一种电压暂降改进求导变换检测算法_彭清文.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.014一种电压暂降改进求导变换检测算法彭清文，李雨佳，陈柏沅，孙姜玥烨，吕灿，胡湘伟(国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司，湖南 长沙 410015)摘要:电压暂降问题往往会给高端制造业用户带来巨大损失，对电压暂降的典型特征量实现快速准确检测，是补偿和治理电压暂降的关键。治理电压暂降的关键就在于在利用少量的采样数据快速、准确地检测到电压暂降。为此在 dq 变换法的基础上，提出一种新型的改进求导变换法，采取不同的方法构造 d、q 轴电压，这种方法可以显著缩短电压暂降的检测延时，只需要 2 个采样点，就能够准确检测到电压相位和幅值，在工程中具有良好的使用价值。关键词:电压暂降;求导变换法;电压检测中图分类号:TM712.2文献标志码:A文章编号:1008-0198(2023)01-0084-06基金项目:国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A12101YJ)收稿日期:2022-08-01修回日期:2022-11-04An Improved Derivative Transform DetectionAlogorithm for Voltage SagPENG Qingwen，LI Yujia，CHEN Baiyuan，SUN Jiangyueye，LYU Can，HU Xiangwei(State Grid Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)Abstract:Voltage sag problems often bring huge losses to highend manufacturing users，and the rapid andaccurate detection of the typical characteristics of voltage sag is the key to compensating and controlling voltagesag The key to managing voltage sags is to detect voltage sags quickly and accurately through small amounts ofsampled data In this paper，on the basis of the dq transformation method，a new type of improved derivativetransformation method is proposed，which adopts different methods to construct d and q axis voltages，which cansignificantly reduce the detection delay of voltage sag，and only needs 2 sampling points to accurately detect thevoltage phase and amplitude，which has good use value in engineeringKey words:voltage sag;derivative variation method;voltage detection0引言现代工业快速发展，电力系统及用电负荷的结构都发生了显著的变化。电子设备成为现代产业中十分重要的部分，电能从电厂发电到用户使用，需要跨过漫长的地理区域，整个传输过程中极大概率会遇到雷电、暴风、大雨、施工误碰、工作人员误操作等情况，从而引发短路故障，导致发生电压暂降，影响敏感设备的正常运行15。根据美国电力研究院公布的数据，电压暂降问题被国际公认为是电力系统中最为普遍的电能质量问题，占比超过 90%67。对于连续性生产的行业，如半导体、军工、医疗、多晶硅、冶金、制造等，由于广泛使用较精密生产设备，对电压暂降十分敏感，电压暂降会引起敏感设备停机、生产中断、工作流程紊乱等问题，造成的经济损失可能多达上百万元，甚至会引发重大人身伤亡和环境污染事故。通常情况下用暂降幅值量、相位跳变量以及持续时间 3 个特征量来表征电压暂降。对于用于实时补偿电压暂降的检测方法，必须准确检测电压暂48第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月降的幅值、相位跳变、起始和终止时间，要求较高的检测实时性。电压补偿模式启动与控制实现的前提是电压跌落检测与基波量参数提取。国内外都十分重视电压暂降检测方法的研究，并开展了很多工作，为了能够对电压暂降事件更为快速地识别，研究者相继提出了基于幅值判断、斜率判断、方均根值判断、求导法判断等方法，文献 811 已充分证明这类方法可以在 1 ms 以内准确判断出故障，极大程度提高电压暂降治理装置的动态响应速度。目前最常见的有 2 种电压幅值检测方法:峰值法和有效值法。其中，有效值计算法避免了振荡对检测结果的影响，不用考虑迟滞、死区限制，但是有效值计算方法只利用了电压绝对值，会丢失电压相位、极性信息;除此之外，有效值计算法需要半个周期才能得到电压暂降的检测结果12。由于电压幅值检测方法存在局限性，而检测电压暂降的算法都必须提供相位变化的信息，常用的基于瞬时无功的三相dq 变换法、单相电压 dq 变换法等，都具有良好的检测效果，然而基于瞬时无功的三相 dq 变换法只能针对三相对称的电压暂降，三相对称故障在电力系统故障中占比极低，单相电压 dq 变换法又必须构造虚拟的三相电压，在检测时间上会有一定的延时1314。