电网电压跌落（共8篇）
电网电压跌落 篇1
大型风电场多采用双馈机型,其变换器为25%~35%的额定容量,体积小、重量轻、成本低、损耗少,但对电网扰动特别是电压跌落非常敏感[1]。 当电网电压突然跌落时,会造成转子绕组过压、过流,如果没有适当的保护措施,会损坏转子侧变换器[2]。最常用的保护方案是采用Crowbar电路使转子绕组短路,即使在严重的电网故障情况下,也能保护双馈电机的转子绕组和转子侧变换器,但Crowbar动作期间,转子侧变换器失去控制能力, 双馈电机的工作状态类似于鼠笼电机,其电磁转矩振荡非常严重,传动链受到巨大的应力[3]。同时这种方案提高了硬件成本、降低了可靠性。
近年来国内外的相关文献对双馈电机在电网电压对称跌落时的运行控制进行了深入研究,分析了转子过压、过流的原因,得出了转子过压与跌落深度之间的关系[4],但对电网电压不对称跌落时双馈电机的运行控制研究很少,而电网电压不对称跌落时,双馈电机定子磁链包括正负序分量和直流暂态分量,转子绕组会产生更高的电压,对电机的危害更大,其故障穿越面临着更大的挑战[5]。
本文研究了电网电压不对称跌落情况下双馈电机的运行性能,分析了不同跌落类型和时刻对双馈风力发电系统的危害程度,计算了不同故障情况下转子电压和定子暂态磁链初值与跌落深度之间的关系。在以上分析的基础上,研究了一种磁链跟踪控制方法来实现低电压穿越,有效地抑制了转子过压过流。通过转子侧变换器的励磁控制,使转子磁链能够按比例跟踪定子磁链的变化,且比例系数可控,实现了电网电压不对称跌落时的故障穿越。
1定子磁链的暂态分析
电网电压不对称跌落时,双馈电机出现暂态电磁过程。根据对称分量分析法[6],三相定子电压空间矢量us会同时产生正序分量UP、负序分量UN和零序分量U0,即
式中:ω1为同步旋转角速度。
若双馈电机定转子阻抗对称,则UP,UN和U0可由下式计算
式中:ua,ub,uc为三相电网电压。
定子电压空间矢量的正负序分量UP,UN在空间产生正负序磁链分量ΨP,ΨN,分别以同步速正反方向旋转,零序电压不产生旋转磁链。忽略定子电阻,正负序磁链分量[7]计算如下:
由于定子磁链不能突变,还会产生暂态磁链分量,故障后的定子磁链为
式中:t0为电网电压跌落时刻;τs为定子磁链暂态分量的时间常数,τs= Ls/Rs,Ls,Rs分别为定子电感和电阻;Ψ0为电网电压跌落时刻定子磁链暂态分量的初始值,其数值大小取决于故障类型(单相、相间短路等)和故障发生的时刻。
2两种典型的不对称故障
2.1电网电压单相跌落
正常运行时定子电压空间矢量的幅值为Us, 若电网电压发生单相(a相)对地跌落,跌落系数为k1,且正负序网络的阻抗相等,则b,c相电压保持不变,即
根据式(2)可得:
在t = t0时刻定子 磁链不能 突变 ,Ψs(t0) = Ψ(t0+),可得: s
经推导变换得:
定子磁链暂态分量初始值Ψ0取决于跌落系数k1、跌落时刻t0和跌落类型。当t0= 0或Ts/2时, Ψ0= 0,此时定子磁链无暂态分量,直接进入稳态;当t0= Ts/4或t0= 3Ts/4时,Ψ0的幅值取最大值, 对转子绕组和转子侧变换器产生的危害也最大。
由于定子磁链包括正序和负序分量,正序磁链逆时针旋转,负序磁链顺时针旋转,其轨迹为椭圆形。又因为磁链包含暂态分量,椭圆中心点并不固定,在跌落的瞬间磁链轨迹相切,随着暂态分量的衰减,椭圆的中心逐渐向原来的中心点靠近,直到椭圆磁链的中心点和跌落前的中心点重合。
定子绕组的每个磁链分量在转子绕组中都会产生相应的电压分量,其幅值大小与磁链分量的幅值大小和转速有关。根据文献[8]可计算定子轴系下转子开路电压
式中:Lm为定、转子绕组之间的互感;s为转差率。 若将uro变换到转子轴系,需要进行旋转变换为转子旋转的电角速度,则
式中:第1项与转差成正比,数值较小,为转差频率;第2项数值随单相跌落深度(1-k1)的增大而增大,其频率接近2倍频;第3项为暂态分量,是转子过压的主要因素,其数值与跌落时刻、跌落系数和跌落类型有关。
在电网电压相发生单相对地跌落时,为了防止转子电流失控,转子侧变换器必须产生足够大的电压,其数值不小于式(8)的最大值。如果电网电压出现小值跌落,由定子磁链产生的转子电压不超过转子侧变换器的容量,通过转子侧变换器的励磁控制可以实现低电压穿越。通过式(8) 可以计算电网电压单相跌落系数的可控范围,增加变换器的容量也可以提高系统的低电压穿越能力。若电网电压出现大值跌落,由定子磁链产生的转子电压超过了转子侧变换器的容量,则需要采用Crowbar电路保护,实现故障穿越。
2.2电网电压相间短路
电网电压b,c两相发生相间短路,产生电压跌落,若定子绕组的正负序阻抗相同,则a相电压保持不变,跌落后的电网电压为
式中:k2为b,c相电压的短路系数。
根据式(2)可得:
可得t = t0时刻定子磁链方程
经推导变换得
当t0= Ts/4或t0= 3Ts/4时,定子磁链无暂态分量,直接进入稳态;当t0= 0或Ts/2时,定子磁链暂态分量初值最大,对转子绕组和转子侧变换器产生的危害也最大。定子磁链在转子绕组中产生的开路电压为
将其变换到转子轴系可得:
电网电压对称跌落和不对称跌落有很大的差别,对称跌落时定子磁链无负序分量,转子绕组产生过压的主要原因取决于定子的暂态磁链, 为瞬时现象。若电网电压跌落开始或结束时,转子绕组的开路电压大于转子侧变换器的可控电压范围,转子电流失控,失控期间可以用Crowbar电阻进行保护。
电网电压不对称跌落时,定子磁链的负序分量也可能导致转子绕组过压,使转子侧变换器失控,在这种情况下Crowbar电阻不能解决问题,因为在不对称跌落的全过程都会存在转子绕组的过压过流现象,此时会导致电机脱网。
3低电压穿越控制
低电压穿越的主要目的就是抑制转子电流, 确保转子绕组和变换器的安全运行,而转子电流的大小取决于定转子磁链的差值[9]。
当电网电压发生跌落时,若不对转子侧变换器采取适当的控制,转子磁链无法跟随定子磁链的变化,定转子磁链差值很大,导致转子过流。 因此,为了抑制故障时的转子电流,转子磁链必须跟踪定子磁链的变化,但需要较高的转子电压;为了降低转子电压,转子磁链可以按一定的系数追踪定子磁链,只要定转子磁链的差值控制在一定的范围内,就可以抑制转子电流,同时降低转子电压。转子磁链参考值如下:
式中:kT为转子磁链的追踪系数,0 ≤ kT≤ 1。
忽略转子电阻的情况下,可得转子电压
根据参考文献[10]可计算此时的转子电流为
式中:Lls,Llr分别为定、转子的漏感。
转子磁链在追踪定子磁链时,若追踪系数kT较小, 则所需要的转子励磁电压较小、转子电流较大; 若追踪系数kT较大,则所需要的转子励磁电压较大、转子电流较小。因此,kT必须合理选择,兼顾转子电压电流。
在电网故障恢复的过程中,定子电压逐渐上升,也会出现和电网电压跌落类似的情况导致转子过流。和电网电压跌落不同的是,在电网故障恢复过程中,定子磁链数值会逐渐增大。为了确保在电压恢复过程中,转子绕组不过流,应逐渐增加kT的数值,转子磁链应根据如下的表达式进行控制:
使用前馈解耦控制方法,耦合系统可以解耦为两个独立的一阶惯性系统。追踪控制时,转子磁链参考值包含正负序分量和暂态分量。在同步旋转坐标系中,转子磁链包含交流分量,若采用PI调节器,转子磁链很难进行快速跟踪。采用P调节器,尽管存在稳态误差,但可以使转子磁链有效地追踪定子磁链[11],使其差值限制在一定的范围内。转子电压的控制方程如下:
式中:kp为比例调节器的系数;urc为前馈控制量。 其表达式如下:
控制系统可以解耦为两个一阶惯性系统,由经典控制理论[12]可以确定合适的kp数值以优化控制性能。
转子侧变换器的励磁控制框图如图1所示, 包括定转子磁链的计算、转子磁链追踪、转子励磁电压的控制。控制目的只要转子磁链能追踪定子磁链,使其差值保持在一定的范围内,而不需要对磁链的正负序分量、直流分量进行分别控制。
4仿真研究
为了验证本文的分析结果和控制策略的有效性,建立了双馈电机在电网电压不对称跌落时的仿真模型,并进行了低电压穿越控制,仿真参数如下:定子电阻为1.405 Ω,转子电阻为1.395 Ω, 定子电压为310 V,功率为4 k W,极对数为2,定子漏感0.005 839 H,转子漏感为0.005 839 H,互感为0.172 2 H,额定频率为50 Hz。
图2、图3是电网电压a相跌落系数k1=0.2时的定子磁链、转子电压。其中,图2跌落时刻为t0= 1 s,此时定子磁链无暂态分量,直接进入稳态运行,转子绕组电压相对较低,其最大值为260.2 V , 危害相对较小;图3跌落时刻为t0=1.005 s,相当于t0=Ts/4,此时定子磁链暂态分量的初值最大,转子绕组的电压最高,其最大值为327.4 V,产生的危害最大。
图4、图5是电网电压b,c两相发生相间短路时的定子磁链、转子电压,短路系数k2=0.2,a相电压保持不变。图4跌落时刻为t0=1 s,此时定子磁链出现暂态分量,转子绕组的电压最高,其最大值为505.4 V,产生的危害最大。图5跌落时刻为t0=1.005 s,相当于t0=Ts/4,此时定子磁链无暂态分量, 直接进入稳态运行;转子电压最大值为340.3 V, 相对较低。
图6是电网电压a相跌落时的磁链追踪的控制波形,跌落时刻为t0=1.005 s,其中a相跌落系数k1=0.2,磁链追踪系数kT=0.8,比例系数kP=2 000。通过本文的低电压穿越方法进行控制,大大抑制了转子电压,最大值为210.6 V, 和正常运行的控制方法相比,转子电压降低了很多。
图7是电网电压b,c两相发生相间短路的磁链追踪的控制波形,跌落时刻为t0=1 s,其中短路系数k2=0.2,磁链追踪系数kT=0.8,比例系数kP=2 000,a相电压保持不变。通过磁链追踪低电压穿越控制,抑制了转子电压,最大值为317.6 V, 有效地保护了转子绕组和转子侧变换器。
5结论
本文对双馈电机的动态性能进行了详细分析,讨论了电网电压不对称跌落时转子过电压与电网电压的跌落系数、类型和跌落时刻之间的关系。
正常运行情况下,定子磁链只包含以同步速度旋转的正序分量,产生的转子电压与转差成正比,数值相对较低。在电网电压不对称跌落时, 定子磁链除了正序分量以外,还包括负序分量和暂态分量。负序磁链相对于定子以同步速反向旋转,相对于转子来说,以近2倍同步速旋转,产生的转子电压较高;暂态磁链的方向相对于定子固定,相对于转子则以转子速旋转,其数值按指数规律衰减,衰减速度取决于定子的时间常数, 由暂态磁链产生的转子电压最高,是转子过压过流的主要原因。
在分析双馈电机动态性能的基础上,研究了一种双馈风力发电系统的磁链跟踪控制策略,当电网电压跌落时,通过转子侧变换器的励磁控制,使转子磁链能够追踪定子磁链的变化,从而有效地抑制转子电流,实现了低电压穿越。本文的研究结果,对双馈风力发电系统变换器的优化设计有一定的参考价值。
地区电网的无功平衡和电压控制 篇2
关键词：无功平衡；电网运行；无功补偿；电压
随着电网的不断发展和电力体制改革的逐步深化，适应建设“一强三优”供电公司的要求，人们对电压问题的重视程度逐渐增加。本文从分析地区电网电压情况和无功设备状况入手，找出无功电压调整中存在的问题，有针对性的提出解决措施和方法，对提高电网电压管理和用户高质量的供电有着十分重要的意义。
1 某地区电网无功电压现状
1.1 无功设备的基本情况
目前，地区电网共有220 kV主变19台，容量3120 MVA，均为有载调压变压器；110 kV主变62台，容量2717.5 MVA，也均为有载调压变压器。
该地区电网的无功功率补偿设备主要是一台并入220kV电网的60万火电机组和各变电站的电容器组。地区电网110kV及以上变电站无功补偿电容器总容量736.334MVAR，其中220 kV变电站408.504 MVAR，110 kV变电站327.83 MVAR。
1.2 配置原则和调整手段
在无功补偿设备的配置上，主要是考虑分层分区就地平衡的原则，根据主变容量和负荷情况安装足够容量的无功补偿设备。对于220kV电网，应避免远距离、大容量的无功功率传输，力求保持各变电站的无功功率平衡，尽可能使220kV线路的无功功率流动小；对于110kV及以下的供电网，推行低压配变就地补偿，实现无功功率的分区和就地平衡，防止电压大幅波动。
无功电压的调整主要是通过调整主变分接头位置、投切电容器和电抗器、改变系统运行方式、调整发电机励磁等方法。
1.3 电压控制情况
2013年、2014年两年，地区电网综合电压合格率分别为99.967%和99.993%，2015年，将会继续提高。尤其是 2015年投运的220kV涡河变，不仅加强了电网可靠性，也对提升地区电网内县级电网的电压水平起到了关键作用。
2 存在的问题
随着社会经济的迅速发展、城市新区等工程建设，使地区电网规模不断扩大，供电负荷不断攀升。尤其是哈郑直流的落地，使地区电网结构和运行特性发生重大变化，地区电网的无功电压运行管理变得更加复杂，如不采取有效的针对性措施，可能影响供电质量，甚至危及电网安全。
2.1 哈郑直流引起的220kV层面无功传输问题
哈郑直流换流站靠近地区两座500kV变电站，致使500kV母线电压偏高，为调整电压，500kV变电站采取投入电抗器的措施。在降低500kV母线电压的同时，也使220kV母线电压降低，造成220kV线路无功潮流传输偏大，还会出现市际间无功的大量传输。
2.2 高峰时段电压调整能力不足
地区电网的大负荷季节一般在春季的灌溉时期、度冬度夏期间，此时间段电压调整困难。虽然提前采取了电压调整措施，对稳定主网电压起到了积极的作用，但在高峰时段，由于某些线路供电半径大、设备缺陷等原因，仍有电网电压偏低现象。
2.3 对县区供电电网缺少无功管理
地区县区电网的无功调压设备没有建立统一的台账，同时县区35kV变电站大多为无人值班，但又不能实现远方操作，故无功调整比较滞后，不能根据负荷和电压情况及时调整。
2.4 有载变压器调压范围选择问题
根据省调规程要求，220kV主变档位应在中间档位及上下三档范围运行，主变档位可调范围窄。同时有些主变因设备缺陷无法调档，造成调压困难。有些主变因负荷增长过快，还未进行主变调档就被闭锁。
2.5 电容器运行问题
地区电网主要的无功补偿设备是电容器。但电容器运行时发热等因素造成电容器相关设备如连接铝排、电容器本体等设备经常出现故障，而由于检修力量不足或设备备件购买周期长等原因，造成故障电容器检修工期长，电容器整体投入率不高，影响无功电压的调整。
2.6 负荷不稳定问题
地区有部分钢铁加工企业，造成电压调节无法跟上负荷变化的速度。
2.7 AVC调压策略问题
在自动化系统AVC功能中，只能设置各站自身的调压策略，不能将220kV变电站和其所带的110kV变电站的调压策略进行统一考虑，影响AVC的闭环控制。
