一種基于改進(jìn)鎖相環(huán)系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法

1、一種基于改進(jìn)鎖相環(huán)系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法 呂干云, 丁屹峰, 程浩忠(上海交通大學(xué)電氣工程系, 上海 200030) 摘要: 提出了一種基于改進(jìn)鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法。該改進(jìn)PLL系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的相位反饋控制系統(tǒng)，產(chǎn)生的多個(gè)輸出信號(hào)可用于多種電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測，而且對于檢測系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和電力系統(tǒng)頻率的變化是魯棒的。在敘述了它的基本特性以及電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測的基本原理后，重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)對多種電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測的實(shí)現(xiàn)，包括諧波、電壓波動(dòng)、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、過電壓、欠電壓、瞬時(shí)脈沖、低頻、高頻振蕩和無功功率等進(jìn)行檢測和分析，并為此做了大量的計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果證明

2、了結(jié)論的正確性，同時(shí)也表明，該檢測方法具有較好的實(shí)時(shí)性。關(guān)鍵詞: 電能質(zhì)量; 擾動(dòng)檢測; 改進(jìn)的鎖相環(huán)系統(tǒng); 魯棒; 計(jì)算機(jī)仿真Detection Method of Power Quality DisturbanceBased o n an Improved PLL System LU Ganyun, DING Yifeng, CHENG Haozhong(Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong Universit y, Shanghai 200030, China) Abstract: A novel

3、 detection method of power quality disturbance based on an improved phase located loop (PLL) system is brought forward in this paper. The PLL system is a stable phase feedback control system with many useful outputs, and it is robus t to its inner parameters and small change of input's basic fre

4、quency. After des cribing basic characteristics of the system and its detection principle, the rea lizations and effects of detection of many kinds of power quality disturbances, such as harmonics, voltage fluctuations, frequency deviation, sags, swells, over voltage, undervoltage, transient pulse,

5、lowfrequency oscillation, highfr equency oscillation, and reactive power, are analyzed in emphases. The simulatio n results prove the conclusion above, and also show that the detection method is a real time one.Key words: power quality; disturbance detection; improved PL L system; robust; computer s

6、imulations 1前言近年來，電能質(zhì)量問題日益受到電力部門和用戶的重視，電能質(zhì)量的內(nèi)容不僅僅包括傳統(tǒng)的靜態(tài)電能質(zhì)量，如電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)和閃變、電壓偏差、三相不平衡和頻率偏差，還對動(dòng)態(tài)諧波、電壓上升、電壓下跌和瞬時(shí)脈沖等一些動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量提出了新的要求。因此，有必要對電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析，并采用合理的補(bǔ)償措施以提高電能質(zhì)量，為此，電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測是首先要解決的問題。目前，電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測方法主要有兩類，即頻域檢測法和時(shí)域檢測法。頻域檢測法主要有快速傅立葉變換（FFT）法及其改進(jìn)方法1，2、小波變換法35和帶阻濾波器法。時(shí)域檢測法主要有基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法6，7、同步檢測法8和

7、dq變換法9。 這些方法大部分都受電力系統(tǒng)頻率變 化的影響，而且只適合于檢測上述多種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)的其中幾種擾動(dòng)。本文提出一種基于改進(jìn)PLL系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測方法。該方法具有自適應(yīng)性，對檢測系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和電力系統(tǒng)頻率變化有較強(qiáng)的魯棒性，可檢測目前最常見的一系列電能質(zhì)量干擾，而且該方法具有較好的實(shí)時(shí)性，采用Matlab的Simulink得到的仿真結(jié)果證明了結(jié)論的正確性。 2檢測基本原理 本文提出的電能質(zhì)量檢測方法是在改進(jìn)PLL系統(tǒng)基礎(chǔ)上展開的。該改進(jìn)PLL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，和傳統(tǒng)的PLL（如圖2）一樣，它由三個(gè)基本部分組成，即鑒相器phase detection(PD)、環(huán)路濾波器l