本文提出一种全新的求导变换法，改进 d、q轴电压的构造方法，实现检测延时的显著降低，能够准确获得电压的幅值和相位。1储能型电压暂降治理装置本文基于储能型动态电压恢复器(dynamicvoltage restorer，DV)来设计电压跌落检测算法。安装治理装置是目前应对电压暂降的常用手段，用户可以根据自身的需求选择合适的装置对电压暂降进行补偿与治理1516，常见的固态切换开关在切换的过程中会存在负载瞬时断电的问题1718，不间断电源(UPS)由于整流器和逆变器需要一直保持运行状态，因此该装置的运行损耗较大，而且电池维护的成本也较高19。动态电压恢复器(DV)通过串联的方式向电网中注入电压，如图 1 所示2025，系统正常运行时，由系统给负载供电，DV 处于非工作状态;当电压暂降发生时，通过DV 向负载注入电压进行补偿，使得负载电压维持在恒定状态。因此 DV 损耗小，效率高。储能型 DV 可通过控制输出电压的幅值/相位，实现电压跌落、电压抬升、相角跳变、三相不平衡等问题的治理，装置结构如图 1 所示。为实现储能型 DV 能够在故障发生后快速响应、准确跟踪补偿参考值、补偿期间稳定运行，储能型 DV的运行与控制策略显得尤为重要，电压检测算法是其中最为关键的技术2628。图 1储能型电压暂降治理装置结构储能型装置工作在三相系统下，在三相系统中三相不平衡是一个重要现象，这就要求 DV 的锁相环能够准确获得正序基波分量的相位，也就是要求锁相环能够有效抑制三相不平衡。单同步坐标系锁相环为闭环反馈系统，如图 2 所示，锁相速度快，并且易于实现，本文以此方法为基础进行锁相环的设计。图 2单同步坐标系锁相环2改进型求导变换检测法将三相电源系统从空间静止的 abc 坐标转换到空间上与发电机同步旋转的两相旋转的 dq 坐标的变换方法称作派克变换(dq 变换)，图3 为传统 dq变换检测三相电压暂降的框图。图 3传统 dq 变换法检测电压暂降框图传统的 dq 变换法检测速度较慢，并且只适用于三相电压暂降的检测，然而实际发生的大都是单58第 43 卷第 1 期彭清文等:一种电压暂降改进求导变换检测算法2023 年 2 月相电压暂降，需要快速检测出电压暂降跌落值，传统 dq 变换检测法不再适用。2.1改进求导变换检测法原理在改进的求导变换检测法中，电压 u 的基波分量和谐波分量的幅值分别为 U1和 Uh，得到电压计算公式:u=U1sin(t+1)+mh=2Uhsin(ht+h)(1)对上式求导得:u=U1cos(t+1)+mh=2hUhcos(ht+h)(2)两边除以角频率 得:u=U1cos(t+1)+mh=2hUhcos(ht+h)(3)令:u=u=U1sin(t+1)+mh=2Uhsin(ht+h)u=u=U1cos(t+1)+mh=2hUhcos(ht+h)(4)通过以上步骤后的变换，构造 dq 坐标轴系下的表达式:uduq=C(t)uu=ud1uq1+udhuqh(5)其中:C(t)=cos(t)sin(t)sin(t)cos(t)(6)ud1=U1sin1uq1=U1cos1(7)udh=mh=2Uh2(1+h)sin(h+1)t+h+mh=2Uh2(1 h)sin(h 1)t+huqh=mh=2Uh2(1 h)cos(h+1)t+h+mh=2Uh2(1+h)cos(h 1)t+h(8)通过 dq 变换后，交流分量 udh、uqh的表达式中存在变电压幅值、相位两个直流分量，交流分量被低通滤波器去除后，得到电压幅值、相位的直流分量表达式如式(9)、式(10)所示，得到每一个采样点的相位如式(11)所示。U1=u2d1+u2q1(9)1=arctanud1uq1(10)=t+1(11)改进求导变换法的检测原理框图如图 4 所示。图 4求导变换法检测原理框图2.2误差分析2.2.1采样频率在实际应用中使用求导变换检测法时，是通过差分离散检测信号，在硬件系统中构造虚拟的旋转坐标系 dq 轴的电压，由于这是一种近似处理方法，对检测结果的精度会造成一些影响。设置信号的采样周期为 T，此时电压信号差分量可由式(12)表示:udiff=u(t+T/2)u(t T/2)T=2TU1sint2cos(t+1)+mh=22TUhsinhT2cos(ht+h)(12)求导的绝对误差为:=u udiff=U1cos(t+1)1 2T()+mh=2hUhcos(ht+h)1 2hTsinhT2()(13)通过式(13)可以看出，绝对误差与电压谐波含量成正相关。式(14)为 h 次谐波求导之后的相对误差。h=1 2hTsinhT2(14)68第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月不难发现，相对误差与采样周期成正相关。通过以上分析，可以得知，通过减小检测中电压的谐波含量、提高采样频率，就能够控制检测的精准度。供配电系统中谐波含量通常低于 5%，对检测精度的影响不大。2.2.2低通滤波器d、q 轴电压通过求导变换的方法得出后，会与基波电压的幅值与相位进行比较，与之相关的部分转化为直流分量，h 次谐波被转换为 h1 次谐波分量，常用的滤波手段是采用低通滤波器，检测精度高低与所设置的截止频率大小有关，为了有效抑制谐波，通常会选取较低的截止频率，但会对直流分量产生波形失真、测量延时增大等不利影响。相反，为缩短测量延时而提高滤波器截止频率时，当被检测电压含有大量低次谐波，则无法保证测量结果的精确度。针对滤波性能和测量延时之间的矛盾，实际操作中一般选取截止频率 fc=100 Hz 的 2阶滤波器，在保证较低响应延迟的同时，有效抑制谐波，提高测量结果的精确度。2.2.3测量频率实际电网中的频率值是以 50 Hz 为基准，允许0.50.5 Hz 的偏移，需要使用实时测量的电网频率确定求导变换法的变换矩阵。