大扰动电压

大扰动电压（共5篇）

大扰动电压 篇1

0 引言

近年来,电力系统暂态电压失稳不安全事故日益增多[1,2,3,4]。由于系统故障或负荷侧大扰动引起了系统中负荷母线的电压跌落,负荷中的感应电动机在电压下降条件下吸收的有功先减小后不断地恢复,其吸收的无功不断增大;感应电动机在其端电压低于某限定值下会发生堵转并从电网吸收大量的无功,这些快速动态特性造成了系统中一些母线出现快速的暂态电压失稳。特别是在天气炎热条件下,系统中含有大量容易堵转的低转动惯量电动机的负荷,如空调、冰箱等,此时系统更容易发生暂态电压不安全事故[5]。

目前国内外针对暂态电压稳定的分析方法主要分为两类:一类是时域仿真法(Time Domain Simulation)或逐步积分法(Step-by-Step Integration);另一类是基于Lyapunov稳定理论而发展起来的直接法,又称暂态能量函数法[6]。时域仿真法不能给出系统定量的稳定裕度,只能得出在特定扰动下系统稳定与否的定性结论。直接法经历了多机系统的能量函数、不计电网转移电导的Lyapunov函数、求取不稳定平衡点(Unstable Equilibrium Point,UEP)、相关不稳定平衡点(Relevant Unstable Equilibrium Point,RUEP)、主导不稳定平衡点(Controlling Relevant Unstable Equilibrium Point,CUEP)、扩展等面积准则(Expanded Equal Area Criteria,EEAC)[7,8,9]、稳定域边界理论[10]等发展阶段,但都没有给出明确的暂态电压失稳指标,或给出理论方法过于复杂不利于编程实现,亦未在大扰动下对电力系统的电压稳定提供准确的直接判据。

特征分析法能提供系统动态稳定有关的大量有价值信息(包括稳定性、稳定极限、稳定裕度等),因此特征分析法已成为多机电力系统动态稳定分析最有效的方法之一[11]。目前已有不少研究者将其用于电力系统分析之中[12,13,14]。但是这种方法仅限于系统在研究小扰动过渡过程中的若干特征,系统在大扰动过程中的Jacobian矩阵随时间变化很大,其在稳定平衡点与UEP处展开的Jacobian矩阵并不能代表系统真实的暂态过渡过程。针对这一问题,本文尝试将“动态特征分析”这一理念引入电力系统大扰动下的暂态电压稳定分析中。首先建立计及调速器及励磁控制器的电力系统非线性微分代数方程组(Non-linear Differential Algebraic Equations,NDAE),作为发电机组数学模型;基于隐式梯形积分法对联立的非线性高阶微分代数方程组进行数值积分求解;在每一次迭代积分过程中将NDAE在xˆ处生成实时的Jacobian矩阵,并求解出全部特征根、左右特征向量及各状态变量对应的相关因子;将ud,uq,qE′等状态变量对应的相关因子的连续若干个积分步长显著偏离正常值作为失稳判据,同时给出时域仿真结果以进行对比;仿真程序与用户接口采用C#.NET 2008编写,状态变量的计算结果数据导入Excel 2007,最后采用Matlab R2009a读取Excel中的数据并绘制仿真曲线。通过仿真算例可以证明,本文提出的动态特征分析法能够准确捕捉到反映系统电压暂态失稳的关键信息,并以此作为电力系统暂态电压失稳的判断依据,可为进一步分析电力系统的暂态电压稳定性及提出合理的控制策略奠定基础。

1 暂态电压稳定的数学建模

考虑到在电力系统遭受大扰动情况下的暂态过渡过程,因此电力系统建模应包括原动机的调速特性与励磁控制系统的电压控制特性。下面以柴油机作为原动机,自并励静止励磁控制系统为例,建立暂态电压稳定的数学模型。

1.1 柴油机的数学建模

柴油机发电机组运行时,若驱动力矩与负载力矩相等,柴油发电机组会稳定运行。如果负载发生变化,使得负载力矩发生变化,则机组的稳定运行就遭到破坏,机组就会加速或减速运行[15]。根据力学达兰贝尔原理有:平衡状态,在非平衡状态下。Td为驱动力矩;Tr为阻力矩;ω为转速;J为转动惯量;Td=f(w,fi);fi为喷油量。对非增压柴油机而言,驱动力矩可认为是柴油机转速与喷油量的函数。现将驱动力矩展开成泰勒级数:

根据无调速器柴油机的速度特性曲线,当保持油门开度不变时,有:

其中,C1为常数,可查柴油机手册得到。

当保持转速不变时,喷油量与驱动力矩的关系可由柴油机调速特性曲线得到:

综合式(1)~(3),柴油机在非平衡状态下的数学模型为:

其中,Δfi可认为是调速器输出,即油门开度,而调速器的输入为转速差信号Δω,则PID调速器的数学模型应为,其中h为仿真步长。考虑式(4),最终计及调速器的柴油机数学模型为

1.2 励磁控制系统的数学建模

励磁控制系统向发电机提供励磁功率,起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽点电压恒定的作用,并可控制并列运行发电机的无功功率分配[11]。本文以某自并励静止励磁系统为例(如图1所示),建立数学模型。

由半可控全波整流电路可知,输出励磁电压fE与导通角α有关,即

而端电压U的变化通过励磁控制器直接改变导通角的大小,进而改变励磁电压和励磁电流,实现端电压的调节。因此,将同步发电机端电压的差值信号作为晶闸管输入,其输出励磁电压公式如下:

1.3 同步发电机的数学建模

本文的同步发电机模型采用实用三阶模型,忽略定子绕组的暂态,并忽略阻尼绕组作用,只计及励磁绕组暂态和转子动态的三阶模型,如式(8)所示。

1.4 暂态电压稳定综合数学模型

最后,将公式(5)、(7)融合进公式(8)可得到电力推进船舶电站的综合数学模型。将其写成NDAE的形式如下所示:

式中,x为系统状态变量。式(9)中的第一式为描述系统各元件动态的微分方程,包括对暂态电压稳定影响很大的同步发电机及其励磁系统的动态。发电机模型如式(8)所示采用实用三阶模型,负荷采用恒阻抗负荷模型,其电阻值与电抗值在某一时刻发生突变以模拟系统受到大扰动。

2 暂态电压稳定的动态特性分析法

2.1 时变Jacobian矩阵

进行电力系统暂态电压稳定分析的首个关键问题是针对NDAE生成能够反映其稳定性信息的Jacobian矩阵。针对电力系统NDAE的特点,本文采用以式(9)中的所有微分方程与代数方程变量为状态变量的方法,在xˆ(第k次迭代的系统当前各状态变量)处按泰勒级数展开求得Jacobian矩阵,求取方法如式(10)所示。

