用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测算法

摘要

本发明提供用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测算法。该算法通过递归的滑动窗口离散傅里叶变换检测电网电压的基波正序和负序分量，计算实际电网电压的偏移量，并与设定的阀值相比较，进而判断出电网电压是否发生跌落。该检测算法具有较好的快速性，且对电网电压谐波具有较强的抵抗能力。从检测结果中可知，本发明可以快速检测对称电网电压跌落和不对称电网电压跌落，且不易受谐波的影响。

说明书

【技术领域】

本发明涉及动态电压恢复器研究领域，特别涉及动态电压恢复器的 电网电压跌落检测算法。

【背景技术】

动态电压恢复器（DVR）可以有效保护敏感负载不受电网电压跌落 的影响，广泛应用于工业现场电网故障保护。离线式DVR仅在电网电 压跌落发生时投入运行，电网正常时处于旁路状态，以减小系统的损耗。 DVR的投入和切出由电压跌落检测算法控制。因此，电压跌落检测算法 是DVR控制系统中的重要组成部分之一，它直接决定着DVR的动态响 应性能。

近年来，有学者提出利用动态电压恢复器实现双馈风力发电系统的 低电压穿越，以满足电网并网标准所提出的要求。通常风力发电系统所 处地域较为偏僻，多接入弱电网，因此风电场端口电压正常情况下波动 幅度较大，且可能存在较大电压谐波。在采用DVR实现风力发电系统 低电压穿越的应用中，电网电压幅度的波动以及电压谐波对DVR控制 系统尤其是电网电压跌落检测部分提出了较高的要求，快速准确检测跌 落的发生，且尽量避免DVR的误投入。通过检索文献发现，现有文献 中多关注于DVR的控制和补偿方法，以实现风力发电系统的低电压穿 越，而对这种应用场合下的电网电压跌落检测算法研究较少。

现有的电网电压跌落检测算法主要应用于保护敏感负载的应用场 合。根据DVR控制性能要求，电压跌落检测算法应满足快速性，抗扰 性，准确性和完备性四个方面的要求。不少学者对电压跌落的检测进行 了研究，提出了相应的检测算法。按照相数，可以将现有检测方法分为 基于单相的检测算法和基于三相的检测算法。基于单相的检测算法，通 过检测单相电压的幅值（或者有效值、峰值）是否低于90%额定值来判 断电压是否跌落。不同的单相检测算法在单相电压幅值的计算方法上不 同，比如有效值法，DFT分析，两点或多点法，以及构造虚拟电压法， 其中以构造虚拟电压法响应快速性及抗扰性最好，但在电压谐波含量较 大的情况下，快速性和抗扰性之间存在较大矛盾。基于三相的检测算法， 不同方法判断电压跌落的检测判据存在差异。基于正序分量幅度的检测 方法仅检测三相电压正序分量幅度是否低于90%额定值，该方法通过低 通和陷波滤波器计算正序分量，响应速度有限但其抗扰性较好。对于不 对称电压跌落，该方法存在检测盲区的问题。另外一种方法为电网电压 相位跟踪法，其检测判据为实际电压DQ分量偏离其参考值的程度。该 方法通过判断瞬时偏离量的有效值是否大于预先设定的阀值以检测电压 跌落。该检测判据综合考虑了三相电压正序和负序分量的影响，但它与 正序和负序分量的关系是非线性的。

以下给出检索的相关文献：

[1]Chris Fitzer,Mike Barnes,and Peter Green,"Voltage sag detection  technique for a dynamic voltage restorer,"IEEE Trans on Industry Applicat, vol.40,no.1,pp.203-212,Jan/Feb2004.

[2]Huang Xinming.＂Load voltage regulation by series and unified  power quality controller＂,Ph.D.Dissertation,Xi’an Jiaotong University, 2009.

[3]A.Teke K.Bayindir M.Tümay.Sag/swell detection method for  fuzzy logic controlled dynamic voltage restorer.IET Gener.Transm.Distrib., vol.4,iss.1,pp.1–12,2010.