假设经过测量所采集和所选取的实际电网的电网角频率分别为、1，经过滤波后的 dq 轴分量表达式为:ud1=U1cos1sin(1)t+sin1cos(1)t=U1sin 1+(1)tuqh=U1cos1sin(1)t sin1cos(1)t=U1cos 1+(1)t(15)将式(15)代入式(8)，可以得到测量的电压幅值仍为 U1，测量电压的初始相位变为 1+(1)t。可见由于测量误差的存在，电压初始相位的测量值会随着时间推移逐步增大。因此，提高对电压频率的检测精度很有必要。3仿真验证为验证电压暂降治理策略的正确性，搭建电网电压跌落后，储能型样机自动切入的仿真模型，如图 5 所示。图 5电压暂降检测算法模型以 a 相电压为参考，延时 60得到 Uc，由Ub=Ua Uc可得到 Ub的值。然后通过 abc/dq 变换，将虚拟构造的三相电压由旋转量变为直流量到同步坐标系中，然后将其与电网电压正常时的 dq分量值比较即可判断电网电压瞬时值是否发生跌落，即电网电压是否暂降，如图 6 所示。图 6算法检测到的电网电压跌落波形图从图 7、图 8、图 9 可见，基于本文所提方法的储能型电压暂降治理装置能够完全补偿电压暂降。(a)三相78第 43 卷第 1 期彭清文等:一种电压暂降改进求导变换检测算法2023 年 2 月(b)两相(c)单相图 7电压暂降电网电压仿真波形(a)三相(b)两相(c)单相图 8电压暂降时储能型样机补偿电流波形(a)三相(b)两相(c)单相图 9电压暂降时的负载侧三相电压波形4结语本文针对传统方式下电压暂降检测速度慢的问题，提出一种改进方法，即求导变换法。改变 dq轴的电压构造，从两个采样点中得到电压幅值和相位数据，检测延时显著减少，提高了电压暂降检测速度。仿真及实验结果表明本文提出的新方法能够快速、准确地测出电压暂降的暂降深度和相位跳变，具有实际工程意义。参考文献 1 Martinez J A，Martin-Arnedo J Voltage sag studies in distributionnetworks-part I:system modeling J IEEE Transactions on PowerDelivery，2006，21(3):1670-1678 2 Martinez J A，Martin-Arnedo J Voltage sag studies in distributionnetworks-part II:Voltage sag assessment J IEEE Transactionson Power Delivery，2006，21(3):1679-168888第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月 3 Heine P，Lehtonen M Voltage Sag Distributions Caused by PowerSystem FaultsJ IEEE Transactions on Power Systems，2003，18(4):1367-1373 4 杨京燕，倪伟，肖湘宁，等 计及电压暂降的配网可靠性评估J 中国电机工程学报，2005(18):28-33 5 王宾，潘贞存，徐丙垠 配电系统电压跌落问题的分析 J 电网技术，2004，28(2):56-596 Committee E M IEEE ecommended Practice for MonitoringElectric Power Quality C/IEEE Std IEEE，2009 7 eid W E Power quality issues-standards and guidelines J IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32(3):625-6328 Bae B，Jeong J，Lee J，et al Novel sag detection method for line-interactive dynamic voltage restorer J IEEE Transactions onPower Delivery，2010，25(2):1210 12119 KumsuwanY，Sillapawicharn Y A fast synchronously rotatingreference frame-based voltage sag detection under practical gridvoltages for voltage sag compensation systems C/6th IETInternational Conference on Power Electronics，Machines andDrives(PEMD 2012)IET，2012:1-5 10 Sadigh A K，Smedley K M Fast voltage sag detection method forsingle-/three-phase application C/2013 Twenty-Eighth AnnualIEEE AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC)IEEE，2013:881-888 11 Ajaei F B，Afsharnia S，Kahrobaeian A，et al A Fast andEffective Control Scheme for the Dynamic Voltage estorer J IEEETransactionsonPowerDelivery，2011，26(4):2398-2406 12 Naidu T A，Arya S ，Maurya Dynamic Voltage estorerwith Quasi Newton Filter-based Control Algorithm and