由此求得的Jacobian矩阵可代表系统的实时状态,对其进行特征分析可得出这一步长内系统的暂态稳定信息。针对式(9)得出的Jacobian矩阵具体形式请见附录A。

2.2 暂态电压失稳判断依据

定义量度第k个状态量Xk同第i个特征根λi的相关性的物理量,即相关因子pki为

式中,vki,uki分别为左、右特征向量矩阵U,V中的k行i列元素。说明pki的模|pki|的大小反映了xk和λi的相关性大小。

由此可见,相关因子可准确反映某个状态变量与特征根的相关性。由于特征根在大扰动暂态过渡过程中会发生相应变化,状态变量与之对应的相关因子也会发生相应的改变,观测重要状态变量的相关因子特征即可对暂态电压稳定做出判断。因此,本文对暂态电压稳定判据做如下定义:

重要状态变量(在本文为ud)的相关因子pki发生由复数向实数或由实数向复数的突变,且相关因子的模变化很大,即可判定系统遭受大的扰动并失去电压稳定。

2.3 动态特征分析法的求解流程

根据前已述及的时变Jacobian矩阵生成方法及暂态电压失稳判据,本文得出应用动态特征分析法对电力系统遭受大扰动的暂态过渡过程进行分析的求解流程:首先采用隐式梯形积分法对电力系统NDAE进行数值积分;其次在每一次迭代步长过程中动态生成时变的Jacobian矩阵;然后求解Jacobian矩阵的特征根及左、右特征向量,计算所有状态变量与之对应特征根的相关因子;最后依据暂态电压稳定判据对系统当前状态进行判断,并记录状态变量的受扰轨迹;进行下一次迭代直至仿真结束。具体求解流程图如图2所示。

3 仿真算例与结果分析

仿真算例模拟电力系统在稳定运行后大扰动下的暂态过渡过程。数学模型采用(5)、(7)、(8),编程平台采用Visual Studio 2008,编程语言采用C#.NET,仿真结果存入Excel 2007表格中,Matlab R2009a调取计算数据绘制动态变化曲线。仿真时间为0~8 s,仿真步长为0.005 s。大扰动采用静态阻抗突然改变来进行模拟,功率因数也改变,扰动前后电阻与电抗值参见表1。仿真程序在4 s时加入扰动,4.25 s时消除扰动。仿真算例中主要参数如表1所示,均采用标幺制。仿真结果如图3~5所示。

图3给出了大扰动前后电压变化的对比情况,负载突变的情况下电压极高值升至1.3左右,而且呈快速振荡,对电网电压稳定造成很大影响。而且扰动消失后对系统的影响则更为严重,电压极低值降至0.6以下,造成电压的严重跌落,如此电压质量电力系统及用户已不能接受,可给出判断此时电压已经失稳;图4给出了大扰动后同步发电机的定子三相电流波形;图5给出了大扰动后状态变量ud对应相关因子的模的变化情况。该相关因子的模在扰动出现后异乎寻常地偏离了正常的范围,从附录B记录的该相关因子的值,也经历了由实数到复数的显著变化。根据本文2.2提出的关于暂态电压失稳判据,图5的仿真结果与之吻合得很好,说明从大扰动产生的那一时刻起,系统可以判定为电压失稳。仿真结果证明了本文提出的动态特征分析方法的有效性。

4 结论

本文针对目前电力系统电压稳定性研究成果难以给出明确的暂态稳定判定信息的缺陷,提出了一种电力系统大扰动下暂态电压稳定的动态特征分析方法。该方法通过计算重要状态变量对应特征向量的相关因子及其模,来判断电力系统暂态过渡过程中是否已经电压失稳。将计算求得的失稳判据与时域仿真法求解的扰动后电压、三相定子电流波形进行对比验证,从而证明了本文提出的暂态电压失稳判据的正确性与可行性。此项研究成果可作为进一步分析电力系统暂态电压稳定性的理论基础。

附录A

根据文中式(9)求解时变Jacobian矩阵如下:

式中:Xq为q轴同步电抗;X q′为q轴瞬变电抗;Xd为d轴同步电抗;X d′为d轴瞬变电抗;T d′0为d轴开路暂态时间常数;qE′为电机q轴瞬变电动势;TJ为同步发电机转子惯性时间常数;Tm为同步发电机驱动力矩;ud为d轴电压;uq为q轴电压;δ为功率角;ϕ为功率因数角;z为阻抗。

附录B

摘要：针对目前电力系统电压稳定性研究成果难以给出明确的暂态稳定判定信息的缺陷,提出一种电力系统大扰动下暂态电压稳定的动态特征分析方法。该方法首先建立反映电力系统暂态过渡过程的计及调速与励磁控制的综合数学模型,即非线性微分代数方程组(Non-linear Differential Algebraic Equations,NDAE);其次在运用隐式梯形积分法对NDAE进行逐步积分过程中动态生成Jacobian矩阵,并求解出全部特征根及左、右特征向量;最后计算出各个状态变量与之对应特征向量的相关因子,基于此给出暂态电压失稳的判据。该方法通过与时域仿真法的对比结果证明所提出系统暂态电压失稳判据的正确性,为今后从线性系统理论与数值积分结合的角度来研究电力系统暂态电压稳定性提供一个新的思路。

关键词：电力系统,电压稳定,暂态稳定,大扰动,特征分析,非线性微分代数方程组

短时电压扰动检测与定位新方法 篇2

短时电压扰动如电压暂降、电压暂升、电压中断是配电系统中常见的电能质量扰动现象。近年来微处理器控制的工业设备和电力电子设备在工业系统中得到广泛应用,而短时电压扰动是使这些敏感设备不能正常工作的主要原因,因而近年来受到国内外学者和工业界的广泛关注。

短时电压扰动事件主要从电压偏离程度和持续时间两个指标进行表征,但这些指标是从均方根曲线计算得到的,从时间角度来看偏离了短时电压扰动事件的真实发生和结束时刻,对分析设备在受电压扰动情况下的性能产生较大影响,因此短时电压扰动的时间定位问题在分析短时电压扰动影响中成为焦点问题。小波变换[1]是最常用的方法,通过小波变换模极大值理论获取信号的突变点,从而得到信号的时间定位。文献[2]采用三次样条函数作为小波函数并利用阈值去噪方法及ad hoc搜索算法得到噪声环境下的时间定位;文献[3]采用db6小波作为小波函数,利用模极大值在不同分解层上的传递特性不同获得时间定位。小波变换缺点是在不同尺度上模极大值分布集中性较差,且易受噪声干扰。文献[4]中提出的dq变换法首先构造虚拟的三相系统,然后进行dq变换得到电压有效值曲线,该电压有效值曲线可以较准确地得到电压扰动的时间定位,但该方法一方面需要构造虚拟三相系统,另一方面需要原信号的同步信号才能准确获得dq变换,在电压发生扰动的情况下,该信号不易获得。Teager能量算子方法[5]是一种解调方法,能够快速获取调幅调频信号包络线,具有良好的实时性,但该方法对噪声非常敏感;文献[6]提出了在原始信号上叠加一个对称三角模态的方法保留信号的扰动信息,采用分段EMD和Teager能量算子求取扰动幅值包络的分析方法。文献[7]提出的信号自回归模型法是通过已有信号根据自回归模型对信号进行预测并与实际信号比较,二者的差值曲线上在信号的突变点处产生较大差值从而获得突变点的时间定位。该方法需要逐点地自回归运算并与实际信号比较才能够得到差值曲线。