3 调压措施
3.1 综合考虑各种因素的影响
由于无功电压调整的分散性和分层性，使得其控制比有功功率和频率的控制要困难得多。做好电压监视，控制好无功潮流和电压中枢点电压，合理使用调压手段，才能保证电压的可控、能控、在控。
3.2 提前做好電压调整
在电网运行中，做好负荷的预测工作，当高峰负荷到来之前，就将电容器投入，使电网电压提高至上限运行，这样可防止高峰负荷时电压的过分下降。同时做好预判，如果判断负荷增长较多会引起主变调压闭锁，在无功充足的情况下，先调整主变档位将电压提高至上限运行，待负荷升高后再投入电容器。
220kV主变档位调整应提前申请省调同意，并将地区负荷和电压变化情况及时向省调汇报，征得省调同意后扩大主变档位调整范围。
3.3 加强县区电网无功电压管理
建立县区电网无功设备台账，并制定县区无功电压管理规定和考核办法，确保县调无功电压调整的及时性。
3.4 提出电网改造建设建议
针对供电半径长、供电负荷重的线路和变电站，调度应及时向规划部门提出电网改造建设建议，解决线路末端电压低的问题。
3.5 及时消除电容器缺陷
运维部应加强电容器的运行维护，提高电容器检修处理速度，确保无功设备的投入率保持在较高的水平。尤其是针对经常出现问题的电容器，及早进行技改大修。
3.6 合理优化AVC控制策略
配电系统电压跌落问题的分析 篇3
当前, 我国经济的发展水平在不断的提升, 同时人们在生产和生活中对电能的需要越来越剧烈, 而供电安全问题也逐渐成为了社会发展和运行的一个最为基本的前提, 所以如果电力企业要想在激烈的市场竞争中获得更大的优势, 就必须要保证配电系统的运行质量。当前, 配电系统运行的过程中还存在着非常多的问题, 而这些问题如果不解决, 就会影响到电网运行的质量和状态。在配电系统运行的过程中, 电压跌落问题是一个非常重要的问题, 所以我们在实际的工作中, 必须要采取有效的措施对其进行全面的控制。
2配电系统电压跌落的含义和原因
配电系统电压跌落通常就是指配电系统在运转的时候。某一个时刻的电压值没有达到正常应该达到的标准, 但是在较短的时间内又恢复到了正常的水平, 在一个地区, 一些相对较为特殊的天气也会使得配电系统在运行的过程中会出现比较电压跌落的情况。因为社会生产对其的要求相对比较高, 因此在电力生产的过程中, 如果其自身的电压也相对较高, 就会在电流方面出现非常大的变化, 这样也就使得母线在系统运行时无法承受其自身所产生的电压负荷, 这样也就出现了较为严重的电压跌落情况。
3电压跌落的解决途径
电压跌落问题出现的主要原因就是自然因素的影响, 这种因素是不受人为控制的, 因此电压跌落问题是不能从根源上得到控制和解决的, 供电企业要想保证生产的平稳运行, 一定要对电压跌落现象予以高度的重视, 从而也就达到了减小电压跌落问题出现的概率, 要想达到这一要求, 就必须要在实际的工作中对系统进行全面的完善, 同时供电企业在发展中还要针对一些问题采取一些积极的应对措施, 如果发生了电压跌落的问题, 一定要及时采取有效的措施对其进行全面的控制, 这样也就减少了对人们生产生活的不利影响。
3.1电压跌落检测技术
因为配电系统在运行的时候, 电压跌落问题具有十分明显的周期性和固定性, 所以我们必须要对其进行全面的调整和控制, 也就是说在配电系统当中, 设置控制系统, 同时还要保证系统可以十分充分的保证电压检测跌落的准确性和科学性。当前电压跌落检测的方法主要有三种, 一种是dqo变换方法、αβ0转换法和小波分析法, 三种方法在解决电压跌落的实时性的同时也可以根据实际的情况确定一个更加科学和合理的目标。而在这一过程中, 稍微比较特殊的就是小波分析法, 它对信号不同的点有着非常敏锐的感知, 因此在实际的工作中也可以非常清晰和准确的将异常点放大, 并通过一定的介质和平台显示出来。比如小波分析法当中分析的结果实际上和小波函数的选择有着十分密切的联系。比如使用小波分析法的时候, 如果小波函数的选取不具有准确性的时候, 其最终的结果准确性也就会受到十分不利的影响。此外小波分析法在噪音和微弱信号识别方面也有着非常好的效果, 因此在这样的情况下, 就会使得分析的结果和实际的结果之间存在着非常明显的差异。所以在实际的应用当中, 我们要综合多种方式, 这样也就使得配电系统的电压跌落现象更加难以控制, 对配电系统的运行质量也会产生十分不利的影响。
3.2电压跌落的动态补偿技术
动态补偿技术对于电压跌落问题有着非常好的控制效果, 动态补偿技术通常又分成两个类型, 一个设计串联电压补偿, 一个是并联电压补偿, 其中, 前者主要是指在配电系统电压跌落的一瞬, 用最快使得速度往配电系统当中注入三相电压, 使其和供电电压形成一个整体, 这样就可以有效的对电压跌落现象进行有效的控制, 配电系统在这一过程中也保持比较好的运行状态。而后者在应用的过程中, 其作用主要表现在两个方面, 一个是他能够有效的控制大电容设备忽然启动的时候出现电流畸变的问题, 在这样的情况下也就保证了系统整体的运行质量和运行水平。其次是它能够在配电深度系统出现电压跌落现象的时候保持正常的电压水平, 这样也就可以有效的保证配电系统正常的工作状态。但是并联技术在实际的应用中经济性相对较差, 所以在实际的工作中会采用并联电压电流补偿技术减少配电系统运行过程中所产生的不利影响, 此外还使用串联电压补偿技术对电网中存在的一些干扰负荷进行有效的控制, 这样一来一方面可以有效的对电网系统运行的质量予以保障, 同时也使得系统的安全性得以提升。
3.3网络重构技术
网络重构技术通常就是指在配电系统中安装分段开关和联络开关, 这种技术在实际的应用中可以有效的降低电网系统在运行的过程中出现的损伤现象。同时它还可以减少或者是消除线路过载问题, 从而使得系统运行的质量和水平得到了非常显著的提升。在某种程度上来说, 对电压跌落, 网络重构技术能够体现出非常好的效果, 如果配电系统发生了电压跌落现象的时候, 这种技术可以根据实际的情况及时的解决一些问题, 这样也就使得非故障区的用电需求可以得到全面的满足。此外这种技术在应用的过程中也可以充分的按照配电系统自身的特点和结构的特性提出一个相对较为科学合理的规划方案, 从而也就使得这项技术的作用和功能得到了充分的显现。网络重构技术在应用的过程中也可以将故障进行量化处理, 这样一来也就在最大限度上满足了社会实际的用电需要, 更好的保证了供电企业的经济效益。
结语
当前, 人们对供电的数量和质量都提出了非常高的要求, 供电系统在运行的过程中也需要承受更大的负荷, 所以配电系统在运行的过程中也更容易出现电压跌落的现象, 为了对这种现象进行严格的控制, 相关部门必须要采取有效的措施, 只有这样, 才能更好的保证供电的连续性和安全性, 这样也使得供电系统的运行质量得以显著的提升, 从而也促进我国电力事业的健康发展。
摘要：在社会发展和进步的过程中, 供电安全是非常重要的一个环节, 电能安全的运行对社会生产和生活的正常进行有着不容忽视的影响。在电网系统正常运行的过程中, 有很多因素都会影响到其运行的质量和水平, 所以必须要采取有效的措施对其进行调整和改进。本文主要分析了配电系统电压跌落问题, 以供参考和借鉴。
关键词：配电系统,电压跌落,问题,对策
参考文献
[1]虞苍璧, 夏祖华, 胡伯源, 马师模.电压跌落与动态电压调节技术[J].供用电, 2007 (03) .