Optimizedvalues of PI egulator Gains J IEEE Journal of Emerging andSelected Topics in Power Electronics，2019，7(4):2476-2485 13 Biricik S，Komurcugil H，Tuyen N D，et al Protection ofSensitive Loads Using Sliding Mode Controlled Three-Phase DVWith Adaptive Notch Filter J IEEE Transactions on IndustrialElectronics，2018，66(7):5465-5475 14 oldan-Perez J，Garcia-Cerrada A，Ochoa-Gimenez M，et alDelayed-Signal-Cancellation-Based Sag Detector for a DynamicVoltage estorer in Distorted Grids J IEEE Transactions onSustainable Energy，2018，10(4):2015-2027 15 Degeneff C，Barss，Carnovale D，et al educing the effectof sagsandmomentaryinterruptions:atotalowningcostprospective C/Ninth International Conference on Harmonicsand Quality of Power，Proceedings(Cat No 00EX441)IEEE，2000，2:397-403 16 Sannino A，Miller M G，Bollen M H J Overview of voltage sagmitigation C/2000 IEEE Power Engineering Society WinterMeetingConferenceProceedings(CatNo00CH37077)IEEE，2000，4:2872-2878 17 王松岑，汤广福，于坤山，等 新型中压固态切换开关的研究 J 电网技术，2006(S2):311-315 18 刘志良 固态切换开关 SSTS 在化工企业供配电系统中的应用 J 电力科学与工程，2011，27(4):68-71 19 Tracy J G，Pfitzer H E Achieving high efficiency in a doubleconversion transformerless UPS C/Conference of the IEEEIndustrial Electronics Society IEEE，2005 20 Mchattie Dynamic voltage restorer the customerss perspectiveC/IEE Half Day Colloguium on Dynamic Voltage estorers-eplacing Those Missing Cycles(Digest No 1998/189)IET，1998:1/1-1/5 21 Woodley N H，Morgan L，Sundaram A Experience with aninverter-based dynamic voltage restorer J IEEE Transactions onPower Delivery，1999，14(3):1181-1186 22 Buxton Protection from voltage dips with the dynamic voltagerestorer C/IEE Half Day Colloquium on Dynamic voltageestorers-eplacing Those Missing Cycles(Digest No 1998/189)IET，1998:3/1-3/6 23 唐志，杨潮，马维新 串联型电能质量补偿器主电路设计方案 J 电力系统自动化，2002，26(19):32-35 24 赵剑锋，蒋平，唐国庆，等 基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器与电力系统相互作用的研究J 中国电机工程学报，2001，21(4):75-78，82 25 谢旭，胡明亮，梁旭，等 动态电压恢复器的补偿特性与控制目标 J 电力系统自动化，2002，26(8):41-44 26 盖阔，安群涛，孙力 基于多重比例谐振的动态电压恢复器谐波补偿策略 J 电力自动化设备，2018，38(1):156-161 27 魏小淤，杨洪耕 补偿约束下动态电压恢复器不对称电压暂降补偿方法 J 电网技术，2011，35(2):78-83 28 徐勇，周王峰，曾麟，等 基于梯度提升树的电压暂降源概率辨识 J 湖南电力，2021，41(1):18-24作者简介彭清文(1993)，男，汉族，湖南慈利人，硕士，工程师，通信作者，主要从事电力系统调度控制方面工作。李雨佳(1996)，女，汉族，湖南长沙人，硕士，工程师，主要从事电力系统调度运行方面工作。陈柏沅(1995)，男，汉族，湖南郴州人，硕士，工程师，主要从事电力系统调度运行方面工作。孙姜玥烨(1996)，女，汉族，湖南长沙人，本科，工程师，主要从事电力系统调度运行方面工作。吕灿(1990)，女，汉族，湖南益阳人，本科，工程师，主要从事电力调度系统自动化方面工作。胡湘伟(1977)，女，汉族，湖南长沙人，本科，高级工程师，主要从事电力调度系统自动化方面工作。98第 43 卷第 1 期彭清文等:一种电压暂降改进求导变换检测算法2023 年 2 月