本文提出了基于奇异值分解技术的短时电压扰动检测的方法。首先根据电压信号的采样序列构造Hankel矩阵,并对该矩阵进行奇异值分解。利用上述的分解结果计算对应于各个奇异值的分解信号。这种信号分解方法是原信号的一种线性分解。在某些分解层信号上,短时电压扰动信号的起始和结束时刻表现为剧变,从而实现扰动的时间定位。从原采样序列中扰动起点时刻的左右两侧各取一个周波的采样点进行FFT运算,获取扰动发生前后的基波电压幅值,根据幅值关系可以确定扰动类型并可计算指标。为检验上述方法的正确性,搭建了短时电压扰动模拟电路,并基于Lab VIEW虚拟仪器检测平台建立实验系统,实验结果证明了本文所提方法的有效性,性能比小波变换方法优越。

1 基于奇异值分解的扰动检测与定位方法

对于一个实矩阵A∈Rm×n,必定存在正交阵U∈Rm×m和V∈Rn×n使得式(1)成立:

其中:

或其转置(取决于mn),其中,O为零矩阵,p=min(m,n),且有σ1>σ2…>σp>0,σi(i=1,…,p)称为矩阵Α的奇异值,式(1)称为Α的奇异值分解。

利用奇异值分解对信号进行处理的关键是如何从信号的采样序列构造出合适的矩阵Α。本文中根据信号的采样序列构造Hankel矩阵,通过对该Hankel矩阵做奇异值分解后,计算信号的一个多层分解,信号的奇异性可以在分解信号中表现出来。

对于一个N点采样序列向量X=[x1,x2,x3,…,xN],构造其Hankel矩阵如式(5)所示。

式中:1

对构造矩阵Α进行奇异值分解得到类似式(1)的结果,对式(1)进行展开有:

其中:ui∈Rm×1;vi∈Rn×1;i=1,2,…,p;p=min(m,n)。

令:

令每个Ai矩阵的第一行为Pi,1,第n列除去第一行的元素外记为Hi,n,如图1所示,将Pi,1同HiT,n构成一个向量,即

其中:Pi,n∈R1×n,Hi,n∈R(m-1)×1

可以证明[8]:X=i=∑1pP i(9)

从式(9)可以看出,通过对原始信号采样序列构造Hankel矩阵并进行奇异值分解,进而计算各个分解层信号Pi,得到原始信号的线性分解。采用文献[9]中的电压暂降模型,在Matlab下生成信噪比为35 dB的电压暂降信号如图2(a)所示。按照上述方法,对该信号进行分解,得到5层分解信号P1至P5,如图2(b)~(f)所示。可以看出,在P3至P5P分解层上,信号的突变点位置表现为剧烈的突变,且突变点的标识在各层上均有较好的集中性。在P1至P5分解层中,相对于由信号突变引起变化,噪声引起的各层信号变化较小。因此上述方法在突变点定位方面具有良好的特性,对原信号中的噪声不太敏感。短时电压扰动的起始和结束时刻表现为电压信号的突变,因此采用上述的方法可以对短时电压扰动进行时间定位。

2 短时电压扰动的类型确定及指标计算

根据电压扰动信号的奇异值分解对扰动发生及结束时刻的时间定位,可以确定电压扰动的类型并对特征数据进行计算。假定短时电压扰动的电压采样序列为X=[x1,x2,x3,…,xN],由前述的时间定位算法得到的扰动发生时刻的索引值为k,以xk为界,在其左右两边分别各取一个周波的信号长度,令:

其中:n为信号的周波采样点数。利用FFT分别计算X1、X2基波幅值。根据IEEE标准[10],若X2基波幅值介于X1基波幅值的10%~90%,则说明该电压扰动为电压暂降;若X2基波幅值小于X1基波幅值的10%,则说明该电压扰动为电压短时中断;若X2基波幅值大于X1基波幅值的110%,则说明该电压扰动为电压暂升。电压扰动信号持续时间可以根据起始和结束时刻的索引值之差乘以采用间隔得到。

3 测量实例分析

为测试本文所提出的方法在实际工程应用中的有效性,搭建了如图3所示的实验电路,K为固态开关,通过控制开关K的导通与断开可以模拟电压暂降或电压暂升。

基于Lab VIEW虚拟仪器检测平台,搭建完整数据采集与处理系统。系统的采样频率为6 400 Hz,并对采样信号进行归一化处理。利用本文所提方法对信号进行6层分解,得到分解层信号P1~P6。图4为某次实验获得的电压波形图,图5为该信号的分解结果。

从图5中的P4、P5和P6分解层可以得到电压扰动的起点和终点的时间定位信息。根据电压扰动的起点定位,在原信号中扰动起点两侧各取一个周波信号进行FFT变换,得到该电压扰动基波电压的幅值分别为1.12 p.u.和0.846 p.u.,因而断定该电压扰动为电压暂降,电压暂降剩余电压为75.5%。

4 与小波变换方法的比较

利用db4小波对图6所示电压扰动信号进行5层分解,得到各分解信号a5、d1~d5,如图6所示。因获取的电压信号有噪声干扰,可以看出,在d1分解层尚可以得到信号的时间定位信息,但在其他层,信号的突变点被噪声干扰所埋没,造成电压暂降的起点和终点信息仅能根据一个分解层判断,其性能不如本文提出的方法优越。

5 结论

本文给出了基于奇异值分解技术的短时电压扰动检测方法。首先通过电压采样序列构建Hanke矩阵,并在计算该矩阵奇异值分解的基础上,计算信号的线性分解,利用信号在分解层上的剧变特性得到扰动发生的起点和终点时刻。在原采样序列中起点两侧各取一个周波信号进行FFT运算得到扰动发生前后的基波幅值,根据这两个基波幅值关系可以确定扰动类型及计算指标。通过搭建基于Lab VIEW虚拟仪器检测技术平台的实验系统,证明本文所提方法的正确性,并与小波变换方法进行比较,说明本文所提方法比小波变换优越。

