一种改进的三相不平衡电压暂降检测算法.pdf

第6 0 卷第8 期2023年8 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023一种改进的三相不平衡电压暂降检测算法彭诚，胡水林，曹宇，郝晓红（电子科技大学机械与电气工程学院，成都6 117 31)摘要：目前电压暂降成为了影响电能质量的主要因素，对电网电压进行快速且准确地检测是进行电压暂降治理的前提。文中针对三相不平衡电压暂降,依据对称分量原理提出了一种改进的三相不平衡电压暂降的检测算法。该算法在双dq变换的基础上，首先将所检测的电压信号进行正序负序坐标变换，而后通过三个连续的采样点对坐标变换后dq坐标系下的正序、负序分量中的直流成分进行快速提取,通过幅值与相位的计算可分别求得发生三相不平衡电压暂降后的正序、负序电压分量的幅值与相位。MATLAB/Simulink仿真结果验证了该方法的先进性与有效性。关键词：三相不平衡；电压暂降；对称分量原理；直流分量快速提取D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.011中图分类号：TM933An improved three-phase unbalanced voltage sag detection algorithm(School of Mechanical and Electrical Engineering,University of Electronic Science andAbstract:At present,voltage sag has become the main factor affecting power quality,so the quick and accurate detectionof grid voltage is the prerequisite for voltage sag management.Aiming at the three-phase unbalanced voltage sag,an im-proved detection algorithm for three-phase unbalanced voltage sag is proposed based on the principle of symmetrical com-ponents.Based on the double dq transformation,the algorithm firstly transforms the detected voltage signal into positivesequence and negative sequence coordinates,and then,the DC component is quickly extracted through using three con-secutive sampling points to transform the positive sequence and negative sequence components in the dq coordinate systemafter coordinate transformation,and the amplitude and phase of the voltage positive and negative sequence voltages can beobtained through the calculation of the amplitude and phase,respectively.MATLAB/Simulink simulation results verify theadvancement and effectiveness of the proposed method.Keywords:three-phase unbalance,voltage sag,symmetrical component principle,rapid extraction of DC component0引言电压暂降是电力系统中危害较大的电能质量问题，随着精密电子电器设备的不断发展进步，设备对电压暂降越来越敏感，且电压暂降造成的经济损失也越来越严重，成为了用户最关注的电能质量问题之二13)。动态电压调节器（DynamicVoltage Regulator，DVR)可在毫秒级时间范围内完全地补偿跌落的电压，确保在发生电压暂降时敏感用电设备的供电电压可稳定在安全区域内4。因此,DVR是目前最常使用的一种串联补偿装置,但其优异的性能要求快速、准确地检测电压暂降特征量。