CN101487861B - 电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法 - Google Patents

Abstract

电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，步骤如下：采样获得三相电网电压V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)；检测采样时刻与电网电压同步旋转的电压角度γ(k)；将三相电网电压变换到d-q同步旋转坐标系下V_d(k)、V_q(k)分量；将当前d-q坐标系下的V_d(k)、V_q(k)分量以及上一采样时刻V_d(k-1)、V_q(k-1)分量作为已知量，计算得出当前正序分量的幅值|V₁(k)|及其与d轴夹角θ₁(k)的正余弦值；负序分量幅值|V₂(k)|及其与d轴夹角θ₂(k)的正余弦值，直接用于电压跌落故障后的控制与计算；或根据实际需要将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角运算得到由于电压跌落出现的电压正负序相角变化量

和

本发明算法简单，实时性强，解决了DFT方法带来的复杂运算、算法延时等问题，避免了PLL锁相方式的角度检测误差，保证了电网电压跌落时刻电压相角跳变检测的实时性、准确性；适用范围广、易于工程实现。

Description

电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法

技术领域

本发明涉及一种电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，属于电气控制领域。

背景技术

电压跌落是电网最为常见的故障，有三相对称故障以及单相和两相对地故障、相间故障等非对称故障。电压跌落的深度不等，最低可到零，持续时间为0.5个电网电压周期到数秒。根据电路的基本原理，任一三相交流电压(电流)总可以分解为正序、负序、零序以及其它分量的和。当交流电压或电流三相平衡(即三相的幅值相等、相位互差120°、正方向旋转)时，只含有正序分量；当电网电压发生非对称故障，三相电压不平衡或畸变时，在电压或电流中除正序分量外还将含有负序分量。

研究表明，在电网故障产生过程及电压恢复过程，由于电网电压发生变化，电压相角也将随之出现跳变，即“相角跳变”。一般地，三相交流电压可以表示为

其中，|V₊|表示正序分量幅值，|V_-|表示负序分量幅值，

分别表示电压正序分量和负序分量的初始角度，2πf×t是由常规PLL锁相环方法可以检测得到的电压相角角度。当电压三相对称时，电压只有正序分量，上述表达式第二部分的负序分量为零；当三相电压发生不对称时故障时，电网电压中还包含三相负序分量。如图1给出的是发生对称跌落故障的某一相电压波形，图2为该相电压发生跌落时相角跳变的示意图，图中可见，在0.1s-0.15s跌落期间，电压幅值和电压相角在电压跌落时刻和电压恢复时刻都会发生跳变。因此，三相电压发生对称跌落故障时应实时修正正序电压相角的跳变量，如下例，表示为 表示故障发生过程的正序电压相角跳变量，是故障前与故障中电压相角之间的相角差；当三相电压发生非对称故障时，修正正序电压相角跳变量的同时，还应实时检测出现的负序电压及其相角用于负序分量的检测与抑制控制中，表示负序电压相角。

随着风力发电技术的迅速发展，风力发电装机容量的不断扩大，局部地区风电占电能供应的比例逐渐升高。若像过去那样为保证风电机组的安全，即使电网出现比较轻微的故障，风电机组也要与电网解列，脱离电网，它们就失去了对电网电压的支持能力，这可能导致严重的连锁反应，加剧电网故障。面对这种情况，西欧一些风电占能源供应比例较大的国家已相继制定了新的电网运行准则，提出了低电压穿越(Low Voltage Ride Through——LVRT)标准，对并网风电场提出了强制性要求。即是要求风电场在电网出现电压跌落故障时，须维持一定时间与电网连结而不解列，甚至要求风电场在此过程中能提供无功以支持电网电压的恢复。在我国，电力部门也对风力发电机或者风场提出了一系列的要求。