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大扰动电压 篇3

传统的二极管不可控整流和晶闸管相控整流存在功率因数低、谐波含量大等缺点,给公用电网造成很大的污染,而三相电压型PWM整流器具有网侧电流正弦化、单位功率因数、能量双向流动、输出直流电压可调等优点,因而广泛应用于有源电力滤波器、功率因数校正、静止无功补偿等电力电子技术领域[1]。

在PWM整流器的应用中,负载变化和电网电压的波动直接影响直流母线电压的稳定性,而直流母线电压静态稳定性和动态响应速度对PWM整流器的品质尤为重要。提高系统对电网电压跌落和负载变化的抗干扰性具有重要的意义[2]。

通过分析PWM整流器的工作原理,根据PWM整流器功率平衡的原则。提出了电压外环采用前馈补偿(负载电流和电网电压)和输出电压反馈控制的策略,仿真结果表明:与无前馈的控制策略相比,前馈控制在不影响系统的动态性能的基础上,提高了整个系统的抗干扰性能。

2 三相PWM整流器数学模型

三相电压型PWM整流器的主电路如图1所示。图1中ea,eb,ec为三相交流侧电源,电阻R等于功率开关管损耗等效电阻和交流滤波电感等效电阻之和,交流侧电感L起滤波和使PWM实

现4象限运行的作用,直流侧电容C抑制直流侧谐波电压和稳定直流电压。eL为等效直流电动势。

在三相静止坐标系(a,b,c)中,PWM整流器数学模型物理意义清晰、直观,但模型中各相变量之间相互耦合,且为时变变量。所以不利于控制系统的设计,将三相电压型PWM整流器三相静止坐标系(a,b,c)下的变量转换成以电网基波频率同步旋转下的(d,q)坐标系的变量。这样,三相对称坐标系中的基波正弦变量转化为同步旋转坐标系中的直流变量。其(d,q)模型表示为[3,4,5]:

$\left[\begin{array}{c}e{}_d\\ e{}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L\text{p}+R& -\omega L\\ \omega L& L\text{p}+R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}i{}_d\\ i{}_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}u{}_d\\ u{}_q\end{array}\right](1)$

$\frac{3}{2}(u{}_{d}i{}_d+u{}_{q}i{}_q)=u{}_{\text{d}\text{c}}i{}_{\text{d}\text{c}}$

式中:ed,eq 为电网电动势矢量Edq的d,q分量; ud,uq为三相VSR交流侧电压矢量Vdq的d,q分量;id,iq为三相VSR交流侧电流矢量Idq的d,q分量;p为微分算子。

3 电网电压定向的矢量控制策略

PWM整流器电网电压定向矢量控制是将(d,q)同步旋转坐标系的d轴,按电网电压矢量E定向。此时,电网电压的q轴分量eq=0;d轴方向的电流分量id定义为有功电流,q轴方向电流分量iq定义为无功电流。PWM整流器在单位功率因数下,通常无功电流分量iq的参考值为零。

应用电网电压矢量控制,忽略线路损耗,式(1)简化为

$L\frac{\text{d}i{}_d}{\text{d}t}=\omega Li{}_q+e{}_d-u{}_d$

$L\frac{\text{d}i{}_q}{\text{d}t}=-\omega Li{}_d-u{}_q$

PWM电网电压矢量控制,一般采用双闭环控制:电压外环和电流内环。电压外环的作用是输出稳定的直流电压,电流内环是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。由式(1)可知,d,q轴变量相互耦合,无法对电压进行单独控制。为此,将前馈解耦控制引入到其中,电流内环调节器采用PI控制,得到两相旋转坐标系下的电压指令u*d ,u*q的表达式如下[6]:

$\{\begin{array}{l}u{}_q^{*}=-({\rm K}{}_{\text{i}\text{p}}+\frac{{\rm K}{}_{\text{i}\text{Ι}}}{s})(i{}_q^{*}-i{}_q)-\omega Li{}_d+e{}_q\\ u{}_d^{*}=-({\rm K}{}_{\text{i}\text{p}}+\frac{{\rm K}{}_{\text{i}\text{Ι}}}{s})(i{}_d^{*}-i{}_d)+\omega Li{}_q+e{}_d\end{array}(2)$

显然,由式(2)可知,电压指令已实现解耦控制,传统PWM整流器双闭环控制框图如图2所示。

4 改进的前馈控制策略

传统的双闭环控制策略,能达到比较好的控制效果,但其不足之处在于没有考虑负载扰动和电网电压波动对系统带来的影响,降低了系统稳态情况下抗扰动性能。为了改善系统的抗干扰能力,减少母线电压产生的波动。控制策略最根本的原则就是保持PWM整流器交直流侧(输入与输出)之间的功率平衡关系[7,8]。即整流器的输入功率等于电容吸收的功率与直流侧的输出功率之和。因此理想的输入功率表达式为

P*in=PC+Pout (3)

式中:PC为直流母线电容吸收的功率;Pout为负载吸收的功率。

忽略线路损耗和器件的开关损耗,输入功率又可以表示成:

${\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}^{*}=\frac{3}{2}(e{}_{d}i{}_d+e{}_{q}i{}_q)(4)$

在电网电压定向下,ed=Em,Em为电源电压的最大值,eq=0;电流环具有快速的动态性能,通常忽略电流环的调节过程,所以,id=i*d。由于功率因数为1,i*q=0;式(4)简化为

${\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}^{*}=\frac{3}{2}E{}_{\text{m}}i{}_d^{*}(5)$

根据式(3)和式(5),有功电流的指令值可表示为

$i{}_d^{*}={\rm P}{}_{\text{C}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})+{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})$

令${\rm P}{}_{\text{C}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})$通过电压PI调节器输出,${\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})$通过前馈控制输出,则有功电流的参考值表示为

i*d=kp(u*dc-vdc)+ki

$\begin{array}{l}{\displaystyle \int (}u{}_{\text{d}\text{c}}^{*}-v{}_{\text{d}\text{c}})+\\ {\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})(6)\end{array}$

由式(6)可知,电流环的指令信号由电压PI控制器的输出和前馈信号2部分组成,电压PI控制器负责给电容充电,而前馈信号根据电网电压和负载变化调整输入功率,保持功率平衡的关系。两者之间相互独立,实现了母线电容充电电流和负载电流的单独控制,从而使得系统启动过程(空载、轻载和重载)的超调基本一致[9]。电压PI控制器是必不可少的一部分,整流器空载启动时,负载电流为零,则前馈控制输出为零,电压PI控制器主要负责给电容充电,控制器输出的值由最大充电电流决定。带负载启动时,起始阶段,母线电压偏差较大,电压PI调节器输出值迅速达到饱和,参考信号的大部分值由PI控制器提供,但随着电压外环控制器的快速调节作用,直流母线电压迅速升高,电流环参考信号随着前馈信号的增大而快速变化,直到达到电流环参考信号的限幅值。当系统进入稳态时,直流母线电容吸收的功率为零。所以,PI控制器的输出也为零。则稳态时的指令电流表示为