基金项目：中央高校基本业务费项目（2 0 19J039)一62一文献标识码：BPeng Cheng,Hu Shuilin,Cao Yu,Hao XiaohongTechnology of China,Chengdu 611731,China)文章编号：10 0 1-1390(2 0 2 3)0 8-0 0 6 2-0 4相比较于单相电压暂降事故，三相故障电压暂降引起的危害更为严重,文献5 提出了一种可用于三相不平衡电压暂降的双dq变换检测方法，该方法首先对信号进行双dq变换和无时延单相dq变换,变换后的量经形态低通滤波器滤波后，可求得电压基波正序、负序和零序分量，继而推导计算出电压暂降的特征值。该检测方法因为要经过双dq变换,因此基波分量以二倍频的形式叠加在基波正序分量中，需要通过滤波才能获取基波正序与负序分量，故很大程度上延长了检测时间,不能很好地满足DVR的快速性要求。文献6 提出了一种基于最小二乘法的检测算法，该算法能够在电网电压出现三相不平衡暂降时,不需要通过滤波器就能分离出基波正序负序分量，检测的第6 0 卷第8 期2023年8 月15日速度有所提高，但该方法没考虑电网频率检测及相位锁相检测，结果并不是很理想。文中在双dq变换检测算法上进一步完善,提出了一种能够快速从含有二倍频交流分量的正序负序分量中提取直流分量的检测算法。改进后的检测算法克服了巴特沃兹低通滤波器高延时的不足和数学形态滤波器计算复杂的缺点，有效地减少了延迟时间和计算量。文中使用MATLAB/Simulink对该方法进行仿真验证，结果表明了该方法的快速性和有效性。1基于双dq变换的三相电压暂降检测算法当电网电压发生三相平衡电压暂降时，负序分量和零序分量为零，仅有正序分量发生改变；当电网电压发生三相不平衡电压暂降时，正序分量、负序分量和零序分量均存在。由于实际情况中的零序分量的成分较少,文中没有对其进行考虑。为了快速给DVR提供准确的电压补偿信号，需要从三相不平衡电压状态中准确快速地提取正序分量、负序分量。基于对称分量原理，可将所检测得到三相电网电压U=ua（t）u（t）u。（t)描述为正序分量U+与负序分量U的和7 9,即有：U=U*+U-其中：ut(t)U+=ut(t)u(t)u(t)U=ui(t)二电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationCOSCsinp,式中ua(t)，u（t)为在dq坐标系下包含二倍频分量的正序电压值。为了提取负序分量,需要将式(1)所示的三相电压进行负序变换，即有：u.(t)nd=T,(wt)|u(t)LWngLu.(t)式中und,ung为在dq坐标系下的负序电压值；负序坐标变换矩阵T,（w t)为：sinwtsin(wt+3T.(o)=23cosotcos(t+2cos(wt23人3经过负序变换后,得到式(1)在旋转坐标系下的表达式为：(5)uL sinp(2wt+)(1)式中ua（t)、u m（t)为在dq坐标系下包含二倍频分量的负序电压值。Usin(wt+$.)由式(3）、式（5)可知，当三相不平衡电压分别经Utsin(wt-2/3+)过正序dq变换与负序dq变换之后均表现为直流分量与二倍频交流分量的叠加,滤除二倍频谐波之后,通过LUsin(wt+2/3+$+)式(6)进行幅值和相位计算即可求得正序、负序电压分Usin(wt+$_)量的幅值与相位，为DVR装置提供检测信号。Usin(wt+2/3+_)u)+(u)?LTKVol.60 No.8Aug.15,2023-cos(2ot+_)+UL sing+(2wt+$_)2T2Tsin(t3-cos(2ot+.)(3)(4)u(t)-式中U，U=，+，-分别为正序、负序电压的幅值与相位；为电网电压角频率。双dq变换包括正序、负序变换，分别用来检测基波正序分量和基波负序分量。为了提取正序分量，需要将式(1)所示的三相电压进行正序变换,即有：u.(t)updT,(ot)u,(t)upq式中upd,upq为在dq坐标系下的正序电压值；正序坐标变换矩阵T,（o t)为：2元)sinatsin(wt23T,(ot):二3cosatcos(wt 经过正序变换后,得到式(1)在旋转坐标系下的表达式为：LUsin(wt-2/3+$_)JLu。(t)J2Tsint+322)cos(wt+33(6)KPk=arctan(式中K取+、一，分别表示正序,负序分量。目前，使用设计低通滤波器以滤除该二倍频的方式明显减缓了检测速度，不适用于需要快速检测的场合；在不考虑锁相环闭环调节动态的情况下,应用目前滤除二倍频速度最快的延迟信号对消法（Delayed Sig-(2)nalCancellation，D SC)来消除上述二倍频分量也至少需要0.2 5个工频周期10 O2改改进后的三相电压暂降检测算法文章在双dq变换的基础上进一步完善并提出正序,负序电压分量的快速提取算法：首先将所检测的电网电压进分别进行正序、负序变换，分别得到dq坐标系下含有二倍频的正序、负序电压分量表达式；接下来分别将dq坐标系下正序、负序分量表达式进行一个采样周期与两个采样周期的延迟后通过正序分量与负序分量提取算法,得到在dq坐标系下仅有直流分量的正一6 3一第6 0 卷第8 期2023年8 月15日序、负序分量的表达式；最后通过对幅值与相位的计算,分别得到正序、负序分量的幅值和相位。