电网电压跌落 篇4
近20年来,随着计算机应用技术、自动化控制技术和大功率电力电子技术等高新技术的迅猛发展,基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的高性能、高度自动化的新型用电设备大量投入使用,这种设备往往对系统干扰比较敏感,我们称这类设备为敏感性设备,它们比传统用电设备对电能质量的要求苛刻得多,即使是几个周期的电压跌落都将影响这些设备的正常工作,造成巨大的经济损失。据统计,在电能质量各问题当中,电压跌落是造成电压敏感性负荷不能正常工作的主要原因,通常可认为70%~90%的电能质量问题是由电压跌落引起[1,2,3]。因此,如何抑制电压跌落对敏感性设备的干扰,提高配电系统的动态电能质量,已成为摆在电力研究人员面前的十分迫切的问题。
传统的调压手段,如改变有载调压变压器的变比,投切并联补偿电容器等,因其响应速度慢,控制不精确,故对抑制电压跌落这样的暂态电能质量问题无能为力。随着电力电子技术的飞速发展,基于高压大功率开关器件的动态电能质量调节技术为解决电压跌落问题提供了新的解决办法。该技术利用电力电子开关器件的高速开断特性,通过向系统注入相应的补偿分量来实现对系统的电压、电流、无功潮流等参数的连续、快速、精确的控制,从而提高供电质量,满足电力用户的需求。目前,动态电能质量调节技术已引起国内外众多学者的关注,其中动态电压调节器因其良好的动态性能和相对低廉的价格使它成为目前治理供电电压跌落问题的最经济、有效的手段。本文将对动态电压调节器改善电压跌落的原理、典型电路结构以及动态特性做详细的分析。
1 电压跌落概述
1.1 电压跌落定义
电压跌落(Voltage Sag),也称电压骤降、电压下跌、电压凹陷,是指供电电压均方根值在短时间突然下降到额定电压值的90%~10%,典型持续时间为0.5~30个周波的一种现象。IEEE标准中电压跌落定义为:供电系统中某点的工频电压有效值突然下降到额定值的10%~90%,并在随后0.01~60 s的短暂持续期后恢复正常。IEC标准中电压跌落(Voltage Dip)的定义与IEEE标准不同之处仅在于:下降到额定电压值的1%~90%。
电压跌落中最受关注的是它的三个特征参数:电压跌落幅值、持续时间和相位跳变。图1是一个典型的电压跌落波形示意图。
1.2 电压跌落产生的原因
导致电压跌落的原因主要有以下几个方面:(1)自然因素,如雷电击在输电线或绝缘子上引起的绝缘子闪络,大风引起的输电线舞动,杂物搭在输电线上等原因引起输电线短路或其它电力系统故障,从而导致电压跌落,这种跌落影响范围较大,持续时间一般超过100 ms;(2)人为原因,如运行人员的误操作,车辆造成的输电线杆倒塌,建筑施工造成埋地线路破坏等;(3)供电部门原因,如重合闸等;(4)较大的负荷变动,如感应电动机全压启动时,需要从电源汲取的电流值为满负荷时的500%~800%,这一大电流流过系统阻抗时会引起电压跌落;(5)企业之间的影响,某个企业内部产生的电压跌落会反馈回电网,电压跌落会变幅值、变时间地在输电网络中传播,影响到其它企业的供电电压。受影响的最远距离可以达一二百公里,离发生源越近,受影响越大。随着同一地区内企业密集度的增大和企业电气设备容量的增大,企业间的电压跌落影响有增大的趋势。
2 动态电压调节器
动态电压调节器是用来补偿电压跌落,提高下游敏感性设备供电质量的串联补偿装置,通常它安装在电源与重要负荷的馈电线路之间。它的基本原理结构如图2所示。
上图为动态电压调节器的单相原理结构图。动态电压调节器主要包括三大部分:储能单元、电压补偿发生器单元和控制单元。储能单元具有在电压跌落时为负荷提供有功功率的作用,典型和潜在的储能设备包括:铅酸电池、Na S电池、超级电容、超导储能、飞轮储能等;电压补偿发生器单元,主要有电压源逆变器组成,它将储能单元的能量经直流电容器和逆变器转换后产生动态补偿电压,用以补偿负荷跌落部分电压,其波形的输出是根据控制单元的驱动信号完成的,电压源型全控逆变器VSC的原理结构图如图3所示;控制单元则完成信息的采集、处理、运算及驱动脉冲的产生,用于逆变器输出动态补偿电压波形的控制,该模块一般可用DSP或其它高速数字信号处理微控制器实现。
动态电压调节器的基本工作原理是:在系统发生电压跌落时,瞬时产生动态补偿电压,并将补偿电压叠加到系统电压上,使负载电压保持为标称电压,从而使敏感性设备免受系统电压跌落的影响。动态电压调节器通过控制单元对系统侧电压和负荷侧电压的幅值及相位进行在线检测,并实时地与参考电压进行比较,参考电压是依据日负荷变化造成的电压波动计算得到。当控制单元检测到电压瞬时突变时,动态电压调节器依据系统电压瞬时值、相位、参考电压等,给出逆变器的控制信号,最终输出所需要的补偿电压。同时,控制单元还可以根据输出电压的补偿效果,对补偿强度进行闭环调节。
动态电压调节器良好的动态性能使它成为目前治理供电电压突降问题的最经济、有效的手段。在正常供电状态下,动态电压调节器处于低损耗备用状态,在供电电压发生突变时,它将迅速做出响应,当发生电压跌落时,它可在几毫秒内产生一个与电网同步的三相交流电压,该电压与电网电压相串联,来补偿故障电压与正常电压之差,从而使馈线电压恢复到正常值。动态电压调节器是一种面向负荷的补偿装置,其容量通常取决于负荷的容量和电压跌落的深度,由于它只需补偿系统电压跌落的缺额部分,故其设计容量远小于采用UPS补偿时的设计容量。目前,某些国际知名公司已有兆伏安级的动态电压调节器装置投入运行,它们在保证大型敏感工业用户的电能质量方面取得了显著的成效。
3 动态电压调节器特性分析
3.1 动态电压调节器的容量与负荷容量关系
动态电压调节器等效电路模型见图4,它的负荷电压为电源电压与补偿电压的向量和。
其中:UL为电压跌落前后负荷端电压向量;Usag为电压跌落时系统电压向量;UC为动态补偿电压向量。
电压跌落前:设电压有效值为UL,相位角为0°,负荷电流有效值为IL,相位滞后电压φ,此时动态电压调节器处于低损耗状态,可忽略其自身电压降,系统侧电压、电流与负荷侧一致。
跌落发生时:系统供电电压幅值变为Usag,相位跳变为φ,理想情况下,通过动态电压调节器的补偿,负荷侧电压、电流的有效值及相位均保持不变,即图4中的IL不变。
负荷吸收的复功率不变:
电源发出的复功率为:
动态电压调节器提供的复功率为两功率之差:
1)设跌落时系统电压相位不发生跳变,φ=0°,由此:
式(5)说明,在不计相位跳变时,动态电压调节器的容量与负载的容量及电压暂降幅度有关。
2)考虑相位跳变时,动态电压调节器容量为:
从式(6)和式(5)容易发现,当发生相位跳变的时候,动态电压调节器的容量要比不发生相位跳变时大的多。这显然不符合动态电压调节器的设计原则,通常的做法是,在相位的跳变不影响负荷正常运行的情况下,要及时将负荷电压补偿到额定值,从而降低对动态电压调节器容量的要求。
3.2 动态电压调节器容量与系统电压的关系
动态电压调节器动态补偿电压包括两部分,一部分是储能装置的有功补偿,另一部分来自逆变器的无功补偿。理想情况下,应用动态电压调节器后,负荷端电压在电压跌落前后保持一致,端电压仍为UL。储能装置目前还没有获得大规模应用,在不计动态电压调节器有功补偿对电压的改善下,即只考虑动态电压调节器无功补偿时,动态电压调节器提供的动态补偿电压UC与负荷电流IL垂直,如图5所示。
UL、IL和φ在电压改善前后都没有变化,UC随着Usag的变化而变化,这两个量受系统电压跌落深度的变化而变化。两者之间的关系为:
令d Usag/d UC=0得Usag的最小值为:Umin,sag=ULcosφ(当UC=ULsinφ时)。(7)式说明Umin,sag是动态电压调节器能将负荷端电压补偿回正常电压的最低极限。反之,如果动态电压调节器工作在无功补偿模式下,当系统电压跌落过多,致使Usag
据统计,大多数情况下电压跌落幅度不大于30%[4],因此可以将电压跌落30%额定电压作为衡量动态电压调节器装置容量是否满足要求的标准。当Usag跌落至30%额定电压的时候,要使动态电压调节器容量满足负荷需求,则要求Usag=70%UL≥ULcosφ,即:
此时,动态电压调节器需要提供的补偿电压为:,UC是φ的单调函数,可计算得:Umax,C≈0.71UL。
由(8)式可知:如果用户功率因数大于0.7,当系统电压跌落至70%额定电压值以下时,不管动态电压调节器输出电压为多少,均不能将负荷端电压补偿回跌落前的电压水平。而如果用户功率因数不大于0.7,则系统电压发生30%额定电压值跌落时,动态电压调节器总可以通过输出一个不大于Umax,C的电压将用户侧电压补偿回正常的电压,将用户电压补偿回正常水平。
4 技术特性及改进措施
动态电压调节器电压补偿能力取决于其容量的大小。其补偿容量包含两部分内容:逆变器主回路无功补偿容量和储能设备有功补偿容量,两者结合起来考虑才能获得技术上和经济上比较合理的方案。然而就目前储能技术的发展水平而言,经济实用、方便可靠的大容量储能技术还未真正获得大规模应用,这就限制了动态电压调节器的应用范围。事实上,设立动态电压调节器的目的在于补偿供电系统电压的跌落,而当系统电压跌落发生时,通常还有一部分残压存在(一般电压跌落幅度在30%额定电压范围之内),可以利用这部分电压为逆变器提供能量,这样就不必采用储能单元,可降低系统造价。另外,考虑当动态电压调节器自身出现故障的情况下而不影响负荷的正常工作,需要在控制模块引入继电保护装置,同时在系统当中设置多模式工作开关,当电压跌落发生后,动态电压调节器又不能投入使用时,考虑将系统接至其它电源。应用整流器及保护措施后动态电压调节器基本电路结构如图6所示。
据以上分析,新型动态电压调节器应具备以下技术特性:(1)损耗小,效率高。正常工作情况下,利用电力电子器件使动态电压调节器处于旁路状态,既大大降低了运行损耗,达到节能的目的,又使装置随时处于准备补偿的热备用状态。(2)可靠性高。动态电压调节器要保护的多为重要负荷,新型动态电压调节器引入继电保护装置后,当动态电压调节器自身出现故障时系统可自动接入备用电源。(3)补偿能力强。动态电压调节器通过整流器直接从供电系统引入直流电能,解决了传统动态电压调节器需要配备储能单元来解决有功补偿的问题,提高了动态电压调节器的补偿能力。(4)技术性能好。动态电压调节器采用先进的检测算法,响应速度快,从电压暂降发生到开始补偿的时间不超过5 ms。(5)免维护。动态电压调节器使用直流电容器进行稳压,摒弃了传统的电池元件,减少了维护费用和工作量,装置体积也相对较小。
摘要：随着各种敏感性设备在电力系统中的大量投入使用,电压跌落成为人们最为关注的影响设备正常工作的电能质量问题。配电系统电压跌落时,动态电压调节器可以维持敏感性设备的电压稳定。给出了动态电压调节器的电路结构以及其改善电压跌落的基本工作原理,论述了动态电压调节器的动态特性,并结合这些特性对其可靠性提出了一些改进措施。
关键词：电压跌落,电能质量,动态电压调节器
参考文献
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配电网电压跌落检测技术的研究 篇5
随着我国工业生产的自动化水平不断提高, 敏感设备 (如计算机、可编程控制器等自动化设备) 在电力负荷中所占比重逐渐增多。这类负荷对电压的短时间突变 (本文简称为电压跌落) 非常敏感, 电压的突然跌落将大大影响其工作状况。为了保证敏感负荷的正常工作, 对配电网的电压质量提出了更高要求。
配电网电压跌落是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围, 经很短时间后又恢复到正常水平的现象。为了减少配电网电压跌落的影响, 供电方要提供给用户高质量的电压;设备制造厂家要降低设备对电压跌落的“敏感度”, 即提高设备对电压跌落的“免疫力”。在生产实践中常采用动态不间断电源 (DUPS) 、静止开关切换 (STS) 等抑制电压跌落影响的装置。本文主要讨论动态电压恢复器 (DVR) 对配电网电压跌落进行补偿的技术。
1 动态电压恢复器 (DVR) 的基本结构
配电网动态电压恢复器 (DVR) 是对电压进行补偿的电力电子装置, 在抑制电压跌落及补偿方面具有经济性、快速性、可靠性等优势。发生电压跌落时, DVR能在5ms内瞬间做出反应, 进行快速补偿 (1) 。
DVR (图中虚线部分) 接入系统的方式如图1所示。其主电路包括储能装置、Delta逆变器、滤波器和串联注入变压器四个部分。直流侧储能装置的主要作用是当配电网电压发生跌落时, 为负载提供足够的有功功率。当前比较常用的从网络中引入电压, 将电能储存在电容中来代替传统的蓄电池。Delta逆变器是DVR装置的核心, 它接在电网与负载之间起调节电压源的作用。逆变器产生的电压主要用来补偿用户侧电压的跌落, 保证敏感负载正常运行。
2 动态电压恢复器 (DVR) 的补偿量检测算法
DVR的补偿对象主要是配电网电压的跌落、闪变和谐波等, 故要求其控制系统的响应速度要足够快, 同时对畸变的输入电压应具有很强的抑制作用。因此, 要实现以DVR补偿负载侧电压跌落的目的, 前提是必须快速准确地从含有扰动的电压信号中检测出电压波动的特征量以及电压基波分量。当检测电路检测到负载电压的跌落信号时, 经检测算法变换后生成电压补偿指令对Delta逆变器进行控制, 产生所需要的补偿电压 (2) 。
在有源电力滤波器和无功补偿技术中, 常使用d-q检测算法检测谐波电流。传统的d-q检测算法进行坐标系的变换, 基波和谐波的分离是由低通滤波器来实现的, 由于低通滤波器本身的延时和衰减特性, 在很大程度上影响了算法的检测结果。本文提出改进的d-q算法, 原理如图2所示。
(1) 虚拟三相电压的构造
利用求导法构造虚拟三相电压, 求导的对象是电压跌落发生相的相电压, 通过求导获取该相电压的余弦信号。其余两相电压可以根据对称三相电压的幅值及相位关系而得到。
(2) d-q变换
将构造好的虚拟三相电压ua、ub、uc进行d-q变换, 其中的变换因子矢量为公式 (1) :
(3) 分离直流变量
通过分离出dq坐标下直流分量, 以获得基波正序分量。本文通过求导的方法能够瞬时分离出dq坐标系中的直流分量, 可以很好地满足实时性, 消除分离时延带来的影响。求导分离的公式 (2) :
(4) 确定电压补偿量
分离出来的dq坐标系下的直流分量后, 求得正序基波电压暂降幅值和相位差如公式 (3) 、 (4) :
配电网动态电压恢复器的补偿启动取决于求得的Usag和α与额定的正序基波电压有效值和允许的相位差相比较结果。如果需要补偿, 则依据补偿策略, 通过DVR装置对电压跌落进行补偿。
3 结语
通过仿真实验, 验证了本文提出的基于dq变换的配电网动态电压恢复器的改进算法, 该算法可以快速准确地检测出电压暂降的幅度和相角跳变, 具有很好的实时性和较高的检测精度, 能够很好地满足DVR装置对电压暂降检测的需要, 以保证装置进行精确的电压补偿。
参考文献
[1]肖小兵等.基于配电网电压跌落的DVR研究[D].电气开关, 2011, 3.