目前国内外已有许多文献报道了风电机组LVRT方面的研究成果。对于目前比较流行的双馈型风力发电机组而言，由于双馈发电机定子与电网直接相连接，变流器仅能对发电机实施部分控制，并且双馈电机定子电压方程又具有欠阻尼特性，这样在电网电压发生跌落故障时，使双馈电机产生较大的电磁过渡过程。通常情况下，变流器和发电机的控制方法都是基于电机磁链定向或电网电压定向的矢量控制，定向角度精度对控制效果有重要影响。而传统的角度检测定向方法，无法在相角发生跳变时快速跟踪角度的变化，实现相角跳变的实时检测和控制补偿，因此在定向控制的过渡过程中将不可避免的出现较大偏差，无法进行正确地控制，在电网故障恢复过程中也无法实施相应的相角补偿恢复控制；电网电压深度跌落时甚至会造成双馈电机转子回路的过流和过压，使得双馈变流器中的网侧变流器和机侧变流器无法正常运行，最终导致保护性跳机，难以实现发电机组的低电压穿越。对于全功率型风力发电机组，由于采用全功率变流器，使风力发电机与电网之间完全隔离，电网电压跌落故障不会直接影响到发电机本身的运行，而其网侧变流器由于通常采用基于电网电压定向的矢量控制，因此，电网故障下定向角度的准确检测与正确控制将影响到机组的运行和控制特性。

由此可见，电网发生故障后，准确检测故障过程的角度跳变量，是实现对风力发电机组在电网故障期间正确控制的难点，并且对于机组在故障恢复中快速补偿恢复过程的相角跳变值改善控制效果、实现风电机组的低电压穿越都具有重要现实意义。而现有采用的离散傅立叶计算(DFT)等方法，运算量过大，计算时间长，且实时性差，无法达到满意的效果。针对上述问题，本发明提出了一种新型电网电压跌落时刻电压相角跳变的检测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法的缺点，提供一种算法简单、适用范围广的电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，本方法在由采样测量模块、电网同步角度检测模块、坐标变换模块、电压正负序分量计算模块构成的实时检测装置中实现，具体包括如下步骤：

1)、采样测量模块，对三相交流电压进行连续采样获得三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)，且相邻两次采样的时间间隔为Δt(k)，其中V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)为关于采样时间的序列，下标A、B、C代表三相分量，k表示采序列顺序号；

2)、电网同步角度检测模块，检测得到与电网电压矢量同步旋转的电网电压相角γ(k)，用于三相电压向d-q两相同步旋转坐标系下的变换；在电网电压稳定时，该角度稳定连续变化；而在电网电压出现跌落故障时，常规PLL锁相环输出的电压相角与电压跌落后的实际相角将出现偏差，需要进行角度跳变量实时补偿。

3)、坐标变换模块，将步骤1)采样得到的三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)及步骤2)中得到的与电网电压矢量同步旋转的角度γ(k)，经过三相静止坐标系至d-q两相同步旋转坐标系的变换：

根据公式(1)计算得到V_d(k)、V_q(k)序列，分别表示三相电压变换到d-q两相同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；

4)、电压正负序分量计算模块，将步骤3)中d-q两相同步旋转坐标系下当前的V_d(k)、V_q(k)分量以及上一个采样周期同理得到的V_d(k-1)、V_q(k-1)分量带入公式(2)，通过三角函数化简运算即可得到：电网电压跌落时电压正序分量的幅值|V₁(k)|及其与d-q两相同步旋转坐标系d轴夹角θ₁(k)的正余弦值；电压负序分量的幅值|V₂(k)|及其与d轴夹角θ₂(k)的正余弦值；

$\left[\begin{array}{c}\left|V_1\left(k\right)\right|\\ \left|V_2\left(k\right)\right|\\ \left|V_1(k-1)\right|\\ \left|V_2(k-1)\right|\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\\ 0& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \sin ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{V}_d\left(k\right)\\ V_q\left(k\right)\\ V_d(k-1)\\ V_q(k-1)\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Δθ(k)＝2π·f×Δt(k)，f为电网电压频率，Δt(k)为相邻两次采样的时间间隔；当时间间隔Δt(k)非常小时，可以认为相邻两次采样中正负序电压的幅值不变，且正序分量与d轴的夹角不变；即|V₁(k)|＝|V₁(k-1)|，|V₂(k)|＝|V₂(k-1)|，θ₁(k)＝θ₁(k-1)。θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值可直接应用于相角跳变后相应的控制与计算；也可根据实际需要将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数等运算，由θ₁(k)跳变量得到故障发生时刻正序电压分量相角变化量