[4]Po-Tai Cheng,Chian-Chung Huang,Chun-Chiang Pan et.al"Design  and Implementation of a Series Voltage Sag Compensator Under Practical  Utility Conditions,"IEEE Trans.Ind.Applicat.,vol.39,pp.844–853, May/June.2003.

【发明内容】

针对上述现有方法中存在的不足之处，本发明的目的在于提出一种 适用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测算法。该检测算法能够快速 准确地检测电网电压跌落，且对电网电压谐波在不影响检测响应性能的 基础上具有很好的抵抗能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

适用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测算法，包括以下步骤：

步骤一，通过软件锁相环，实时检测跟踪三相电网电压信号V_abc的 基波正序相位θ；

步骤二，通过旋转坐标变换，将三相电压信号V_abc由abc静止坐标 系转换到dq旋转坐标系下，得到dq电压信号和

步骤三，采用滑动窗口为10ms的递归离散傅里叶变换方法，分别 分析和的直流分量幅度和2倍频交流分量幅度，由信号分析可 得基波正序d轴分量和基波负序分量幅度V_N1，由信号分析可得基 波正序q轴分量和基波负序分量幅度V_N2；

步骤四，将步骤三分析得到的和由公式（1）计算得到电网 电压基波正序分量幅度V_P，由V_N1和V_N2代数平均后得到电网电压基波 负序分量幅度V_N；

$V_P=\sqrt{{\left(V_d^{+}\right)}^2+{\left(V_q^{+}\right)}^2}---\left(1\right)$

步骤五，由步骤四计算得到的信号V_P和V_N，由公式（2）计算实际 电网电压的偏移量ΔV；

ΔV=V_P+2V_N    （2）

步骤六，由实际的电网电压偏移量ΔV与设定的阀值相比较，当ΔV 大于设定的阀值时，判定电网电压发生跌落，产生触发信号并锁存软锁 相环；当ΔV小于设定的阀值时，电网电压未发生跌落或已恢复，触发 信号为零。

作为本发明的优选实施例，步骤一中，采用带宽低于50Hz的软锁 相环跟踪三相电网电压的基波正序分量的相位θ。

作为本发明的优选实施例，步骤二中，通过旋转坐标变换，电网电 压基波正序分量变为直流分量，基波负序分量变为2倍频交流分量，其 它次电压谐波变为高频的交流分量。

本发明具有以下有益效果：本发明采用滑动窗口为10ms的递归离 散傅里叶变换方法分析三相电网电压的基波正序和负序分量幅度，在保 证一定快速性的基础上，同时对电网电压谐波具有较强的抵抗能力；本 发明采用结合基波正序和负序分量的线性判据，有效检测任意相电压跌 落低于额定值90%的对称及不对称电压幅度跌落。从仿真结果中可以看 到，本发明能够快速准确的检测各类型电网电压跌落，并对电网电压谐 波扰动有较强的抵抗能力。

【附图说明】

图1为本发明中电网电压跌落检测算法的结构框图；

图2为采用10ms滑动窗口的递归离散傅里叶变换方法计算三相电 网电压的基波正序和负序分量的结果；(a)图为三相电网电压，其在0.06s 发生跌落，持续0.06s后恢复至故障前状态；(b)图为DQ旋转坐标系的 三相电压，DQ电压在不对称电压跌落时存在直流和交流分量；(c)图为 采用10ms滑动窗口的递归离散傅里叶变换方法计算得到的三相电网电 压的基波正序和负序分量。

图3为本发明算法在电网电压对称跌落时的检测过程和结果；(a)图 为三相电网电压，在0.06s时发生三相对称电压跌落，并持续0.06s；(b) 图为采用本算法中的检测判据，计算得到的DQ电压偏差量；(c)图为产 生的触发信号。

图4为本发明算法在电网电压不对称跌落时的检测过程和结果；(a) 图为三相电网电压，在0.06s时发生不对称电压跌落，并持续0.06s；(b) 图为采用本算法中的检测判据，计算得到的DQ电压偏差量；(c)图为产 生的触发信号。

