1、一種基于改進鎖相環系統的電能質量擾動檢測方法 呂干云, 丁屹峰, 程浩忠(上海交通大學電氣工程系, 上海 200030) 摘要: 提出了一種基于改進鎖相環（PLL）系統的電能質量擾動檢測方法。該改進PLL系統是一個穩定的相位反饋控制系統，產生的多個輸出信號可用于多種電能質量擾動的檢測，而且對于檢測系統的內部參數和電力系統頻率的變化是魯棒的。在敘述了它的基本特性以及電能質量擾動檢測的基本原理后，重點闡述了該系統對多種電能質量擾動檢測的實現，包括諧波、電壓波動、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、過電壓、欠電壓、瞬時脈沖、低頻、高頻振蕩和無功功率等進行檢測和分析，并為此做了大量的計算機仿真。仿真結果證明

2、了結論的正確性，同時也表明，該檢測方法具有較好的實時性。關鍵詞: 電能質量; 擾動檢測; 改進的鎖相環系統; 魯棒; 計算機仿真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，電能質量問題日益受到電力部門和用戶的重視，電能質量的內容不僅僅包括傳統的靜態電能質量，如電網諧波、電壓波動和閃變、電壓偏差、三相不平衡和頻率偏差，還對動態諧波、電壓上升、電壓下跌和瞬時脈沖等一些動態電能質量提出了新的要求。因此，有必要對電能質量問題進行分析，并采用合理的補償措施以提高電能質量，為此，電能質量擾動的檢測是首先要解決的問題。目前，電能質量擾動的檢測方法主要有兩類，即頻域檢測法和時域檢測法。頻域檢測法主要有快速傅立葉變換（FFT）法及其改進方法1，2、小波變換法35和帶阻濾波器法。時域檢測法主要有基于瞬時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頻率變 化的影響，而且只適合于檢測上述多種靜態和動態電能質量擾動的其中幾種擾動。本文提出一種基于改進PLL系統的電能質量檢測方法。該方法具有自適應性，對檢測系統的內部參數和電力系統頻率變化有較強的魯棒性，可檢測目前最常見的一系列電能質量干擾，而且該方法具有較好的實時性，采用Matlab的Simulink得到的仿真結果證明了結論的正確性。 2檢測基本原理 本文提出的電能質量檢測方法是在改進PLL系統基礎上展開的。該改進PLL系統結構如圖1所示，和傳統的PLL（如圖2）一樣，它由三個基本部分組成，即鑒相器phase detection(PD)、環路濾波器l

8、oop filter(LF)和壓控振蕩器voltagecontroll ed oscillator(VCO)，三部分形成一個閉環的相位反饋控制系統。該改進PLL與傳統PLL不同的是：傳統PLL的PD環節一般由一個乘法器構成，而改進PLL系統的PD環節，由三個乘法器、一個積分器、一個90°相移器和一個減法器構成；改進后的鎖相環具有多個有用的輸出信號，包括基波分量輸出信號y(t)，基波分量的幅值A(t)、相位(t)和瞬時角頻率(t)，以及誤差信號e(t)。它的最大特點是輸出信號y(t)與外部輸入信號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。利用這個特性，可以將待

9、檢測信號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( t)和瞬時角頻率(t)，可分別得到待檢測信號基波幅值和頻率的擾動，這就是該PLL系統檢測電能質量擾動的基本原理。該PLL系統還有一個特點，就是它對于檢測系統的內部參數和輸入信號頻率的變化是魯棒的，而且該PLL系統也是穩定的10。從這些系統特性可知，它非常適合于眾多電能質量擾動的檢測。 3基于改進PLL系統的電能質量擾動檢測仿真改進PLL系統可應用于目前最常見的一系列電能質量擾動的檢測，包括諧波、電壓波動、頻率偏差、電壓下跌和電壓上升、過電壓和欠電壓、瞬時脈沖、低頻振動、高頻振動以及無功功率的檢測。本節使用Matlab的

10、Simulink對改進PLL系統的各種電能質量擾動檢測進行了仿真。為了使仿真結果圖形更可視化，文中對一些電能質量擾動作了一定的放大，在進行系統頻率偏差檢測仿真時，取5%系統頻率偏差，電壓下跌檢測仿真時，取50%電壓下跌幅度，這可能比電力系統運行過程中實際存在的電能質量擾動幅值要大。另外，仿真過程中將系統基本頻率標準化為1 Hz,這些并不影響該改進PLL系統同樣適合實際存在的電能質量擾動檢測，仿真結果可以比較 好地估計改進PLL系統對各種電能質量擾動的檢測性能。3.1諧波檢測諧波是電力系統最常見也是最重要的電能質量干擾之一，諧波檢測是電力系統安全運行的重要部分。下面對三種包含諧波的輸入信號進行檢