电网电压跌落 篇6
1 电压跌落检测方法简述
按照扰动特征量提取方法的差异, 动态电压波动检测方法可以分为:峰值电压法、基波分量法、小波变换法、基于瞬时无功功率理论的dq0变换方法等, 它们各有特点[3]。
1) 峰值电压法。峰值电压法是通过计算各相电压的每个采样点的斜率, 判定斜率值为零的点为电压峰值点。将该点与参考电压的峰值点进行对比, 即可判定电压跌落是否发生[4]。这种方法的优势是简便、易操作, 可以求得电压跌落的起止时间和幅值。其劣势在于会受到干扰信号的干扰, 而且需要半个周期才能检测到电压跌落的特征量。同时还无法获得突变的相位角。
2) 基波分量法。若想快速测出电压的变化, 可依据电压的对称性对半个周期的电压进行采样, 用该值虚构整个周期的数据序列, 然后进行傅里叶变换, 可以获得基波电压[5]。这种方法在进行计算时需要至少半个周期前的历史数据, 在动态性上不能达到动态电压恢复器的要求, 并且不能明确地反映出跌落的起止时刻及随之而来的相位角跳变。
3) 小波变换法。小波变换具有较好的时频局部特性, 对信号的奇异点非常敏感, 电压跌落的起止时刻与电压信号奇异点一一对应, 所以利用局部极大值表征的特性量, 可以实现对电压跌落起止时刻的准确测量[6]。但是在实际应用中多是依据经验选取小波函数, 还没有成熟的理论体系, 而不当的小波函数会导致检测结果产生误差乃至出现错误。所以该方法实现起来过于复杂。同时该方法不能清楚表达出电压跌落的深度, 使用时需要借助其它方法才能检测出电压跌落的特征量。
4) 基于瞬时无功功率理论的dq0变换检测法。在动态电压检测该方法是较为常用的方法, 由于其不需要历史数据支撑, 避免了传统算法固有的计算延迟问题, 经过dq坐标变换后可以实时获取电压有效值及相角跳变[7]。
2 基于瞬时无功功率理论的dq0变换检测法
将在静止坐标系下的三相电压向量abc变换到d-q旋转坐标系下, 其运算式为:
式中C为旋转变换矩阵。
设扰动前三相电压平衡, 电压幅值为标准值, 扰动后电网可能存在的基波分量和谐波的正序、负序以及零序分量, 则三相电压可分解为:
将式 (2) 带入式 (1) 可得:
由式 (3) 可知, 三相电压abc由静止坐标系变换到d-q旋转坐标系后, 衰减直流分量成为基波分量, 基波分量成为直流分量, n次谐波分量成为n-1次谐波分量。
在电网无谐波无畸变时, 通过d-q变换检测法检测正序电压的有效值, 可以快速准确地检测出电压变换值, 当电网电压的相角发生跳变时, 上述变换中的d轴分量将不再零[8]。
2.1 电压有效值和相位跳变角的确定
正确的电压有效值可以准确判定动态电压恢复器投入运行的时间, 确定相角突变后, 可以依据不同的补偿策略去确定目标函数的相位。三相电压经d-q坐标变换后, 通过低通滤波器可将直流成分提取出来, 可以计算电压跌落的幅值和相位跳变角为:
2.2 目标电压函数的确定
目标电压函数是负荷侧电压经过DVR补偿后要达到的电压量。它是一个三角函数, 幅值为标准相电压幅值, 相位角由电压初始相角、相位跳变角及补偿策略决定。本文采用完全电压补偿。目标电压函数为标准相电压函数, 相角不发生变化, 为跌落前电压相位值。
目标函数确定后, 经过坐标变换, 并将变换的值与系统侧电压经坐标变换后的值相减, 最后经过反变换就可得出需要的电压补偿量。检测原理的框图如图1所示。
3 仿真研究
当故障相电压瞬时下降时, 对其进行仿真分析。首先进行相位角无变化, 在0.04~0.1s电压幅值发生30%跌落的仿真, 结果如图2所示。图2 (a) 为A相电压波形, (b) 为补偿指令电压波形。
然后进行在0.04~0.1s电压幅值发生30%跌落并伴随五次谐波时的仿真, 结果如图3所示。图3 (a) 为A相电压波形, (b) 为补偿指令电压波形。
由仿真结果可得, 该检测方法可准确地检测出电压跌落并生成补偿指令电压。
4 结论
本文分析了几种电压跌落检测方法的原理和优缺点, 说明了采用基波分量法、峰值电压法、小波变换法等会导致检测结果准确度低、实时性差、适应能力不强的特点, 而采用基于瞬时无功功率理论dq0变换法能够快速准确地检测出三相对称电压的幅值和相位值, 在这几种方法中能较好地满足动态电压恢复器装置对检测结果的要求。然后分析了改进的d-q检测方法, 给出了电压跌落幅值和相角跳变的检测原理及其仿真, 并说明了目标电压函数的确定及检测原理。最后, 给出了改进的d-q检测方法的仿真模型, 仿真结果表明该检测方法能有效检测电压跌落。
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电网电压跌落 篇7
1 常规的检测算法
1.1 d q坐标变换检测算法[4]
令系统三相电压uabc为：
式(2)三相电压uabc经dq变换后：
由于三相测量电压中还包含谐波分量和测量误差，常将式(4)通过低通滤波器(LPF)，如图1所示。理论上dq坐标变换检测算法的判断量为：
1.2 基于αβ坐标变换检测算法
文献[5]提出一种只基于αβ坐标变换的检测算法，通过电压的α、β分量构造同步旋转坐标变换，模拟d q变换检测算法，并可省去锁相环节和三角函数计算。将dq变换矩阵P可分解为
式中：θ=ωt。故uabc可分2次变换：
同步旋转角θ可用电压矢量uαβ表示：
将式(11)代入式(10)，同步电压矢量udq为：
将式(12)代入式(4)，得
式(13)与式(4)相同，即基于αβ坐标变换的检测算法与dq变换检测算法等效，其检测原理如图3。理论上αβ坐标变换检测算法的判断量为：
1.3 带陷波器的d q坐标变换检测算法
观察式(3)，三相不对称电压的正序基频分量转换成直流量，而基频负序分量转换成2次分量。为分离基波正序分量，可采用陷波器(Notch)，其传递函数为：
式中：ω0为陷波角频率，设为2ωf(ωf为基频角频率);ζ为阻尼比。带陷波器的d q坐标变换检测算法如图4所示。理论上该算法的判断量为：
2 基于正负序双旋转坐标变换检测算法
传统dq坐标变换是正序同步旋转坐标变换，考虑构造负序同步旋转坐标变换，将-θ代入式(8)，则：
将uαβ通过上述负序同步旋转坐标变换，得
式中：ud N,uq N为三相电压在负序同步坐标下的d、q分量。正负序双同步旋转坐标变换检测算法如图5所示。理论上该算法的判断量为：
3 仿真分析与比较
利用PSCAD通过单相接地短路对传统d q变换算法和αβ变换算法的检测性能进行仿真比较。仿真中设定三相380 V系统中a相0.2 s时发生接地短路，仿真波形如图6所示。
图6中：Ua,Ub和Uc为三相电压;Vd q,Vαβ，VP,VP-N分别为d q坐标变换，αβ坐标变换，带陷波器d q坐标变换和正负序双同步旋转坐标变换四类检测算法的检测量;VN为负序同步旋转坐标变换检测到的负序分量;Vref为判跌门限，三相系统中设为0.38×90%=0.342 kV;F_trig为故障发生逻辑，Detect_d q,Detect_αβ，Detect_P,Detect_P-N分别为上述4类检测算法的检测逻辑，0表示未发生或未检测到，1表示发生或检测到。
不同故障情况下各类检测算法仿真结果如表1所示，仿真结果由电压跌落检测时间和稳态值2部分组成，单位分别为ms和kV。由于αβ坐标变换和d q坐标变换的检测性能极为相似，故将其数据列为一类。