8、oop filter(LF)和壓控振蕩器voltagecontroll ed oscillator(VCO)，三部分形成一個(gè)閉環(huán)的相位反饋控制系統(tǒng)。該改進(jìn)PLL與傳統(tǒng)PLL不同的是：傳統(tǒng)PLL的PD環(huán)節(jié)一般由一個(gè)乘法器構(gòu)成，而改進(jìn)PLL系統(tǒng)的PD環(huán)節(jié)，由三個(gè)乘法器、一個(gè)積分器、一個(gè)90°相移器和一個(gè)減法器構(gòu)成；改進(jìn)后的鎖相環(huán)具有多個(gè)有用的輸出信號(hào)，包括基波分量輸出信號(hào)y(t)，基波分量的幅值A(chǔ)(t)、相位(t)和瞬時(shí)角頻率(t)，以及誤差信號(hào)e(t)。它的最大特點(diǎn)是輸出信號(hào)y(t)與外部輸入信號(hào)u(t)的基波分量波形一致，而且兩者是同步的，即它們之間沒有相位差。利用這個(gè)特性，可以將待

9、檢測信號(hào)中理想正弦成分和干擾成分檢測分離出來；另外，利用基波分量的幅值A(chǔ)( t)和瞬時(shí)角頻率(t)，可分別得到待檢測信號(hào)基波幅值和頻率的擾動(dòng)，這就是該P(yáng)LL系統(tǒng)檢測電能質(zhì)量擾動(dòng)的基本原理。該P(yáng)LL系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是它對于檢測系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和輸入信號(hào)頻率的變化是魯棒的，而且該P(yáng)LL系統(tǒng)也是穩(wěn)定的10。從這些系統(tǒng)特性可知，它非常適合于眾多電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測。 3基于改進(jìn)PLL系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測仿真改進(jìn)PLL系統(tǒng)可應(yīng)用于目前最常見的一系列電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測，包括諧波、電壓波動(dòng)、頻率偏差、電壓下跌和電壓上升、過電壓和欠電壓、瞬時(shí)脈沖、低頻振動(dòng)、高頻振動(dòng)以及無功功率的檢測。本節(jié)使用Matlab的

10、Simulink對改進(jìn)PLL系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測進(jìn)行了仿真。為了使仿真結(jié)果圖形更可視化，文中對一些電能質(zhì)量擾動(dòng)作了一定的放大，在進(jìn)行系統(tǒng)頻率偏差檢測仿真時(shí)，取5%系統(tǒng)頻率偏差，電壓下跌檢測仿真時(shí)，取50%電壓下跌幅度，這可能比電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)際存在的電能質(zhì)量擾動(dòng)幅值要大。另外，仿真過程中將系統(tǒng)基本頻率標(biāo)準(zhǔn)化為1 Hz,這些并不影響該改進(jìn)PLL系統(tǒng)同樣適合實(shí)際存在的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測，仿真結(jié)果可以比較 好地估計(jì)改進(jìn)PLL系統(tǒng)對各種電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測性能。3.1諧波檢測諧波是電力系統(tǒng)最常見也是最重要的電能質(zhì)量干擾之一，諧波檢測是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要部分。下面對三種包含諧波的輸入信號(hào)進(jìn)行檢

11、測仿真，包括方波、含5次和7次諧波的輸入信號(hào)以及含3次動(dòng)態(tài)諧波的輸入信號(hào)。檢測的仿真結(jié)果如圖3、4、5所示。   其中，含3次動(dòng)態(tài)諧波的輸入信號(hào)為 它包含20%的固定3次諧波，10%隨時(shí)間波動(dòng)3次諧波，和5%隨機(jī)變化3次諧波。圖3、4、5仿真結(jié)果說明，對上面三種典型的包含諧波的輸入信號(hào)，改進(jìn)PLL系統(tǒng)可有效 地檢測分離出它的基波成分和總諧波失真成分，并且可在5個(gè)周波內(nèi)基本準(zhǔn)確地輸出其值。另外，檢測過程中，當(dāng)系統(tǒng)基本頻率發(fā)生變化時(shí)，該P(yáng)LL系統(tǒng)仍然可有效地檢測出動(dòng)態(tài)諧波。設(shè)含動(dòng)態(tài)諧波的輸入信號(hào)u(t)為 其中：=0.98，表示基本頻率的變動(dòng)。輸入信號(hào)和檢測到的動(dòng)態(tài)諧波的波形如圖6、7所