$i{}_d^{*}={\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}/(\frac{3}{2}E{}_{\text{m}})(7)$

Pout=udciL (8)

式中:iL为负载电流。联立式(7)和式(8)得到

i*d=kfiL/Em (9)

$\frac{3}{2}k{}_{\text{f}}=u{}_{\text{d}\text{c}}(10)$

式(10)表明,系统达到稳态时,负载和电网电压波动不会影响母线电压的变化。当负载或电网电压波动时,前馈信号式(9)根据负载电流和电网电压的变化进行快速跟踪,进而快速调整进线电流,保持整流器输入与输出之间的功率平衡,最终维持母线电压的稳定。系统稳态时的抗干扰能力得到增强。改进的前馈控制方案如图3所示。

5 仿真验证

为了验证改进的前馈控制策略在负载扰动和电网电压波动时具有较强的抗干扰能力,本文在传统与改进前馈2种控制方式下,对负载突变和电网电压波动时的母线电压波形进行了仿真比较。仿真时的参数为:交流侧输入电压有效值220 V,网侧电感L=5 mH,交流侧等效电阻0.5 Ω,直流侧滤波电容2 000 μF,直流母线电压给定600 V,额定负载电阻50 Ω,开关频率5 kHz,kf=400。

图4是负载电阻在0.2 s由50 Ω突变到25 Ω,0.6 s由25 Ω突变到50 Ω的情况下直流母线电压抗扰动性比较,从图4中可以看出,额定运行条件下,两种控制方式下的直流母线电压都具有较小的超调量(3.3%)和静态稳定性强等优点,但在外界扰动情况下,与无前馈控制相比,前馈控制输出的直流电压跌落或上升的值很小,恢复到稳态值的时间短,动态过程无振荡,且母线电压在扰动情况下动态响应速度明显得到提高。图5为有前馈控制时a相电压与电流的波形,负载突变时,输入电流的畸变率很小,而且能迅速跟踪负载电流的变化,保持单位功率因数运行。采用前馈控制,能抑制直流母线电压受负载突变时的波动,提高了系统的动态响应性能和负载突变时的抗扰动能力。

考虑到PWM整流器实际运行中,网侧电源电压的波动性问题,本文模拟了系统带额定负载启动,电网电压突然上升或下降15%时,母线电压变化的情形。图6和图7是电源电压波动时母线电压波形,从图6、图7中看出,有前馈控制与无前馈控制相比,电源电压波动时,直流母线电压基本上保持不变,具有较强的稳定精度,且动态调节时间短的优点。

6 结论

为了提高系统的抗干扰能力,本文从输入输出功率平衡关系出发,提出了基于负载电流和电网电压的前馈控制方法。最后,通过仿真结果进行验证,与传统双闭环控制相比,前馈控制明显地提高系统的动态性能和抗干扰能力,使系统获得良好的动态和稳态性能。

摘要：分析了三相电压型PWM整流器的基本原理并进行了建模。针对传统的双闭环控制下,直流母线电压受负载扰动和电网波动影响较大的问题,根据整流器功率平衡的原则,提出了电压外环采用前馈补偿(负载电流和电网电压)和输出电压反馈的控制方法,该方法有效地改善PWM整流器的抗扰动能力,仿真结果验证了控制策略的有效性和正确性。

关键词：PWM整流器,功率平衡,前馈控制

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大扰动电压 篇4

低电压穿越最早在风力发电中提出,在火力发电领域国家电网给出的释义是:火电机组辅机变频器及供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低到规定的低电压穿越区内时,能够可靠供电,保障供电对象的安全运行[1]。但是变频器受限于本身的硬件条件,对于电压的瞬时波动比较敏感。变频器在低压穿越区内,电压瞬时变化量超过了变频器的允许值时,如不采取措施,变频器将会立即报警停机,并同时触发MFT(锅炉主燃料断)保护功能动作,导致锅炉发生熄火停炉事故[2],严重影响发电机组的安全运行。

研究表明,电压暂降是电力系统不可避免的电能质量问题,也是导致电能质量事故的主要因素。在电力系统发生三相短路故障、两相短路故障和单相接地短路故障时,短时的电压扰动(暂升或暂降)严重影响计算机、交流接触器、可编程逻辑控制器(PLC)、变频调速装置等典型敏感设备的安全运行,这些敏感负荷的故障给工厂带来的直接经济损失巨大[3,4]。鉴于电网故障的不可控性,在研究电力系统各类负载在电压发生扰动时的工作状态时,就必须要有专门的装置用来模拟故障电源,这种设备称为电压扰动发生器(VDG)。

目前国内研究火电厂辅机变频调速系统的低电压穿越能力的测试设备,多为采用变压器多抽头方式实现某一电压暂降深度,用接触器和单片机控制暂降时间,其输出电压只能是输入电压值的几档固定变比,切换时间一般有近20 ms的延时,对于电网故障模拟研究只能起到一定辅助作用,无法做到控制输出某一精确故障电压值和持续时间[5]。火电机组试验环境相对恶劣,空间狭小,且设备搬运不便。这就需要试验用电压扰动发生器具有控制简单、精度高、灵活性高、体积小、成本低等特点,便于现场试验场合使用。

1 电力电子式电压扰动发生器的设计

本文研究的一种电力电子式电压扰动发生器,通过在不可控整流电路和逆变电路之间设置升压电路,可模拟电压中断、暂升、暂降等组合故障情况。同时,相对于利用变压器来进行升压的方式,本设计在直流侧设置升压电路,在同样输出容量情况下占用体积小,电压在量程范围内可实现无级高精度变化,电压由稳态至暂态切换时间可达到微秒级,相对于采用可控整流电路和逆变电路组成的发生器来说,本设计中整流电路采用不可控整流和BOOST升压电路,控制算法简单,发热量低,且不可控整流电路的硬件成本低。

1.1 电压扰动发生器的拓扑

本文采用的三相电压扰动发生器主要是由不可控整流、BOOST升压电路、电压型PWM变流器组成,拓扑电路实现原理图如图1 所示。

电网电压经过AC/DC整流器,BOOST升压和DC/AC逆变器的变换后为负载提供故障模拟电源。其中,整流器采用三相不可控全桥整流,然后经过BOOST升压电路,始终保持直流侧电压的稳定。对逆变器的精确控制,可以模拟电网电压的各类短路故障,生成所需要的任意电压波形,包括电压的扰动和闪变、三相不平衡度、电网谐波等故障[5]。其中针对电压扰动,还可以方便地控制电压扰动的幅度、持续时间、相位角和扰动类型[6]。