11、測仿真，包括方波、含5次和7次諧波的輸入信號以及含3次動態諧波的輸入信號。檢測的仿真結果如圖3、4、5所示。   其中，含3次動態諧波的輸入信號為 它包含20%的固定3次諧波，10%隨時間波動3次諧波，和5%隨機變化3次諧波。圖3、4、5仿真結果說明，對上面三種典型的包含諧波的輸入信號，改進PLL系統可有效 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個周波內基本準確地輸出其值。另外，檢測過程中，當系統基本頻率發生變化時，該PLL系統仍然可有效地檢測出動態諧波。設含動態諧波的輸入信號u(t)為 其中：=0.98，表示基本頻率的變動。輸入信號和檢測到的動態諧波的波形如圖6、7所

12、示。   圖6、7仿真結果顯示，系統基本頻率發生變化時，該PLL系統仍然可比較有效地檢測出動態諧波，對頻率變化有較強的魯棒性。3.2電力系統頻率偏差檢測利用改進PLL系統的基波分量的瞬時角頻率輸出(t)，經過變換(1/2)，可以檢測到供電系統的基本頻率，進而得到系統頻率偏差。   其中：a=0.95。檢測的仿真結果如圖8所示，根據其輸出的系統基本頻率f(t)，可以得到系統頻率偏差為5%。這個仿真結果說明，改進PLL系統可以比較準確實時地檢測出系統頻率偏差值。3.3電壓下跌和電壓上升的檢測利用改進PLL系統的基波分量幅值A(t)輸出，得到待檢測信號基波幅值的擾動，不

13、僅可對電壓波動進行檢測，還可以檢測電壓下跌、電壓上升擾動。這里取電壓下跌擾動信號為 即050s時，電壓正常；5070s時，出現一個50%的電壓下跌，持續時間為20個周波；最后電壓恢復正常。取電壓上升擾動信號為 即050s時，電壓正常；5070s時，出現一個30%的電壓上升，持續時間為20個周波；最后電壓恢復正常。采用改進PLL系統進行檢測，檢測的仿真結果如圖9、圖10所示。仿真結果表明，改進PLL系統可瞬時檢測到電壓上升和電壓下跌擾動的發生，并且可以在5個周波內檢測輸出這種擾動的準確值，即改進PLL系統可以有效地檢測持續時間為5周波以上的電壓上升和電壓下跌擾動。上面3.1、3.2、3.3節的仿

14、真結果表明，該改進PLL系統可有效地檢測諧波、電力系統頻率偏差、電壓下跌和電壓上升。實際上，類似的仿真實驗已證明，根據同樣的檢測原理，該系統還可以有效地檢測電壓波動、過電壓和欠電壓、瞬時脈沖、低頻振動、高頻振動以及無功功率。 4結論改進鎖相環系統的特性使它非常適合電力系統的電能質量擾動檢測，基于電能質量擾動檢測方法，可比較準確地檢測多種電能質量擾動。包括諧波、電壓波動、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、過電壓、欠電壓、瞬時脈沖、低頻振蕩、高頻振蕩以及無功功率等，而且對于檢測系統的內部參數和電力系統頻率變化有較強的魯棒性。另外該方法還具有較好的實時性和穩定性，這是許多其他檢測方法所無法比擬的，仿真結

15、果證明了結論的正確性。基于改進PLL系統的電能質量擾動檢測方法是一種比較理想的電能質量擾動檢測方法，不僅可用于電能質量實時監測，還可以利用檢測到的各種電能質量擾動信號進行電力系統故障分析和診斷。另外，改進鎖相環系統的輸出信號可實時地跟蹤外部輸入信號的基波分量，對于電力系統中非理想波形的電流電壓信號，該系統可有效地分離出信號的理想成分，且沒有相位差，這一特性使該系統非常適合于電力有源濾波器參考信號的獲取，筆者將另文對此進行討論。 參考文獻1張伏生，耿中行，葛耀中.電力系統諧波分析的高精度FFT算法J.中國電機工程學報，1999，19(3)：63-662Heydt G T,Fjeld P S,Li

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