12、示。   圖6、7仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)基本頻率發(fā)生變化時(shí)，該P(yáng)LL系統(tǒng)仍然可比較有效地檢測出動(dòng)態(tài)諧波，對頻率變化有較強(qiáng)的魯棒性。3.2電力系統(tǒng)頻率偏差檢測利用改進(jìn)PLL系統(tǒng)的基波分量的瞬時(shí)角頻率輸出(t)，經(jīng)過變換(1/2)，可以檢測到供電系統(tǒng)的基本頻率，進(jìn)而得到系統(tǒng)頻率偏差。   其中：a=0.95。檢測的仿真結(jié)果如圖8所示，根據(jù)其輸出的系統(tǒng)基本頻率f(t)，可以得到系統(tǒng)頻率偏差為5%。這個(gè)仿真結(jié)果說明，改進(jìn)PLL系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測出系統(tǒng)頻率偏差值。3.3電壓下跌和電壓上升的檢測利用改進(jìn)PLL系統(tǒng)的基波分量幅值A(chǔ)(t)輸出，得到待檢測信號(hào)基波幅值的擾動(dòng)，不

13、僅可對電壓波動(dòng)進(jìn)行檢測，還可以檢測電壓下跌、電壓上升擾動(dòng)。這里取電壓下跌擾動(dòng)信號(hào)為 即050s時(shí)，電壓正常；5070s時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)50%的電壓下跌，持續(xù)時(shí)間為20個(gè)周波；最后電壓恢復(fù)正常。取電壓上升擾動(dòng)信號(hào)為 即050s時(shí)，電壓正常；5070s時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)30%的電壓上升，持續(xù)時(shí)間為20個(gè)周波；最后電壓恢復(fù)正常。采用改進(jìn)PLL系統(tǒng)進(jìn)行檢測，檢測的仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)PLL系統(tǒng)可瞬時(shí)檢測到電壓上升和電壓下跌擾動(dòng)的發(fā)生，并且可以在5個(gè)周波內(nèi)檢測輸出這種擾動(dòng)的準(zhǔn)確值，即改進(jìn)PLL系統(tǒng)可以有效地檢測持續(xù)時(shí)間為5周波以上的電壓上升和電壓下跌擾動(dòng)。上面3.1、3.2、3.3節(jié)的仿

14、真結(jié)果表明，該改進(jìn)PLL系統(tǒng)可有效地檢測諧波、電力系統(tǒng)頻率偏差、電壓下跌和電壓上升。實(shí)際上，類似的仿真實(shí)驗(yàn)已證明，根據(jù)同樣的檢測原理，該系統(tǒng)還可以有效地檢測電壓波動(dòng)、過電壓和欠電壓、瞬時(shí)脈沖、低頻振動(dòng)、高頻振動(dòng)以及無功功率。 4結(jié)論改進(jìn)鎖相環(huán)系統(tǒng)的特性使它非常適合電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測，基于電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法，可比較準(zhǔn)確地檢測多種電能質(zhì)量擾動(dòng)。包括諧波、電壓波動(dòng)、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、過電壓、欠電壓、瞬時(shí)脈沖、低頻振蕩、高頻振蕩以及無功功率等，而且對于檢測系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)和電力系統(tǒng)頻率變化有較強(qiáng)的魯棒性。另外該方法還具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，這是許多其他檢測方法所無法比擬的，仿真結(jié)

15、果證明了結(jié)論的正確性?；诟倪M(jìn)PLL系統(tǒng)的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法是一種比較理想的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測方法，不僅可用于電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以利用檢測到的各種電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行電力系統(tǒng)故障分析和診斷。另外，改進(jìn)鎖相環(huán)系統(tǒng)的輸出信號(hào)可實(shí)時(shí)地跟蹤外部輸入信號(hào)的基波分量，對于電力系統(tǒng)中非理想波形的電流電壓信號(hào)，該系統(tǒng)可有效地分離出信號(hào)的理想成分，且沒有相位差，這一特性使該系統(tǒng)非常適合于電力有源濾波器參考信號(hào)的獲取，筆者將另文對此進(jìn)行討論。 參考文獻(xiàn)1張伏生，耿中行，葛耀中.電力系統(tǒng)諧波分析的高精度FFT算法J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19(3)：63-662Heydt G T,Fjeld P S,Li

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