1.2电压扰动发生器的数学模型

(1)电压扰动类型

电压扰动中,电压暂升是指在电力系统某点工频电压均方根值暂时升高至1.1~1.8 p.u.,并在短暂持续10 ms~1 min后恢复正常的现象。电压暂升又分为工频过电压和谐振过电压。一般是由于线路空载,接地故障、甩负荷和因操作或故障引起的系统元件出现的不利组合造成的。

电压暂降是指在电力系统某点工频电压均方根值暂时降低至0.01~0.9 p.u. , 并在短暂持续10 ms~1 min后恢复正常的现象。电压暂降最常见的原因是短路故障,大功率感应电机的启动和雷击事故。占主要事故原因的短路故障分为单相,两相,三相接地短路和相间短路[6]。其暂降类型大体有A、B、C、D、E、F、G七种,向量图如表1 所示,其中a、b、c为电压暂降后的三相电压向量。

市场上使用的大部分电压扰动发生器均不能完全模拟出这七种暂降类型。利用中心抽头在变压器副边相互切换实现电压暂降的发生器在电压暂降和恢复瞬间可能由于开关过程存在电压中断,且暂降深度不能连续无极调节;阻抗形式的电压扰动发生器除了以上问题外,暂降深度也难以有效控制。

(2) dq0-abc坐标系变换

三相电压扰动发生器系统的设计基础是扰动电压的快速检测技术,常见的电压快速检测方法有很多种。其中有效值计算法需要至少半个基波周期的时间(10 ms)才能实现对电压扰动的准确判断,且无法区分电压中的正序,负序和零序分量;基波分量法,对采样电压的对称性要求很高,延时较长,实时性较差;基于瞬时电压的d-q变换方法,可以快速的检测出电压变换值[7,8,9,10]。首先,我们根据电压扰动发生器的拓扑结构,利用电路理论基本的定律,在三相静止坐标系中建立三相电压扰动发生器的一般数学模型。dq0 坐标系是一种与转子一起旋转的两相坐标系和零序系统的组合。若转子为凸极,则d轴通常与凸极的中心轴线重合,q轴则超前于d轴90°,如图2 所示。

目标扰动电压在dq同步旋转坐标系上投影,经dq0 分解得到相应的d轴,q轴和0 轴电压分量。完成复合运算后再经dq0-abc逆变换得到三相故障电压调制信号,而对于不含零序分量的电压扰动故障,dq0-abc变换时采用传统变换模式,如式(1)所示。

式中:ua、ub、uc为电压幅值;ω 为角频率;为ud、uq、u0为三相电压在d、q和0 轴电压分量;t为时间变量。

而对于含有零序分量的电压扰动故障,dq0-abc变换矩阵式修正为式(2)。

本方法在三相电压扰动产生方案中的dq0-abc环节采用变换矩阵式,从而生成对称、不对称含零序以及不对称不含零序三种情形下的所有故障电压波形[5]。

(3) 电压扰动发生器的控制原理

根据电压扰动的数学模型,使用DSP2812 作为核心处理器,快速进行电压扰动波形的调制输出,其原理框图如图3 所示。

各相序故障电压特征值经过abc三相静止坐标系到dq0 同步旋转坐标系进行坐标投影变换,在dq0坐标系下完成复合运算,再经(dq0-abc)逆变换生成空间矢量脉宽调制信号(SVPWM),控制逆变器工作,在功率放大以后驱动逆变器输出侧产生需要的目标故障电压,并且可以做到自动满足故障期间三相电压之间复杂的相位和幅值关系。

2 电压扰动发生器实现的主要保护电路

2.1 过流保护电路

如图4 所示,电流实际值经过霍尔传感器及采样电阻,滤波后经过运算放大器的电压并联负反馈将电流信号转换成-3.3~+3.3 V的弱电压信号,此电压信号经过信号处理得到0~3.3 V的单极性电压信号并输入到电压跟随器,最后经过限幅,确保输入进MCU的信号为0~3.3 V。

若交流测电流大于设定阀值,过流保护电路启动,DSP接收到过流信号,则封锁IGBT脉冲输出。

2.2 过压保护电路

如图5 所示,小电流信号经过R1a1和C1a1抑制干扰后,进入TL082 的运放构成的射极跟随器,然后经过两个电阻和一个电压源组成的电压偏移电路,再经过射极跟随器和箝位限幅电路,保证采样信号的幅值在0~3.3 V之间,满足MCU的输入信号要求。

若交流侧电压大于设定阀值V1(过压值)或者小于设定阀值V2(欠压值),MCU会启动保护电路,DSP发送过压或者欠压信号,并同时封锁PWM脉冲。

2.3 IGBT驱动电路

如图6 所示,IGBT驱动电路采用TLP-4504 光耦隔离,将DSP发出的SVPWM波控制信号转变为各个桥臂的IGBT驱动信号,保证IGBT模块能正常工作。IGBT模块的过压、过流、过热、欠压等各种保护功能故障,通过PC817 光耦隔离,发送给控制电路。

3 试验波形

由上述设计方案制作的电压扰动发生器,其输出三相电压可自动满足故障时各相之间的幅值和相角关系,可真实地反映出电力系统中电压扰动的各类电压故障特征。

通过使用IGBT和相关器件制作的电压扰动发生设备,完成后任意预设电压扰动类型、故障相电压值以及故障持续时间,对由A、B、C、D、E、F、G七类电压暂降类型和暂升类型进行试验模拟,结果符合设计要求,部分实测波形如图7~图12 所示。故障持续时间t =0.5~60 s,扰动深度选择130%Ue、90%Ue、75%Ue、60%Ue和20%Ue,Ue为额度电压。

4 结语

本文对一种新型电力电子式电压扰动发生器的设计与实现理论进行了研究,提出了一种直流侧采用BOOST升压技术的三相电压扰动发生器的设计方法,以精确产生所需要的各类不对称电压扰动,实验结果表明,基于此控制策略的电压扰动发生器具有较好的动态和静态性能,能够满足火电机组辅机变频调速系统的低电压穿越能力测试和穿越能力改造后的验收测试[11],也可以推广应用于其他需要使用电压扰动源的试验环境。

摘要：为了准确分析火电机组变频调速系统的高低电压穿越能力,针对市场对电压穿越能力试验设备的需求,提出一种新型电力电子式的电压扰动发生器的设计。采用不可控整流和BOOST升压电路,将不可控整流电路输出的直流电升压到预定电压后输出,再经过逆变器控制输出任意模拟电压故障波形。所提设计可模拟单相、两相及三相电压的暂升和暂降,其持续时间、深度、起止相位和类型均可做到持续调节。实验结果证明:这种新型电压扰动发生器设计安全可靠,能够准确反应电网故障电压类型,可广泛用于火电机组变频调速系统高低电压穿越能力试验研究。