由θ₂(k)得到故障发生时刻负序电压分量的相角实时修正由于电压跌落出现的正负序电压相角跳变。

本发明方法涉及的实时检测装置的采样测量模块，通过采样回路获得电网三相电压瞬时值，并保存为与采样时间顺序相关的序列形式；电网同步角度检测模块，根据PLL锁相等常见方法获得与电网同步旋转的角度，用于三相电压到d-q两相同步旋转坐标系的坐标变换；坐标变换模块，根据变换变换公式，将采样得到电网三相电压瞬时值由三相静止坐标系变换为d-q两相同步旋转坐标系，获得该坐标系下的d轴分量和q轴分量；电压正负序分量计算模块，根据电网电压d-q两相同步旋转坐标系下的分量计算得到d-q两相同步旋转坐标系下当前电网电压的正序分量幅值及其与d轴夹角的正余弦，负序分量幅值及其与d轴夹角的正余弦，直接应用于电网电压跌落的控制与计算；或根据需要将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数运算，得到由于电压跌落出现的电压正负序相角变化量和

本发明的有益效果如下：较传统检测方法，根据本发明所提出的电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，算法简单，实时性强，解决了DFT等方法带来的复杂运算、算法延时等问题，避免了PLL锁相方式的角度检测误差，保证了电网电压跌落时刻电压相角跳变检测的实时性、准确性；实际计算过程中可根据需要，不计算具体的角度值，只需要计算出角度值对应的正余弦值即可；适用范围广、易于工程实现；可应用于电力系统中各种电网故障的分析、电力电子电路动态电压或电流的控制和补偿中。

附图说明

图1为某一相电压跌落电压波形示意图。

图2为某一相电压跌落相角示意图。

图3为电网电压跌落时刻电压相角跳变检测装置的示意图。

图4为电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法的计算流程图。

图5为电网电压三相对称跌落故障的三相电压波形图。

图6为检测得到的电压正序分量电压相角跳变波形图。

图7为补偿电压相角跳变后的实际电压相角波形图。

图8为电网电压两相相间跌落故障的三相电压波形图。

图9为检测得到的正序电压相角跳变波形图。

图10为检测得到的负序电压相角波形图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

如图3所示，为本电网电压跌落时刻电压相角跳变检测装置的工作示意图。用于本发明实现的数字分析系统，可以由运算芯片(DSP或其它)组成，主要完成与外部信号的通讯、测量量的采集以及内部运算，实现对电网电压跌落时刻电压相角跳变检测。其功能模块主要包括电压采样测量模块，将采样得到三相电网电压当前瞬时值保存为与时间顺序相关的序列形式Va(k)、Vb(k)、Vc(k)；电网同步角度检测模块，检测得到采样时刻与电网同步旋转的角度，并保存为与时间顺序相关的序列形式γ(k)中；坐标变换模块，将获得的三相电网电压瞬时值转换为两相同步旋转d-q坐标系，保存为与时间顺序相关的序列形式V_d(k)、V_q(k)；电压正负序计算模块，计算得到两相同步旋转d-q坐标系下当前电网电压正序分量幅值|V₁(k)|及其与d轴夹角θ₁(k)的正余弦，负序分量幅值|V₂(k)|及其与d轴夹角θ₂(k)的正余弦，直接应用于电网电压跌落故障的控制与计算；或根据实际需要也可将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数运算得到由于电压跌落出现的电压正负序相角变化量和

如图4所示为本发明提出电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法的流程图，这里以电网电压三相非对称跌落故障为例，可以包括如两相电压对地故障、单相电压对地故障以及两相电压之间故障等，具体步骤如下：

1)、采样测量模块，对三相交流电压进行连续采样获得三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)，且相邻两次采样的时间间隔为Δt(k)，其中V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)为关于采样时间的序列，下标A、B、C代表三相分量，k表示采序列顺序号；