其检测流程图如图1所示：正序变换Uabe(t)pquat)负序变换图1改进后的三相不平衡检测算法Fig.1 Improved three-phase unbalance detection algorithm正序、负序变换的具体公式与幅值相位的计算过程在第1节中已经详细说明，由于负序分量的快速提取算法与正序分量的快速提取算法的推导过程相同，以下将以正序分量为例，对正序分量的快速提取算法进行详细推导，其具体过程如下：首先,定义T,为一个采样周期。获取d轴三个连续采样点的电压um（t-T.），u(t)和ua（t+T.）。由式(3）,分别将u品（t-T,）和u（t+T）展开可得：ua(t-T.)=upacos(2T)-ugsin(2T,)+U.2cos sin(wT,)+sindsin(2wT,)(7)ua(t+T.)=umacos(2T.)+umsin(2wT.)+U.2cos sin(T,)-singsin(2wT,)(8)联立式(7）、式(8)得到d轴基波正序分量为：upd(t)=Ucos=upa(t+T,)+upa(t-T,)-2upa(t)cos(2wT,)4 sin(T,)同理,获取q轴三个连续采样点的电压uq(t-T,),u(t)和u（t+T.)。由式(3),分别将u(t-T)和u品(t+T)展开可得：um(t-T,)=ugcos(2wT.)+upasin(2wT,)+U2cos sin(wT,)-singsin(2wT,)1(10)um(t+T.)=umcos(2wT.)-ugasin(2wT,)+U2cos sin?(wT,)+singsin(2wT.)1(11)联立式（10）、式(11)得到q轴正序分量为：pg(t)=Using=um(t+T.)+um(t-T,)-2um(t)cos(2wT,)4 sin(wT,)将u（t+T)作为当前采样点,且考虑到实际检测中的数据为离散的表示形式,故可将式(9）与（12)改写为：upd(k)=Utcoso=ua(k)+ug(k-2)-2ua(h-1)cos(2wT,)64一电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationUm(k)=Utsino=ug(k)+u(k-2)-2u(k-1)cos(2wT,)4 sin?(wT,)upd值正序分UtZ-nTs提敢算法Uupql7-2nTs负序分量hd7提取算法hqZ-2nTs许算(9)(12)(13)4 sin(wT.)Vol.60 No.8Aug.15,2023(14)式中k为当前采样点。由式(13）、式（14)可知：文中提出的改进后的三值U日位相电压暂降检测算法仅需要通过对连续三个采样点的计算即可快速提取直流分量，使三相不平衡电压暂降的检测时间大幅度缩短，理论检测时间明显加快，仅为两个采样周期。3仿真分析文中使用Matlab/Simulink软件对三相不平衡电压暂降故障进行了仿真,并分别对使用LPF与DSC 滤波的双dq变换检测算法与文中所提出的改进后的算法进行了检测效果的对比。为了能够直观地看出电压暂降的幅值，图2 中采用标么值形式表示。设A相在50ms时刻到150 ms时刻发生三相不平衡电压暂降故障，系统采样周期T,为10-3ms,故障波形如图2 所示。(nd)三0.50-0.5-10.020.04 0.06 0.080.10时间(s)图2 三相不平衡电压暂降波形Fig.2 Three-phase unbalanced voltage sag waveform将检测三相不对称电压暂降分别进行正序、负序双dq坐标变换,所得到的dq坐标系下的电压波形如图3 所示。(nd)平申10.250-0.250.020.04 0.06 0.08 0.10.12 0.14 0.16 0.18(a)正序坐标变换后bp讲10.50-0.5-10.02 0.04 0.06 0.08 0.10.12 0.14 0.16 0.18图3双dq变换后电压幅值波形Fig.3Voltage amplitude waveform afterdouble dq transformation-ua()-ub(t)-Upa(t)-Up(t)S时间(s)Una(t)-ung(t)时间(s)(b)负序坐标变换后uc(t)0.12 0.140.160.18第6 0 卷第8 期2023年8 月15日在对三相不平衡电压进行双dq变换之后,dq坐标系下的电压表示为直流分量与二倍频交流分量的叠加,文中对使用LPF滤波和目前消去二倍频分量最快的DCS法进行了仿真，,并与文中所提出的直流分量快速提取算法（图中以NEW表示）进行比较。