艦船電力系統(tǒng)電壓暫降檢測(cè)方法研究

涂方明

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艦船電力系統(tǒng)電壓暫降檢測(cè)方法研究

涂方明

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430060）

艦船電力系統(tǒng)電力負(fù)荷變化范圍及變化的頻繁程度比陸上系統(tǒng)更大，電壓暫降是艦船電力系統(tǒng)電能質(zhì)量中影響最為嚴(yán)重的問題之一。本文分析和研究了電壓暫降的檢測(cè)方法，針對(duì)艦船電力系統(tǒng)電壓暫降問題的特性分析，本文在瞬時(shí)電壓分解法的基礎(chǔ)上，提出了變換法。針對(duì)變換法存在的相位延遲問題，本文對(duì)變換法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法不僅能夠避免檢測(cè)波形可能出現(xiàn)的短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象，極大地提高了補(bǔ)償精度；而且還可以縮短檢測(cè)時(shí)間，有助于提高實(shí)時(shí)性。

電壓暫降 短時(shí)傅里葉變換 相位跳變

0 引言

艦船電力系統(tǒng)屬于獨(dú)立、大型的完整電力系統(tǒng)，艦船電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，用電負(fù)荷也由單一的線性負(fù)荷變?yōu)榫€性與非線性的混合負(fù)荷，電能質(zhì)量問題日益突出。在電能的質(zhì)量問題中，電壓暫降并不是一個(gè)新問題，隨著敏感設(shè)備在艦船電力系統(tǒng)中的不斷增加，要想讓系統(tǒng)中用電設(shè)備正常安全地運(yùn)行就無法回避電壓暫降和短時(shí)間供電中斷的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題。那么如何檢測(cè)出電壓暫降，以此降低其帶來的負(fù)面影響是電壓暫降研究控制領(lǐng)域的一個(gè)重要內(nèi)容。本文針對(duì)電壓暫降檢測(cè)方法進(jìn)行了分析研究，根據(jù)艦船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了變換法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法，通過仿真驗(yàn)證，該算法可以有效的檢測(cè)出艦船電力系統(tǒng)中的電壓暫降問題，并且可以改進(jìn)相位跳變檢測(cè)和檢測(cè)延時(shí)問題。

1 電壓暫降問題綜述

電壓暫降指的是供電電壓方均根值在短時(shí)間突然下降的時(shí)間，其典型持續(xù)時(shí)間為0.5~30周波。國際電工委員會(huì)（IEC）將其定義為下降到額定值的90%~1%；電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）將其定義為下降到額定值的90%~10%。變壓器投切、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、短路故障及雷擊等都有可能引起電壓的暫降。電壓暫降往往還伴隨由電壓相位的突然改變，稱之為相位跳變。電壓暫降的幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變是標(biāo)稱電壓暫降的最重要的三個(gè)特征量。

現(xiàn)代大型艦船有大量的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，電機(jī)啟動(dòng)瞬間相當(dāng)于突然加大負(fù)載，會(huì)有較大的啟動(dòng)電流，此電流可達(dá)額定電流的6~8倍，對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，引起艦船電力系統(tǒng)的電壓瞬時(shí)暫降。瞬時(shí)的輕微電壓暫降會(huì)影響艦船電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，劇烈情況下會(huì)造成同匯流排的其他電機(jī)停止工作，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電壓暫降檢測(cè)方法

由于電壓暫降發(fā)生時(shí)間隨機(jī)性大，持續(xù)時(shí)間短，且對(duì)其測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求較高，目前，廣泛運(yùn)用于電壓暫降分析中的方法主要有有效值計(jì)算法、缺損電壓法、短時(shí)傅里葉變換法、小波變換法、瞬時(shí)電壓變換法等。本文在瞬時(shí)電壓分解法的基礎(chǔ)上，針對(duì)艦船電力系統(tǒng)電壓暫降問題出現(xiàn)的特點(diǎn)和檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求，提出了變換法并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該算法不僅可以有效的檢測(cè)出電壓暫降問題，同時(shí)還可以改進(jìn)相位跳變檢測(cè)和檢測(cè)延時(shí)問題。

2.1 瞬時(shí)電壓變換法

在上世紀(jì)80年代日本學(xué)者赤木提出了三相電路瞬時(shí)無功功率理論，該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，在許多方面得到了成功的應(yīng)用。根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，三相電壓變換到坐標(biāo)的變換關(guān)系式為

