。

本文從理論上詳細(xì)介紹了基于瞬時無功功率dq0的方法、單相αβ 變換方法以及瞬時dq 變換方法，并分析了它們各自的優(yōu)勢與不足。同時分析了基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)（SSRF-SPLL）。最后在Matlab 仿真環(huán)境中搭建了基于瞬時無功功率dq0的變換法以及SSRF-SPLL 的電壓暫降檢測仿真模型，成功檢測到了電壓暫降的幅值和持續(xù)時間，從而驗(yàn)證了該方法的有效性。