仿真比较如图4、图5 所示。(nd)鲁亚P10.02 0.04 0.06 0.08 0.10.12 0.14 0.16 0.18(nd)鲁工b一理想值UpdNEW-UpLPF-ubd-DSC-Upd0.450.30.1500.02 0.04 0.06 0.08,0.10.12 0.14 0.16 0.18图4基波正序分量提取方法比较Fig.4 Comparison of methods for extractingfundamental positive sequence compone(nd悟P0.60.40.20-0.2-0.4-0.60.020.04 0.060.080.1时间(s)(a)d轴负序分量(nd0.6F-0.2-0.4-0.60.02 0.04 0.06 0.08 0.10.12 0.14 0.16 0.18图5基波负序分量提取方法比较Fig.5 Comparison of extraction methods of fundamentalnegative sequence components仿真结果表明：使用LPF对含有二倍频的直流分量进行提取,有很长的动态响应时间,约为30 ms，且对直流分量提取的效果与DSC和文中所提出的方法相比与理想值的差异较大,检测结果不准确;使用 DSC 对直流分量进行提取的响应时间约为5.2 ms与理论分析的时间大致相同，且稳态时的检测结果与理想值无差异，可实现准确检测；文中所提出的直流分量快速提取算法能够在保证检测结果准确的情况下，对电压暂降电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation进行快速检测，动态响应时间仅为2 个采样周期，检测结果与理想值相比几乎无差，可满足补偿装置DVR对三相不对称电压暂降进行快速准确的检测要求。4结束语快速准确地检测电网电压暂降是进行电压暂降治理的前提与关键。文中提出的一种改进的三相不平衡电压暂降检测算法，能够实现对电压正序分量与电压a(0)NEW-u负序分量的快速准确检测，其动态响应时间仅与系统-LPF-Upd-DSC-Updj一理想值时间(s)(a)d轴正序分量时间(s)(b)q轴正序分量-und(t)-NEWundLPF-tna-ADSC-und理想值0.12 0.14 0.16 0.18-nqNEW-ung理想值时间(s)(b)q轴负序分量Vol.60 No.8Aug.15,2023的采样频率有关,理论响应时间仅为两个采样周期，极大程度缩短了检测时间。实验结果表明，改进后的三相不平衡电压暂降检测算法能在保证检测准确度的情况下对直流分量进行更快速地提取，可以很好地满足DVR的准确性与快速性要求。参考文献1肖湘宁电能质量分析与控制M北京：中国电力出版社,2 0 0 4.2王新环，卢彩霞，等基于数学形态学的电压暂降扰动定位中的应用J传感器与微系统，2 0 2 1，40（12）：157-16 0.Wang Xinhuan,Lu Caixia,et al.Application of voltage sag disturbancelocalization based on mathematical morphology J.Transducer and Mi-crosystem Technologies,2021,40(12):157-160.3钟庆，熊能，王钢，等基于电压暂降监测数据分析的配电网故障定位J.电力电容器与无功补偿，2 0 2 1，42(2)：7-10 2.Zhong Qing,Xiong Neng,Wang Gang,et al.Fault location of distribu-tion network based on voltage sag monitoring data analysisJ.PowerCapacitor&Reactive Power Compensation,2021,42(2):7-102.【4王艳丽，张广怡，刘开培。中压区域性动态电压恢复器的滤波器参数设计J.电测与仪表，2 0 15，52（10）：7 3-7 7.Wang Yanli,Zhang Guangyi,Liu Kaipei.The design of filter parame-ters of dynamic voltage restorer in medium voltage region J.ElectricalMeasurement&Instrumentation,2015,52(10):73-77.5刘云瀑，黄纯，欧立权，等基于dq变换的三相不平衡电压暂降检测方法J.电力系统及其自动化学报，2 0 0 7，（3）：7 2-7 6.Liu Yunchan,Hu Chun,Ou Liquan,et 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