2)电网同步角度检测模块，检测得到与电网电压同步旋转的电网电压相角γ(k)，用于三相电压向两相同步旋转d-q坐标系下的变换；

3)、坐标变换模块，将步骤1)采样得到的三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)及步骤2)中得到的与电网电压同步旋转的角度γ(k)，经过三相静止坐标系至两相同步旋转坐标系的变换：

根据公式(3)计算得到V_A(k)、V_q(k)序列，分别表示三相电压变换到d-q两相同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；

4)、电压正负序分量计算模块，将步骤3)中d-q坐标系下当前的V_d(k)、V_q(k)分量以及上一个采样周期同理得到的V_d(k-1)、V_q(k-1)分量带入公式(2)，通过三角函数化简运算即可得到：电网电压跌落时电压正序分量的幅值|V₁(k)|及其与同步旋转坐标系d轴夹角θ₁(k)的正余弦值；负序分量的幅值|V₂(k)|及其与同步旋转坐标系d轴夹角θ₂(k)的正余弦值；

$\left[\begin{array}{c}\left|V_1\left(k\right)\right|\\ \left|V_2\left(k\right)\right|\\ \left|V_1(k-1)\right|\\ \left|V_2(k-1)\right|\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\\ 0& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \sin ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{V}_d\left(k\right)\\ V_q\left(k\right)\\ V_d(k-1)\\ V_q(k-1)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，Δθ(k)＝2π·f×Δt(k)，f为电网电压频率，Δt(k)为相邻两次采样的时间间隔；当时间间隔Δt(k)非常小时，可以认为相邻两次采样中正负序电压的幅值不变，且正序分量与d轴的夹角不变；即|V₁(k)|＝|V₁(k-1)|，|V₂(k)|＝|V₂(k-1)|，θ₁(k)＝θ₁(k-1)；θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值可直接应用于相角突变后相应的控制与计算，根据实际需要也可将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数运算，由θ₁(k)相角跳变量得到故障发生时刻正序电压分量相角变化量

由θ₂(k)得到故障发生时刻负序电压分量的相角

从而实时修正由于电压跌落出现的正序电压相角跳变。

本发明是在三相电压非对称跌落中的应用说明，不限于本实施例，还可以包括三相电压对称跌落故障的其它应用形式。当电网电压发生三相对称跌落故障时检测得到的负序分量为零，但对于本发明所使用的原理及方法具有通用性。

以下给出的算法结果表明本发明提出的新型电网电压跌落时刻电压相角跳变检测切实有效，实时性强，可以效果明显地将电网电压跌落时刻电压相角跳变量检测得到，充分体现本发明的实时性和易实现性。

算例1：一个幅值为1、频率为50Hz、持续时间为0～0.3s的三相电压，在0.1～0.15s间设置了三相电压的对称跌落，跌落幅度为75％，三相电压波形如图5所示；由于三相对称故障中电压负序分量等于零，经过步骤4运算后得到正序分量电压相角的跳变量，如图6所示；如图7所示是根据PLL锁相换得到的电压相角经过实时相角跳变量的补偿后的电压相角在故障过程的实际相角。

算例2：一个幅值为1、频率为50Hz、持续时间为0～0.3s的三相电压，在0.1～0.15s间设置了BC两相之间的相间跌落故障，如图8所示，经过本发明提出的检测方法后得到正序分量电压相角跳变量如图9所示，检测到的负序电压相角如图10所示(频率50Hz、旋转方向与正序相反)。由此可见，该电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法的实时性、正确性，对于不同电网跌落故障的适应性。

可见经过本发明方法的实施，实现了电网电压跌落时刻电压相角跳变的实时检测。图中尖峰式误差是两采样时刻下(这里采样时间间隔设为0.0001s)电量瞬时采样值间出现的非模型误差。

本发明提出的新型电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法的实施部分，具有实现方便、通用性良好的特点，更具有重要的现实意义。

Claims (4)

1.电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，本方法在由采样测量模块、电网同步角度检测模块、坐标变换模块、电压正负序分量计算模块构成的实时检测装置中实现，具体包括如下步骤：