关键词：低电压穿越,电压暂升,电压暂降,BOOST升压电路,电压扰动发生器

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大扰动电压 篇5

近年来，由于大规模电力电子设备和敏感负荷的广泛应用，除电能质量中的稳态扰动问题之外，暂态扰动问题给电力系统和用户带来的影响也越来越大。电能质量暂态扰动本质就是电压暂态扰动，受到外来的干扰以及内部故障或操作不当所带来的冲击问题，主要指标为：电压脉冲、电压浪涌、电压跌落及电压中断。

国内对电能质量暂态扰动的研究起步较晚，它属于电能质量稳态扰动的延伸，虽然影响范围小但后果严重。2014年5月10日开始实施的新国家标准《电能质量电压暂降与短时中断》（GB/T30137-2013）正式颁布。该标准是国内首个针对暂态电能质量的国家标准，显示了中国对电能质量暂态扰动问题的重视程度。

普通的时域或者变换域处理方法（包括应用非常成熟的傅里叶变换处理方法），仅能在宏观或者整体上检测电能质量，而对于电网中暂态扰动的检测，傅里叶变换无法解决；而用小波变换来分析就很容易实现。小波变换可应用于检测电能质量中的各种暂态扰动[1,2,3,4]，比如电网电压的骤升或骤降、电气设备突然故障等。小波分层变换在时域和频域具有可伸缩性，具有提取不同信号特征的能力。小波变换被国内外学者们赞誉为数学显微镜，因此本文将进行基于小波变换的电压暂态扰动检测方法研究。

DSP具有运算速度快，数据通道多，外设丰富，浮点运算精度高等特点，这些特点非常适合对电能质量扰动进行快速准确的检测和定位，目前，虽然芯片的运算能力不断提高，但在DSP检测电能质量暂态扰动中，实时性仍是难点。所以本文设计了一款基于DSP2812的电压暂态扰动在线检测装置，研究了基于DSP和小波变换的电压暂态扰动在线检测方法。该装置可以对电压暂态扰动进行实时检测。该装置通过霍尔传感器和模/数转换芯片采集电信号，以高性能数字信号处理芯片TMS320F2812为核心信息处理单元，完成了DSP及其外围电路设计。本文采用小波变换在线检测电压暂态扰动，并在DSP中实现了小波算法，软件还包括主程序模块、AD采集模块、中断模块、上位机处理模块和通信模块等设计。然后采用仿真实验和真实实验验证本文提出装置和方法的可行性。

1 理论基础

小波变换具有局部放大功能，本文利用小波变换检测电压暂态扰动的位置，由于db4小波函数在时间域具有紧支撑性，在频域具有较高的消失矩，可以准确检测出电力系统中扰动的位置，所以选择db4小波函数检测电能质量暂态扰动。

1.1 小波变换

小波的字面理解是小区域的波，特点是：长度有限、平均值为零、能量有限且集中。小波变换过程中首先选定小波函数。小波变换系数，表示的是被分析函数与小波函数的相似程度，相似程度越高，系数越大。通过改变小波基函数的两个参数和对信号进行分析。

计算机只能处理离散信号，所以通常变换中需要将信号f(t）处理成离散化序列，小波基函数也需要进行离散化，即将伸缩因子a和位移因子τ分别进行离散化[5]。这样得到的小波变换称为离散小波变换（DWT）。离散小波变换是把空间按照小波窗口划分，在高频段具有很好的时间分辨率，在低频段具有很好的频率分辨率。

1.2 小波应用

在分析电能质量扰动中小波通常写为卷积形式：

式中ψa(t)a-1ψ(a-1t)。

设θ(t)是低通平滑函数，满足：

由傅里叶变换微分原理可知，其倒数ψ(1)(t)是带通函数，而且也满足小波函数的条件，所以可以将θ(t)作为小波基。此小波基对应的小波变换为：

式中θa(t)=a-1θ(a-1t)。

由小波变换等效表达式可以看出，对一个信号进行平滑后再求导，和用平采集电信号滑函数的导数对信号进行处理是等效的。由此可以得到，小波变换WTax(t)就是在尺度a下，平滑函数θa(t)对信号x(t)进行平滑后的一阶导数。根据数学理论可知，函数一阶倒数的绝对值的极值点，就是函数的拐点，倒数的极大值点就是函数的突变点。所以，小波变换中的模极大值点就是检测信号的突变位置。

2 实验系统设计

2.1 系统硬件总体框架

电能质量扰动检测装置硬件部分包括信号采集电路、信号调理、数据处理、系统控制以及外围电路，系统硬件框如图1所示。

本装置的工作流程主要是：电压传感器采集电信号，并将信号转换成A/D输入范围内；经过模拟低通抗混叠滤波电路进行滤波调理；然后经过16位的模/数转换，将模拟信号转换成DSP可以处理的数字信号；DSP利用小波算法实时检测电网电压暂态扰动。最后利用LCD液晶屏显示检测结果，通过串口通信将处理分析后的数据传到上位机进行实时显示与监控。下面就对上述各模块做一些简单的介绍[7]。

2.1.1 信号采集电路

信号采集的精度直接影响整个过程的分析，为了减小误差，本文采用莱姆公司的LV25-P传感器。此传感器有±0.6%的出色精度，小于0.2%的良好线性度，低温漂，抗外界干扰能力强，共模抑制比强，40μs的快速响应时间。LV25-P传感器原副边匝数之比为2 500∶1 000，可把原边取样电阻两端的电压转换成副边的小电流信号（额定10 m A），通过采集连接副边精密测量电阻两端的电压，就可计算出需要采集的原始电压信号。

2.1.2 信号调理电路

由于电路中存在各种电磁干扰，使采集的信号中包含高次谐波，而研究很高次谐波是没有意义的，所以设计了一个信号调理电路来消除高次谐波和防止频谱混叠，且可以保证信号稳定的输入到A/D转换模块。电路采用二阶RC低通滤波，根据低通滤波器电路知识，截止频率为。其中：滤波电阻R阻值为470Ω；电容C容值为0.1μf，则截止频率在1.28 kHz左右，而本设计中值需要检测25次以下的谐波，满足要求。

2.1.3 A/D转换电路

12位的精度A/D转换器实际中最高达到9位，此精度不高，比如在分析谐波时，15次就能带来1.67%的误差，所以本文采用16位的AD7656。AD7656是一款快速、低功耗逐次逼近型A/D转换器，吞吐率高达250 Kb/s。内置低噪声、宽带宽采样保持放大器，最高可处理4.5 MHz频率的输入信号。支持在±4VREF或±2VREF范围内输入真双极信号，片内基准电压VREF为2.5 V。