對(duì)于理想的三相三線制系統(tǒng)，假設(shè)三相電壓為：

則變換結(jié)果為：

由式(3)和式(4)可知，通過理想三相電壓的變換，可得到電壓的瞬時(shí)均方根值，最終變換結(jié)果中的軸分量表示電壓的均方根值。在平衡的三相電壓暫降中，不會(huì)發(fā)生相位跳變。如果設(shè)暫降電壓的方均根值為U，暫降電壓通過上述變換后，仍可以得到如式(4)、(5)的結(jié)果。這樣，電壓暫降的幅值可瞬時(shí)得到。

由于坐標(biāo)變換法是針對(duì)三相電路而言，所以當(dāng)艦船電力系統(tǒng)的電壓暫降為單相事件，并且同時(shí)引起電壓的相位跳變時(shí)，該方法并不適用。根據(jù)對(duì)稱三相三線制電路中電壓各相波形相同、相位相差120°的特點(diǎn)，可以以單相電源為參考系，構(gòu)造一個(gè)虛擬的三相系統(tǒng)，再利用坐標(biāo)變換進(jìn)行電壓暫降特征量的分析。其原理如圖1所示。

圖1電壓暫降單相控制的原理圖

以A相為例，設(shè)其基波電壓方均根值為U、初始相位為0。若把擾動(dòng)作為高頻振蕩信號(hào)疊加，為h次高頻信號(hào)的均方根值，為初相角，按指數(shù)衰減，那么A相電壓可表示為

構(gòu)建的虛擬三相系統(tǒng)的，分別為

虛擬三相電壓進(jìn)行變換，結(jié)果如下：

式中，1=(-1)+，1=(+1)+。

當(dāng)暫降中沒有伴隨相角跳變時(shí)，則可依據(jù)式(9)求解，然后可以依據(jù)基波相電壓方均根值的變化情況來確定是否發(fā)生電壓暫降，其中該基波相電壓方均根值是按直流分量的方法求出的。

若電壓暫降發(fā)生時(shí)同時(shí)發(fā)生相位跳變，此時(shí)設(shè)電壓方均根值為，相位跳變角為，則A相電壓中基波分量表示為。假設(shè)如式(6)~式(9)電壓中的高頻振蕩成分依然存在，構(gòu)造B、C 相電壓，通過延時(shí)A相60°得到，把得到的各相電壓根據(jù)式(1)進(jìn)行調(diào)整，然后將變換后所得的電壓分量中的直流分量和提取出來，得到：

根據(jù)計(jì)算得到的和，可得暫降電壓的幅值和相位跳變角為

瞬時(shí)變換法首先由單相電壓構(gòu)造出虛擬三相系統(tǒng)才能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)過程中仍需進(jìn)行三相變換，計(jì)算量仍然較大。

2.2變換法

變換檢測(cè)法提出將單相瞬時(shí)電壓從靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使計(jì)算量大為減少。坐標(biāo)系和坐標(biāo)系間的變換如圖2所示。

圖2αβ坐標(biāo)系和坐標(biāo)系間的變換

通過式(14)，可得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的兩個(gè)的分量和，完成了對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換，得出了和的值，便計(jì)算暫降的幅值和相位跳變時(shí)間。即

通過變換法電壓暫降的幅值變化和相位跳變的特征量便可得到。然而，這種方法分量是通過分量超前90°得到的，這樣便存在一個(gè)延時(shí)性的問題，即該方法所用數(shù)據(jù)不具有同時(shí)性，這樣會(huì)產(chǎn)生如下影響：一方面，使的檢測(cè)故障時(shí)間加長，造成后期的電壓補(bǔ)償工作無法進(jìn)行；再一方面，數(shù)據(jù)的不同時(shí)也會(huì)造成檢測(cè)波形出現(xiàn)不同程度的擾動(dòng)。因此，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)精度也會(huì)下降，補(bǔ)償效果隨之也會(huì)降低。因此本文提出了一種改進(jìn)的電壓暫降檢測(cè)方法。