1)、采样测量模块，对三相交流电压进行连续采样获得三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)，且相邻两次采样的时间间隔为Δt(k)，其中V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)为关于采样时间的序列，下标A、B、C代表三相分量，k表示采序列顺序号；

2)、电网同步角度检测模块，检测得到与电网电压同步旋转的电网电压相角γ(k)，用于三相电压向d-q两相同步旋转坐标系下的变换；

3)、坐标变换模块，将步骤1)采样得到的三相电压瞬时值V_A(k)、V_B(k)、V_C(k)及步骤2)中得到的与电网电压同步旋转的角度γ(k)，经过三相静止坐标系至d-q两相同步旋转坐标系的变换：

根据公式(1)计算得到V_d(k)、V_q(k)序列，分别表示三相电压变换到d-q两相同步旋转坐标系下的d轴分量和q轴分量；

4)、电压正负序分量计算模块，将步骤3)中d-q两相同步旋转坐标系下当前的V_d(k)、V_q(k)分量以及上一个采样周期同理得到的V_d(k-1)、V_q(k-1)分量带入公式(2)，通过三角函数化简运算即可得到：电网电压跌落时电压正序分量的幅值|V₁(k)|及其与d-q两相同步旋转坐标系d轴夹角θ₁(k)的正余弦值；电压负序分量的幅值|V₂(k)|及其与d轴夹角θ₂(k)的正余弦值；

$\left[\begin{array}{c}\left|V_1\left(k\right)\right|\\ \left|V_2\left(k\right)\right|\\ \left|V_1(k-1)\right|\\ \left|V_2(k-1)\right|\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_1\left(k\right)\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\\ 0& 0& \sin \left({\mathrm{\θ}}_1(k-1)\right)& \sin ({\mathrm{\θ}}_2\left(k\right)+2\mathrm{\Δ\θ}\left(k\right))\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{V}_d\left(k\right)\\ V_q\left(k\right)\\ V_d(k-1)\\ V_q(k-1)\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Δθ(k)＝2π·f×Δt(k)，f为电网电压频率，Δt(k)为相邻两次采样的时间间隔；当时间间隔Δt(k)非常小时，可以认为相邻两次采样中正负序电压的幅值不变，且正序分量与d轴的夹角不变；即|V₁(k)|＝|V₁(k-1)|，|V₂(k)|＝|V₂(k-1)|，θ_x(k)＝θ₁(k-1)；将获得的θ₁(k)的正余弦值、θ₂(k)的正余弦值可直接应用于相角跳变后相应的控制与计算。

2.根据权利要求1所述的电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，其特征是，将步骤4)中得到的θ₁(k)的正余弦值、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数运算，得到由于电压跌落出现的电压正负序相角变化量和

3.根据权利要求1所述的电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，其特征是，步骤2)中，检测得到与电网电压矢量同步旋转的电网电压相角γ(k)的方法采用锁相环方式实现。

4.根据权利要求1所述的电网电压跌落时刻电压相角跳变检测方法，其特征是，所述实时检测装置的采样测量模块，通过采样回路获得电网三相电压瞬时值，并保存为与采样时间顺序相关的序列形式；电网同步角度检测模块，根据常见的PLL锁相方法获得与电网同步旋转的角度，用于三相电压到d-q两相同步旋转坐标系的坐标变换；坐标变换模块，根据变换变换公式，将采样得到电网三相电压瞬时值由三相静止坐标系变换为d-q两相同步旋转坐标系，获得该坐标系下的d轴分量和q轴分量；电压正负序分量计算模块，根据电网电压d-q两相同步旋转坐标系下的分量计算得到d-q两相同步旋转坐标系下当前电网电压的正序分量幅值及其与d轴夹角的正余弦，负序分量幅值及其与d轴夹角的正余弦，直接应用于电网电压跌落的控制与计算；或根据需要将θ₁(k)、θ₂(k)的正余弦值进行反三角函数运算，得到由于电压跌落出现的电压正负序相角变化量和

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