2.1.4 基于DSP的数据处理模块

DSP处理器采用TI公司的TMS320F2812，这款功能强大的32位DSP芯片，是C2000系列的一款主要芯片，其CPU主频可在达150 MHz，不仅具有数字信号处理能力，而且具备强大的事件管理、嵌入式控制能力，在工业控制和电力系统中得到广泛应用。

2.1.5 外围电路

根据实际需要，设计了一个键盘控制功能选择，既可以检测稳态扰动的谐波，又可以检测暂态扰动。本装置中计算数据量大，且数据类型为浮点型，DSP内存不够，所以外扩了一片存储器。由于DSP外部连接设备较多，且DSP的I/O口有限，所以利用CPLD来扩展I/O口，方便实现逻辑控制。检测结果利用LCD液晶屏显示，并通过串口通信将处理分析后的数据传到上位机进行实时显示与监控。

2.2 系统软件设计

本设计中的软件编写和调试是在TI公司的CCS(Code Compose Studio）集成开发环境中进行的。CCS有许多版本，CCS 3.3是最成熟也是应用最广泛的版本，本设计就是采用CCS 3.3。下面主要介绍软件的设计流程和主要算法的实现。

2.2.1 程序流程

基于DSP的电能质量扰动检测系统软件算法部分主要包括快速傅里叶和db4小波在DSP上的实现、A/D采集、上位机处理以及通过串口RS 232与上位机通信，实现数据采集控制和结果保存，便于查看。首先启动DSP，然后进行系统初始化，主要包括电源和时钟配置以及外设初始化等；最后开中断等待任务的到来。对数据的处理采用两种可选流程，软件上通过标志位来实现，对应硬件的键盘实现。本文中，对电压暂态的检测只需应用小波算法即可，FFT算法应于检测电压的稳态扰动，不在本文研究范围内，所以下面只对小波算法的实现进行介绍。

2.2.2 Wavelet算法的实现

Wavelet算法的实现主要是小波的分解与重构两个步骤。小波分解的步骤如下：

(1）根据需求，选择合适的小波函数，将此函数与被分析信号起点对齐；

(2）计算此时的小波系数，系数越大，代表此刻信号与小波函数波形越相近；

(3）将小波函数沿时间轴方向向右移动一个时间单位，然后重复步骤（1），步骤（2），得到此时的小波系数，这样重复操作，直到完成整个信号；

(4）对所选择的小波函数进行一个单位的尺度伸缩，重复上面步骤（1)～(3);

(5）继续进行尺度伸缩，重复步骤（1)～(4）。

3 暂态扰动检测实验

本实验主要对前述常见的5种暂态扰动做了测试。首先在Matlab中进行了仿真实验，选取合适的小波函数，利用Matlab中的db4小波对扰动进行定位，在Matlab中验证小波变换检测电能质量暂态扰动方法的可行性。然后再利用信号发生器产生包含暂态扰动的信号，采用本文研制的装置对暂态扰动的信号进行数据采集、信号调理、模数转换、在DSP中进行数据处理，并实现在线进行扰动定位。利用DSP强大的运算性能和高效的小波算法，实现电量采集和电压暂态扰动的实时分析同步进行。Matlab的仿真数据既是设计在DSP中运行的小波算法的依据，也可以验证DSP平台上小波变换检测电能质量暂态扰动的准确性与可行性。

3.1 Matlab暂态扰动仿真实验

根据常见的5种电能质量暂态扰动特点和小波变换在电能质量扰动检测中的应用原理，本文在Matlab中进行了仿真验证，从为基于DSP在线检测装置提供理论依据，从而也可验证小波变换在检测电能质量扰动中定位的实用性。因为我国电网中的电压频率是50 Hz，所以此处选择模拟信号为50 Hz，采样频率为6 400 Hz，模拟信号时间是1 s。用小波变换检测电压暂态扰动的5种情形：

(1）信号在0.4～0.7 s内，电压发生了骤降，下降到0.2 p.u.;

(2）在0.35～0.65 s内，电压发生了骤升，上升到1.5 p.u.;

(3）在0.25～0.6 s内，电压发生中断；

(4）在0.6 s那一刻电压发生脉冲扰动；

(5）在0.5 s附近产生振荡。

在进行电压骤降扰动检测时，用小波分解只分解一次就可以检测到扰动的位置。将上述5种情形的实测值与真实值比较可得表1。由表1可以看出，由于信号采样、计算精度和小波函数特点等一系列因素，导致用Matlab仿真小波检测电压暂降扰动结果和理论值存在一定误差，不过误差在允许范围内。从而验证了基于小波的电网电压暂态扰动检测理论的正确性。

3.2 基于DSP的暂态扰动检测实验结果

由于在电网中引入上述5种电压暂态扰动必然会给电网造成污染，严重影响电网的电能质量，所以考虑到实验的便利，利用信号发生器半实物仿真电网的电压暂态扰动。实验步骤如下：将小波算法应用到DSP中，并利用信号发生器产生带有扰动的信号波形，然后用本文设计的电能质量检测装置进行采集与分析。用小波变换检测电压扰动的五种情形，实验结果分别如图3～图7所示。

此处选择模拟信号仍为50 Hz，采样频率为6 400 Hz，模拟信号时间是0.5 s。在图3～图7中，横坐标表示的是采样点，纵坐标表示A/D的值。5种情形分别对应：

(1）信号在0.6 s～0.8 s内，电压发生了骤降，下降到0.5 p.u.;

(2）在0.2～0.35 s内，电压发生了中断；

(3）在0.4～0.6 s内，电压发生骤升，上升到1.8 p.u.;

(4）在0.85 s那一刻电压发生了脉冲扰动；

(5）在0.45 s附近产生振荡。

4 结语

本文设计的一款基于DSP2812的电压暂态扰动在线检测装置，研究了基于DSP和小波变换的电压暂态扰动在线检测方法，实现了电压暂态扰动的实时检测。硬件完成包括信号采集电路、信号调理、数据处理、系统控制等系统硬件电路，软件在DSP中实现小波算法，并完成了主程序模块、采集模块、中断模块、上位机处理模块和通信模块等程序模块的设计与编写。

采用仿真实验和真实实验验证了本文提出装置和方法的可行性。首先通过仿真实验验证了基于小波的电网电压暂态扰动检测理论的可行性。然后利用信号发生器产生模拟电网电压暂态扰动的信号，使用本文研制的装置采用小波分析方法，进行了5种常见暂态扰动的在线定位，从而实现了电压暂态扰动的实时检测。实验表明该装置精度高，数据处理速度快，可实现电压暂态扰动的实时检测。

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