一种基于改进锁相环系统的电能质量扰动检测方法

一种基于改进锁相环系统的电能质量扰动检测方法吕干云,丁屹峰,程浩忠(上海交通大学电气工程系,上海200030)摘要:提出了一种基于改进锁相环（PLL）系统的电能质量扰动检测方法。该改进PLL系统是一个稳定的相位反馈控制系统，产生的多个输出信号可用于多种电能质量扰动的检测，而且对于检测系统的内部参数和电力系统频率的变化是鲁棒的。在叙述了它的基本特性以及电能质量扰动检测的基本原理后，重点阐述了该系统对多种电能质量扰动检测的实现，包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌、电压上升、过电压、欠电压、瞬时脉冲、低频、高频振荡和无功功率等进行检测和分析，并为此做了大量的计算机仿真。仿真结果证明了结论的正确性，同时也表明，该检测方法具有较好的实时性。关键词:电能质量;扰动检测;改进的锁相环系统;鲁棒;计算机仿真DetectionMethodofPowerQualityDisturbanceBasedonanImprovedPLLSystemLUGanyun,DINGYifeng,CHENGHaozhong(DepartmentofElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Anoveldetectionmethodofpowerqualitydisturbancebasedonanimprovedphaselocatedloop(PLL)systemisbroughtforwardinthispaper.ThePLLsystemisastablephasefeedbackcontrolsystemwithmanyusefuloutputs,anditisrobusttoitsinnerparametersandsmallchangeofinput'sbasicfrequency.Afterdescribingbasiccharacteristicsofthesystemanditsdetectionprinciple,therealizationsandeffectsofdetectionofmanykindsofpowerqualitydisturbances,suchasharmonics,voltagefluctuations,frequencydeviation,sags,swells,overvoltage,undervoltage,transientpulse,lowfrequencyoscillation,highfrequencyoscillation,andreactivepower,areanalyzedinemphases.Thesimulationresultsprovetheconclusionabove,andalsoshowthatthedetectionmethodisarealtimeone.Keywords:powerquality;disturbancedetection;improvedPLLsystem;robust;computersimulations1前言近年来，电能质量问题日益受到电力部门和用户的重视，电能质量的内容不仅仅包括传统的静态电能质量，如电网谐波、电压波动和闪变、电压偏差、三相不平衡和频率偏差，还对动态谐波、电压上升、电压下跌和瞬时脉冲等一些动态电能质量提出了新的要求。因此，有必要对电能质量问题进行分析，并采用合理的补偿措施以提高电能质量，为此，电能质量扰动的检测是首先要解决的问题。目前，电能质量扰动的检测方法主要有两类，即频域检测法和时域检测法。频域检测法主要有快速傅立叶变换（FFT）法及其改进方法［1，2］、小波变换法［3~5］和带阻滤波器法。时域检测法主要有基于瞬时无功功率理论的检测方法［6，7］、同步检测法［8］和dq变换法［9］。这些方法大部分都受电力系统频率变化的影响，而且只适合于检测上述多种静态和动态电能质量扰动的其中几种扰动。本文提出一种基于改进PLL系统的电能质量检测方法。该方法具有自适应性，对检测系统的内部参数和电力系统频率变化有较强的鲁棒性，可检测目前最常见的一系列电能质量干扰，而且该方法具有较好的实时性，采用Matlab的Simulink得到的仿真结果证明了结论的正确性。2检测基本原理本文提出的电能质量检测方法是在改进PLL系统基础上展开的。该改进PLL系统结构如图1所示，和传统的PLL（如图2）一样，它由三个基本部分组成，即鉴相器phasedetection(PD)、环路滤波器loopfilter(LF)和压控振荡器voltagecontrolledoscillator(VCO)，三部分形成一个闭环的相位反馈控制系统。该改进PLL与传统PLL不同的是：传统PLL的PD环节一般由一个乘法器构成，而改进PLL系统的PD环节，由三个乘法器、一个积分器、一个90°相移器和一个减法器构成；改进后的锁相环具有多个有用的输出信号，包括基波分量输出信号y(t)，基波分量的幅值A(t)、相位φ(t)和瞬时角频率ω(t)，以及误差信号e(t)。它的最大特点是输出信号y(t)与外部输入信号u(t)的基波分量波形一致，而且两者是同步的，即它们之间没有相位差。利用这个特性，可以将待检测信号中理想正弦成分和干扰成分检测分离出来；另外，利用基波分量的幅值A(t)和瞬时角频率ω(t)，可分别得到待检测信号基波幅值和频率的扰动，这就是该PLL系统检测电能质量扰动的基本原理。该PLL系统还有一个特点，就是它对于检测系统的内部参数和输入信号频率的变化是鲁棒的，而且该PLL系统也是稳定的［10］。从这些系统特性可知，它非常适合于众多电能质量扰动的检测。3基于改进PLL系统的电能质量扰动检测仿真改进PLL系统可应用于目前最常见的一系列电能质量扰动的检测，包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌和电压上升、过电压和欠电压、瞬时脉冲、低频振动、高频振动以及无功功率的检测。