4 结束语
正负序双同步旋转坐标变换算法，通过构造一个由正序和负序2个分量构成的检测量，当发生各类对称故障时，所构成的检测量具有更快的下降速度，并且普遍适用于各类故障情况。因此，具有较常规的dq变换检测算法更快的检测速度。
摘要：电压跌落的快速准确检测对于电能质量的监测与治理具有重要意义。通过进行正序和负序的同步旋转坐标变换,构造一个由正序和负序2个分量构成的检测量,用于电压跌落的检测。5种情况下的跌落检测仿真均验证了该算法的有效性,并且较其他算法具有更高的检测精度和更快的检测速度。
关键词：电压跌落,dq变换,αβ变换,正负序双同步旋转坐标变换
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电网电压跌落 篇8
能源危机与环境问题的日益严重促使新能源发电系统容量不断升高,其对电力系统的影响逐渐受到研究者的关注。目前,电网要求新能源发电设备具备低电压穿越能力[1,2,3],即电网发生电压跌落后,新能源发电设备应在一段时间内保持与电网的连接,并根据跌落深度提供无功支撑。新能源发电系统在电网正常时进行最大功率点跟踪(MPPT)控制,而在电网异常时优先向电网提供无功支撑,二者控制策略不同。快速电压跌落深度检测有利于控制系统在2种控制策略间切换,因而电压跌落深度检测是设备按要求实现低电压穿越功能的技术基础。此外,电压峰值检测也是动态电压恢复器应用中的关键技术[4,5]。
电压峰值检测的方法有很多种,其中多数方法不具备快速性,难以满足应用要求,如有效值计算方法[6]、峰值电压法[7]、基于快速傅里叶变换(FFT)的基波分量法[8]。文献[4]列举了电网在不同暂态过程中的电气特征,分析了其波形的微分与积分特性,并提出根据电压波形的瞬时值、微分值及积分值综合判断电压的扰动类型。该方法能迅速区分文献[4]中列举的暂态扰动,但不易于求取电压峰值的具体数值。基于瞬时无功功率理论的dq0变换方法能快速检测对称三相电压的峰值[9],但不适用于不对称电网及单相系统。同时,国家电网公司企业标准Q/GDW 617—2011要求按照最低相电压或线电压峰值计算电压跌落深度。德国E.on标准则要求按照最高线电压峰值计算电压跌落深度。因此,电压跌落深度检测算法应能够单独检测出每个相电压及线电压的跌落深度。为扩展基于瞬时无功功率理论的dq0 变换方法,使其适用于单相系统下的应用,文献[10]提出将单相瞬时电压延时90°构建虚拟αβ系统,再转换到dq旋转坐标系中利用dq0变换方法来求取电压峰值。由于数据通过延时90°获得,实时性不够好。类似地,文献[8]介绍了一种通过延时60°来构建虚拟的三相系统的检测方法,在一定程度上减少了检测时间。为进一步减小检测时间,文献[5,11,12]提出通过电压检测值求导来获得超前90°的电压信息,该方法可理解为通过延时1个采样周期构建虚拟αβ系统。延时拍数的减小能改善检测算法的快速性,但同时会影响检测算法在畸变电压下的检测精度,上述文献未比较分析延时拍数的减小对检测精度的影响。此外,上述文献均未定量分析电网频率偏移对检测精度的影响。
本文给出了一种统一的基于延时的峰值检测算法,通过改变延时拍数n,可与上述3种检测方法获得类似的性能;比较了延时拍数的变化对检测算法快速性与精确性的影响。通过优化选择延时拍数,在检测算法的快速性与精确性之间权衡折中,可以使检测算法适用于不同的应用场合。仿真与实验结果验证了文中推导的结论。
1 含分布式电源的配电网模型
1.1 检测算法
检测算法的示意图如图1所示。
对任意已知角频率的正弦波,任意时刻其采样值可表示为:
X1=v(t0)=Vmcos(ωt0+θ) (1)
除角频率ω以外,式(1)中电压峰值Vm及相位θ均为未知量。在此之前Δt时刻的采样值为:
X2=v(t0-Δt)=Vmcos(ωt0-ωΔt+θ) (2)
在sin ωΔt≠0的条件下,将式(1)代入到式(2)中,有
因此,
在数字控制系统中,Δt可从定时器模块直接获得,将Δt选取为采样周期的整数倍,则X1和X2即为不同时刻的2次采样值。
假设采样频率为fs,采样周期Ts=1/fs,X1和X2的采样时间差为n倍采样周期,则式(4)在数字控制系统中可表示为:
假设载波比为M(M=fs/50),在保证sin ωnTs≠0的前提下,延时拍数n可从1～M中任意取值,其取值大小决定了峰值检测所需的最短时间。当电网频率为50 Hz时,ωnTs可直接转换为角度值,即
则式(5)可表示为:
1)若延时拍数n=1,检测算法仅需1个采样周期即可正确检测出电压峰值,当采样频率为18 kHz时,所需时间为55.5 μs,与求导检测算法所需时间相同。
2)若n=M/6,即2次采样间的相角差为60°,50 Hz的工频电压检测能在3.33 ms 内完成,所需时间与延时60°构建虚拟三相系统的检测算法所需时间相同。
3)若n=M/4,即2次采样间的相角差为90°,50 Hz的工频电压检测能在5 ms 内完成,所需时间与构建αβ静止坐标系再转换到dq坐标系的检测算法所需时间相同。
4)n取其他值时,可在相应时间内检测出电压峰值。
求取电压峰值后,依照式(8)计算电压跌落深度η为:
式中:Vnorm为额定电压峰值;Vpeak为当前电压峰值。
1.2 检测算法的快速性与精确性分析
延时拍数n越大,2次采样间的相角差越大,所需的检测时间越长。在标准正弦波形下,任意延时拍数下检测算法均能精确检测出电压峰值,但在频率偏移及畸变条件下检测结果存在误差,以下分别分析频率偏移及谐波条件下检测算法在不同延时拍数n下的检测精度。
1.2.1 频率偏移条件下检测算法的检测精度
电网频率可能在49.5～50.5 Hz之间波动,故障状态下频率偏移量可能更大,当电网频率改变时,若保持采样频率不变,则2次采样间的角度差并不满足式(6),假设电网角频率为ω′,则延时拍数为n时,2次采样角度差为:
此时真实的电压峰值应为:
在新的电网频率下,2次的采样值分别满足:
由于检测算法误以为电网频率恒定,仍然按照式(7)计算电压峰值,将式(11)代入式(7)中得到频率偏移下的检测结果为:
将检测误差定义为:
根据式(13)计算得到的检测误差随当前相位θ的变化而变化,为有效评估某一延时拍数及频率下的检测精度,需考察θ在(0,2π)间变化时的最大检测误差。假设采样频率为18 kHz(载波比M为360),在MATLAB中仿真分析延时拍数在0～135之间变化且电网频率在49～51 Hz之间变化时的最大检测误差,仿真结果如图2所示。图中,λ为延时时间与开关周期的比值。
从仿真结果可以看出:电网频率偏移量越大,检测误差越大。当延时拍数n小于M/4时,延时拍数越大,检测误差越小,但检测误差变化不明显;当延时拍数大于M/4时,检测误差随延时拍数的增加而显著增加。考虑到增加延时拍数的同时会降低检测算法的快速性,工程应用中延时拍数不宜大于M/4。
若对检测精度要求很高,可以考虑增加频率自适应算法消除频率偏移对检测精度的影响。比较式(10)和式(7)可知,电网频率发生偏移时,若将新的电网角频率ω′引入计算公式中,依式(10)可计算出准确的电压幅值信息,使检测算法不受电网频率偏移的影响。为了实现过/欠频保护,频率检测在并网逆变器中必不可少,只需将频率检测得到的频率信息经滤波后引入式(10)即可。