2.3 改進(jìn)的變換法

在變換法的基礎(chǔ)上，本文利用求導(dǎo)代替變換檢測(cè)法中的相位延遲，使二者具有同時(shí)性，明顯加快了檢測(cè)速度，克服了短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象，有利于后續(xù)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果。令和通過下式計(jì)算。

通過（14）將和轉(zhuǎn)換到和，再通過變換法可以計(jì)算得到相關(guān)的值。該方法不僅大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，從而縮短了補(bǔ)償時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性；而且避免了檢測(cè)波形可能出現(xiàn)的短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象，提高了補(bǔ)償精度和效果。

3 仿真驗(yàn)證

改進(jìn)后的變換檢測(cè)法主要解決了均方根值法不能計(jì)算電壓暫降時(shí)的相位跳變的缺點(diǎn)，以及其延時(shí)性過高的問題。改進(jìn)后的變換檢測(cè)法主要流程如圖3所示。

圖3改進(jìn)后的αβ變換法設(shè)計(jì)流程圖

由圖3可以看出，設(shè)定某相電壓U（=220V），將其映射到軸，即。通過求導(dǎo)的方法得出α軸的分量。通過變換，得出和的值，進(jìn)而得出的大小，通過計(jì)算的，比較判斷是否發(fā)生電壓暫降和相位跳變。判斷是否發(fā)生電壓暫降和相位跳變，可以采用“三點(diǎn)比較法”，針對(duì)是否發(fā)生相位跳變的情況，可采用不同的判別方法。假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻電壓為3，按照時(shí)間先后順序，2為3前一時(shí)刻電壓，1為2前一時(shí)刻電壓，電壓暫將判別流程如圖4所示。

圖4 電壓暫將判別流程圖

當(dāng)設(shè)定某相電壓為220 V，則為，通過計(jì)算的為，檢測(cè)暫降發(fā)生時(shí)間為0.08~0.12 s。仿真結(jié)果如圖5所示。

（a）30°相位跳變的電壓暫降波形圖

（b）相位跳變時(shí)的Udq的波形圖

（c）無相位跳變電壓暫降圖形

（d）無相位跳變時(shí)Udq的波形圖

圖5（a）為30度相位跳變的電壓暫降的波形圖，通過改進(jìn)的αβ變換法可以分析到相位跳變時(shí)的的波形圖5（b）。圖5（c）為無相位跳變電壓暫降圖形，通過改進(jìn)的αβ變換法也可以得到無相位跳變時(shí)的波形圖（d）?？梢姳疚奶岢龅囊环N改進(jìn)的電壓暫降檢測(cè)方法可以較好的分析計(jì)算出相位跳變和無相位跳變的電壓暫降。

4 小結(jié)

本文對(duì)于艦船電力系統(tǒng)電壓暫降問題進(jìn)行分析和研究，通過對(duì)比電壓暫降的檢測(cè)方法，本文在瞬時(shí)dq變換法的基礎(chǔ)上，提出了變換法。本文針對(duì)變換法存在的相位延遲問題，對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法不僅能夠避免檢測(cè)波形可能出現(xiàn)的短時(shí)擾動(dòng)現(xiàn)象，極大地提高了補(bǔ)償精度，而且還可以縮短檢測(cè)時(shí)間，有助于提高實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周暉, 齊智平．動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器檢測(cè)方法和補(bǔ)償策略綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(6): 23-29.

[2] 肖湘寧, 徐永海．電能質(zhì)量問題剖析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2001, 25(3): 66-69.

[3] V.E.Wagner, A.A.Andreshak, J.P.Staniak．Power quality and factory automation[J]．IEEE Transactions on Industry Applications, 1990, 26(4): 620-626．

[4] 程忠浩, 艾芊．電能質(zhì)量[M]. 北京．清華大學(xué)出版社, 2006.

[5] 張一工, 肖湘寧．現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999.

[6] 劉云潺．電壓暫降檢測(cè)方法的分析與研究[D]．湖南: 湖南大學(xué), 2007.

[7] 劉琨．電壓暫降及其檢測(cè)算法仿真[D]．天津: 天津大學(xué), 2011.

Detection of Voltage Drop of Ship’s Power System

Tu Fangming

( Naval Representatives Office in 438 Factory, Wuhan 430060, China)

TM85

A

1003-4862（2016）08-0028-05

2015-12-15

涂方明（1979-），男，本科。研究方向：船舶電氣。