本节使用Matlab的Simulink对改进PLL系统的各种电能质量扰动检测进行了仿真。为了使仿真结果图形更可视化，文中对一些电能质量扰动作了一定的放大，在进行系统频率偏差检测仿真时，取5%系统频率偏差，电压下跌检测仿真时，取50%电压下跌幅度，这可能比电力系统运行过程中实际存在的电能质量扰动幅值要大。另外，仿真过程中将系统基本频率标准化为1Hz,这些并不影响该改进PLL系统同样适合实际存在的电能质量扰动检测，仿真结果可以比较好地估计改进PLL系统对各种电能质量扰动的检测性能。3.1谐波检测谐波是电力系统最常见也是最重要的电能质量干扰之一，谐波检测是电力系统安全运行的重要部分。下面对三种包含谐波的输入信号进行检测仿真，包括方波、含5次和7次谐波的输入信号以及含3次动态谐波的输入信号。检测的仿真结果如图3、4、5所示。其中，含3次动态谐波的输入信号为它包含20%的固定3次谐波，10%随时间波动3次谐波，和5%随机变化3次谐波。图3、4、5仿真结果说明，对上面三种典型的包含谐波的输入信号，改进PLL系统可有效地检测分离出它的基波成分和总谐波失真成分，并且可在5个周波内基本准确地输出其值。另外，检测过程中，当系统基本频率发生变化时，该PLL系统仍然可有效地检测出动态谐波。设含动态谐波的输入信号u(t)为其中：α=0.98，表示基本频率的变动。输入信号和检测到的动态谐波的波形如图6、7所示。图6、7仿真结果显示，系统基本频率发生变化时，该PLL系统仍然可比较有效地检测出动态谐波，对频率变化有较强的鲁棒性。3.2电力系统频率偏差检测利用改进PLL系统的基波分量的瞬时角频率输出(ωt)，经过变换(1/2π)，可以检测到供电系统的基本频率，进而得到系统频率偏差。其中：a=0.95。检测的仿真结果如图8所示，根据其输出的系统基本频率f(t)，可以得到系统频率偏差为5%。这个仿真结果说明，改进PLL系统可以比较准确实时地检测出系统频率偏差值。3.3电压下跌和电压上升的检测利用改进PLL系统的基波分量幅值A(t)输出，得到待检测信号基波幅值的扰动，不仅可对电压波动进行检测，还可以检测电压下跌、电压上升扰动。这里取电压下跌扰动信号为即0~50s时，电压正常；50~70s时，出现一个50%的电压下跌，持续时间为20个周波；最后电压恢复正常。取电压上升扰动信号为即0~50s时，电压正常；50~70s时，出现一个30%的电压上升，持续时间为20个周波；最后电压恢复正常。采用改进PLL系统进行检测，检测的仿真结果如图9、图10所示。仿真结果表明，改进PLL系统可瞬时检测到电压上升和电压下跌扰动的发生，并且可以在5个周波内检测输出这种扰动的准确值，即改进PLL系统可以有效地检测持续时间为5周波以上的电压上升和电压下跌扰动。上面3.1、3.2、3.3节的仿真结果表明，该改进PLL系统可有效地检测谐波、电力系统频率偏差、电压下跌和电压上升。实际上，类似的仿真实验已证明，根据同样的检测原理，该系统还可以有效地检测电压波动、过电压和欠电压、瞬时脉冲、低频振动、高频振动以及无功功率。4结论改进锁相环系统的特性使它非常适合电力系统的电能质量扰动检测，基于电能质量扰动检测方法，可比较准确地检测多种电能质量扰动。包括谐波、电压波动、频率偏差、电压下跌、电压上升、过电压、欠电压、瞬时脉冲、低频振荡、高频振荡以及无功功率等，而且对于检测系统的内部参数和电力系统频率变化有较强的鲁棒性。另外该方法还具有较好的实时性和稳定性，这是许多其他检测方法所无法比拟的，仿真结果证明了结论的正确性。基于改进PLL系统的电能质量扰动检测方法是一种比较理想的电能质量扰动检测方法，不仅可用于电能质量实时监测，还可以利用检测到的各种电能质量扰动信号进行电力系统故障分析和诊断。另外，改进锁相环系统的输出信号可实时地跟踪外部输入信号的基波分量，对于电力系统中非理想波形的电流电压信号，该系统可有效地分离出信号的理想成分，且没有相位差，这一特性使该系统非常适合于电力有源滤波器参考信号的获取，笔者将另文对此进行讨论。参考文献［1］张伏生，耿中行，葛耀中.电力系统谐波分析的高精度FFT算法［J］.中国电机工程学报，1999，19(3)：63-66［2］HeydtGT,FjeldPS,LiuCC,etal.ApplicationsofthewindowedFFTtoelectricpowerqualityassessment［J］.IEEETransonPowerDelivery,1999,14(4):1411-1416［3］PoiggonO,RionalP.Newsignalprocessingtoolsappliedtopowerqualityanalysis［J］.IEEETransonPowerDelivery,1999,14(2):561-566［4］PillayP,BhattacharjeeA.Applicationofwaveletstomodelshorttermpowersystemdisturbance［J］.IEEETransonPowerSystem,1996,11(4):2031-2037［5］SantosoS,PowerEJ,GradyWM.Powerqualitydisturbanceidentificationusingwavelettransformsandartificialneuralnetworks［A］.In:Proceedingofthe1996IEEEIntConfonHarmonicsandQualityofPower(ICHQP)［C］.LasVegasNV,USA:1996.615-618［6］王东平，陈树君，黄继强，等.基于瞬时无功功率理论的谐波检测的DSP实现［J］.北京工业大学学报，2002,28(4)：495-499［7］何益宏，卓放，周新，等.利用瞬时无功功率理论的检测谐波电流方法的改进［J］.电工技术学报，2003,18(1)：87-9