图5为本发明算法在电网电压谐波含量较大时的检测过程和结果； (a)图为含有谐波的三相电网电压，在0.06s时发生不对称电压跌落，并 持续0.06s；(b)图为采用本算法中的检测判据，计算得到的DQ电压偏差 量,同图4(b)对比可知，检测计算结果不受谐波影响；(c)图为产生的触发 信号。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明提出适用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测算法，其结 构框图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，通过软件锁相环，实时检测跟踪三相电网电压信号V_abc的 基波正序相位θ；

步骤二，通过旋转坐标变换，将三相电压信号V_abc由abc静止坐标 系转换到dq旋转坐标系下，得到dq电压信号和

步骤三，采用滑动窗口为10ms的递归离散傅里叶变换方法，分别 分析和的直流分量幅度和2倍频交流分量幅度，由信号分析可 得基波正序d轴分量和基波负序分量幅度V_N1，由信号分析可得基 波正序q轴分量和基波负序分量幅度V_N2；

步骤四，将步骤三分析得到的和由公式（1）计算得到电网 电压基波正序分量幅度V_P，由V_N1和V_N2代数平均后得到电网电压基波 负序分量幅度V_N；

$V_P=\sqrt{{\left(V_d^{+}\right)}^2+{\left(V_q^{+}\right)}^2}---\left(1\right)$

步骤五，由步骤四计算得到的信号V_P和V_N，由公式（2）计算实际 电网电压的偏移量ΔV；

ΔV=V_P+2V_N    （2）

步骤六，由实际的电网电压偏移量ΔV与设定的阀值相比较，当ΔV 大于设定的阀值时，判定电网电压发生跌落，产生触发信号并闭锁软锁 相环；当ΔV小于设定的阀值时，电网电压未发生跌落或已恢复，触发 信号为零。

在本发明的步骤三中，采用滑动窗口为10ms的递归离散傅里叶变换 方法计算三相电网电压的基波正序和负序分量幅度，计算的动态过程和 结果如图2所示，这种方法在保证快速性的同时，对电网电压谐波等扰动 有较强的抵抗抑制能力。以电网电压发生不对称跌落为例，电压跌落后， 在旋转坐标系下，其dq电压分量中包含2倍频的交流分量。采用10ms的 滑动窗口，对dq电压分量进行离散傅里叶变换，计算dq电压信号的直流 分量幅度和2倍频交流分量幅度，必要情况下也可计算其它次谐波分量幅 度。理论上，最大经过10ms的延迟时间，可以得到稳态的正序和负序分 量幅度。

在步骤五中，本发明采用结合基波正序和负序幅度的线性判据，判 断电网电压是否发生跌落，有效检测任意相电压幅度跌落至额定值90% 以下的电网电压跌落故障。

图3所示为本发明在对称电网电压跌落时的检测过程和结果。当电网 电压发生对称跌落时，本发明检测算法计算出的实际电网电压DQ偏移量 ΔV逐渐增大，当ΔV大于设定阀值时，给出触发信号，动态电压恢复器投 入运行，补偿电网电压跌落。

图4所示为本发明在不对称电网电压跌落时的检测过程和结果。当电 网电压发生不对称跌落时，检测过程类似，本发明检测算法计算出的实 际电网电压DQ偏移量ΔV逐渐增大，且不含有交流分量，当ΔV大于设定 阀值时，给出触发信号，动态电压恢复器投入运行，补偿电网电压跌落。

图4所示为本发明在电网电压谐波含量较大时的检测过程和结果。由 于本发明中采用递归的离散傅里叶变换方法计算电网电压的基波正序和 负序分量幅度，电压谐波对稳态的计算结果影响可以忽略，因此本发明 算法对电压谐波有较强的抵抗能力。如图所示，当电网电压中含有谐波 时，检测算法计算出的实际电网电压DQ偏移量ΔV中不含有谐波等波动 分量，当ΔV大于设定阀值时，给出触发信号，动态电压恢复器投入运行， 补偿电网电压跌落。

本发明中给出了一种适用于动态电压恢复器的电网电压跌落检测 算法，并在Matlab/Simulink平台下对该检测算法进行了仿真验证。从仿 真的结果中可以看到，该控制方法能够快速准确地检测电网电压跌落。