1.2.2 谐波条件下检测算法的检测精度
实际电网中存在丰富的谐波成分,谐波的存在也会导致检测结果不准确。类似于频率偏移下的分析,电压中存在谐波时,2次的采样值分别为:
式中:hn为谐波次数;Vnm为各次谐波的峰值;ψn为各次谐波的初相角。
将式(14)代入式(7)中,可类似地推导出电网含谐波条件下的检测误差。显然,畸变电网下的检测误差与谐波含量、谐波初相角、延时拍数n及当前相位均有关。
以3次谐波为例,首先考察3次谐波含量为3%的条件下,谐波初相角与延时拍数n的变化对最大检测误差的影响,仿真结果如图3所示。
检测误差随谐波初相角变化而周期变化,但差别并不明显,例如延时拍数为1时,检测误差在7.9%～9.0%之间变化。另一方面,当延时拍数小于M/4时,延时拍数越大,检测误差越小,当延时拍数大于M/4时则相反。
由于电网中谐波的初相角未知,考察算法性能时,需考察最恶劣情况:利用MATLAB分析3次谐波初相角为0,谐波含量在0～3%之间变化,延时拍数在1～179之间变化时的最大检测误差,仿真结果如图4所示。
从仿真结果可以看出:谐波含量越大,检测误差越大;当延时拍数n小于M/4时,延时拍数越大,检测算法的检测误差越小,而延时拍数大于M/4时,检测误差反而随延时拍数的增加而不断增加。此外,当3次谐波含量为3%,延时拍数在1～M/4间变化时,检测误差在3%～9%之间变化。
类似地可以分析其他各次谐波含量及初相角对检测精度的影响,大量仿真结果表明,延时拍数为M/4时,检测结果精度最高。
实际系统中可能并不需要严格准确的检测结果,例如在低电压穿越实现过程中,可以以电压每跌落10%调整系统的输出指令,因而检测误差小于10%时可认为精度满足要求。在对检测精度要求较高的应用场合,若选择延时拍数为M/4仍不能满足精度要求,可以通过增加滤波器来减小谐波对检测精度的影响,例如截止频率为100 Hz的二阶Butterworth滤波器,但滤波器的引入会进一步降低检测算法的检测速度。
1.3 延时拍数n的选取
延时拍数n的优化选择需要综合考虑检测的快速性和精确性。延时拍数对检测速度和精度的影响如下。
1)延时拍数越大,则用于计算电压峰值的2次检测间的时间间隔越长,即从电网发生电压跌落到系统检测出电压跌落所需的时间越长。因而,延时拍数越大,检测时间越长,检测的快速性越差。
2)检测误差与延时拍数有关,大量仿真结果表明,延时拍数为M/4时,检测误差最小;延时拍数为1时,检测误差最大。
3)延时拍数n的取值大于M/4时,检测速度与精度相比于n取M/4时均不存在优势,因而n不宜取大于M/4的值,而应在1～M/4中,根据电网强弱进行合理选择。
1.4 检测算法的运算时间分析
式(7)为检测算法的核心计算公式,由于对某一确定的系统,延时拍数n及载波比M均为常数,故cos(2nπ/M)和sin(2nπ/M)也均为常数。因而式(7)中包含3次乘法运算、1次加法运算、1次除法运算和1次开方运算。将1/sin(2nπ/M)的值存为一个常数,可使占用计算资源较多的除法运算转化成资源占用更少的乘法运算,减少运算时间。
若增加频率自适应算法,则峰值检测计算公式为式(10),为了避免由数字信号处理器(DSP)完成正弦值的求取,可将1/sin(2nπω′/(Mω))及cos(2nπω′/(Mω))在不同电网频率下的值设计为一个数据表,DSP通过查表获得所需数值,避免增加正弦量的求取运算,数据表计算公式为:
式中:Y1和Y2为依据式(10)计算电压峰值所需要的2个中间变量;freal为实际电网频率;fnorm为50 Hz。
制作数据表时freal的变化区间应大于电网可能的变化区间,如选择48～52 Hz。
综上所述,检测算法的计算时间即为4次乘法运算、1次加法运算和1次开方运算所需时间。
此外,文中所给滤波算法同样需消耗一定的计算时间,读者可根据应用需求考虑是否增加滤波算法或采用其他滤波算法。
2 仿真与实验验证
以单相电压跌落检测为例,利用MATLAB仿真验证不同延时拍数对检测性能的影响。为进一步验证本文所述检测算法在工程应用中的可行性,在基于DSP 28335的控制系统上验证增加滤波器算法后的实验结果。仿真与实验中的采样频率均为18 kHz,即载波比M为360。
2.1 仿真验证
1)仿真1:
理想电网。检测算法中不含频率自适应算法,不含滤波器;电压在0.04 s跌落到20%额定电压,在0.051 s恢复至额定值。
仿真结果如图5所示,延时拍数分别为1,M/12,M/4时,正确检测到电压峰值所需时间分别为55.5 μs,1.67 ms和5 ms。若以80%额定电压为电压跌落的判断阈值,则判断电压跌落所需时间分别为55.5 μs,0.4 ms和2.1 ms。选取延时拍数越大,检测所需时间越长。
2)仿真2:
频率偏移下的检测结果。电网频率从0.06 s开始以1 Hz/s的速度变化,检测算法中增加频率自适应算法前后的仿真结果分别如图6(a)和图6(b)所示。
从图中可以看出,检测误差随当前相位的变化而变化,需考察同一频率下的最大检测误差。仿真中延时拍数均不大于M/4,延时拍数越大,最大检测误差越小。
不增加频率自适应算法时,随着频率偏移量的增加,检测误差越来越大,增加频率自适应算法后,检测误差则不随频率偏移量的增加而增大。频率自适应算法能有效减小因频率偏移而引入的检测误差,且无需额外增加检测时间。
3)仿真3:
谐波对检测精度的影响。电网频率为50 Hz,包含3%的3次谐波、5%的5次谐波及2%的7次谐波。
图7(a)为电压波形,图7(b)为检测结果。从检测结果可以看出,当延时拍数为1时,最大检测误差大于20%,可能引起电压跌落的误判。而延时拍数为M/4时,检测误差小得多。随着谐波含量的进一步增加,延时拍数为M/4时检测精度可能仍不满足要求,此时需要增加滤波器算法。
2.2 实验验证
实验条件:利用信号发生器模拟3,5,7次谐波含量分别为2%,3%和5%,频率为50 Hz的畸变电网。在DSP 28335中利用本文算法检测电压峰值后,将检测结果数据绘制成图。实验中采样频率为18 kHz(即每周期360点),并采用了截止频率为100 Hz的二阶Butterworth滤波器,测试了延时拍数分别为1,M/12,M/4的检测结果。实验结果如图8所示,图中包含被检波形和不同延时拍数的检测结果。从实验结果中可以看出:①发生电压跌落后,检测算法能在较短的时间内检测到电压跌落,且延时拍数越小,检测进入稳态所需时间越短;②延时拍数为1时,检测误差最大,延时拍数为M/4时,检测误差最小。上述结论与分析结果相符。
3 结论
本文给出了一种通用的电压跌落深度检测算法,通过改变延时拍数n,可灵活地实现检测算法快速性与精确性之间的折中。本文所作分析同样适用于对电压骤升的检测。主要结论如下。
1)延时拍数n越大,检测算法的快速性越差,检测所需时间越长。
2)电网频率偏移或/且含谐波时,检测误差与延时拍数n有关。n=1时检测误差最大,n=M/4时检测误差最小。
值得注意的是,电网的谐波特性可能随时间、地域的变化而大幅度变化,延时拍数n应结合并网点电网强弱进行优化选择,如何根据电网强弱定量选取延时拍数n值得深入分析。
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