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1、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: 提出了一种种基于改进锁锁相环（PLLL）系统的的电能质量扰扰动检测方法法。该改进PPLL系统是是一个稳定的的相位反馈控控制系统，产产生的多个输输出信号可用用于多种电能能质量扰动的的检测，而且且对于检测系系统的内部参参数和电力系系统频率的变变化是鲁棒的的。在叙述了了它的基本特特性以及电能能质量扰动检检测的基本原原理后，重点点阐述了该系系统对多种电电能质量扰动动检测的实现现，包括谐波波、电压波动动、频率偏差差、电压下跌跌、电压上升升、过电压、欠欠电压、瞬时时脉冲、低频频
2、、高频振荡荡和无功功率率等进行检测测和分析，并并为此做了大大量的计算机机仿真。仿真真结果证明了了结论的正确确性，同时也也表明，该检检测方法具有有较好的实时时性。关键词: 电能质量量; 扰动检检测; 改进进的锁相环系系统; 鲁棒棒; 计算机机仿真Detectiion Meethod of Poower QQualitty DissturbaanceBBased o naan Impprovedd PLL Systeem LU Ganyyun, DDING YYifengg, CHEENG Haaozhonng(Departtment of Ellectriical EEngineeeringg,
3、Shannghai Jiaottong UUniverrsit yy,Shaanghaii 2000030, CChina) Abstrract: A novvel deetectiion meethod of poower qqualitty dissturbaance bbased on ann imprroved phasee locaated lloop (PLL) systeem is brougght foorwardd in tthis ppaper. The PLL ssystemm is aa stabble phhase ffeedbaack coontroll systt
4、em wiith maany usseful outpuuts, aand itt is rrobus t to its iinner parammeterss and smalll channge off inpuuts bbasic frequuency. Afteer dess cribbing bbasic charaacteriisticss of tthe syystem and iits deetectiion prrincipple, tthe reea lizzationns andd effeects oof dettectioon of many kindss of pp
5、ower qualiity diisturbbancess, succh as harmoonics, volttage ffluctuuationns, frrequenncy deeviatiion, ssags, swellls, ovver vooltagee, unddervoltaage, ttransiient ppulse, lowfrequuency oscilllatioon, hiighfr eqquencyy osciillatiion, aand reeactivve powwer, aare annalyzeed in emphaases. The ssimulaa
6、tio nn resuults pprove the cconcluusion abovee, andd alsoo showw thatt the detecction methood is a reaal timme onee.Key wordss: powerr quallity; distuurbancce dettectioon; immproveed PL L sysstem; robusst; coomputeer simmulatiions 1前言近年年来，电能质质量问题日益益受到电力部部门和用户的的重视，电能能质量的内容容不仅仅包括括传统的静态态电能质量，如如电网谐波、电电压
7、波动和闪闪变、电压偏偏差、三相不不平衡和频率率偏差，还对对动态谐波、电电压上升、电电压下跌和瞬瞬时脉冲等一一些动态电能能质量提出了了新的要求。因因此，有必要要对电能质量量问题进行分分析，并采用用合理的补偿偿措施以提高高电能质量，为为此，电能质质量扰动的检检测是首先要要解决的问题题。目前前，电能质量量扰动的检测测方法主要有有两类，即频频域检测法和和时域检测法法。频域检测测法主要有快快速傅立叶变变换（FFTT）法及其改改进方法11，2、小小波变换法35和带阻阻滤波器法。时时域检测法主主要有基于瞬瞬时无功功率率理论的检测测方法6，77、同步检检测法8和dq变换换法9。 这这些方法大部部分都受电力力系
8、统频率变变 化的影响响，而且只适适合于检测上上述多种静态态和动态电能能质量扰动的的其中几种扰扰动。本文提提出一种基于于改进PLLL系统的电能能质量检测方方法。该方法法具有自适应应性，对检测测系统的内部部参数和电力力系统频率变变化有较强的的鲁棒性，可可检测目前最最常见的一系系列电能质量量干扰，而且且该方法具有有较好的实时时性，采用MMatlabb的Simuulink得得到的仿真结结果证明了结结论的正确性性。 2检测基本原理理 本文提出的的电能质量检检测方法是在在改进PLLL系统基础上上展开的。该该改进PLLL系统结构如如图1所示，和和传统的PLLL（如图22）一样，它它由三个基本本部分组成，即即
9、鉴相器phhase ddetecttion(PPD)、环路路滤波器looop fiilter(LF)和压压控振荡器vvoltaggecontrroll eed osccillattor(VCCO)，三部部分形成一个个闭环的相位位反馈控制系系统。该改进进PLL与传传统PLL不不同的是：传传统PLL的的PD环节一一般由一个乘乘法器构成，而而改进PLLL系统的PDD环节，由三三个乘法器、一一个积分器、一一个90相相移器和一个个减法器构成成；改进后的的锁相环具有有多个有用的的输出信号，包包括基波分量量输出信号yy(t)，基基波分量的幅幅值A(t)、相位(t)和瞬时时角频率(t)，以及及误差信号ee(t
10、)。它它的最大特点点是输出信号号y(t)与与外部输入信信号u(t)的基波分量量波形一致，而而且两者是同同步的，即它它们之间没有有相位差。利利用这个特性性，可以将待待检测信号中中理想正弦成成分和干扰成成分检测分离离出来；另外外，利用基波波分量的幅值值A( t)和瞬时角频频率(t)，可分别得得到待检测信信号基波幅值值和频率的扰扰动，这就是是该PLL系系统检测电能能质量扰动的的基本原理。该该PLL系统统还有一个特特点，就是它它对于检测系系统的内部参参数和输入信信号频率的变变化是鲁棒的的，而且该PPLL系统也也是稳定的10。从从这些系统特特性可知，它它非常适合于于众多电能质质量扰动的检检测。 3基于改
11、进PLLL系统的电电能质量扰动动检测仿真改进PLLL系统可应应用于目前最最常见的一系系列电能质量量扰动的检测测，包括谐波波、电压波动动、频率偏差差、电压下跌跌和电压上升升、过电压和和欠电压、瞬瞬时脉冲、低低频振动、高高频振动以及及无功功率的的检测。本节节使用Mattlab的SSimuliink对改进进PLL系统统的各种电能能质量扰动检检测进行了仿仿真。为了使使仿真结果图图形更可视化化，文中对一一些电能质量量扰动作了一一定的放大，在在进行系统频频率偏差检测测仿真时，取取5%系统频频率偏差，电电压下跌检测测仿真时，取取50%电压压下跌幅度，这这可能比电力力系统运行过过程中实际存存在的电能质质量扰动
12、幅值值要大。另外外，仿真过程程中将系统基基本频率标准准化为1 HHz,这些并并不影响该改改进PLL系系统同样适合合实际存在的的电能质量扰扰动检测，仿仿真结果可以以比较 好地地估计改进PPLL系统对对各种电能质质量扰动的检检测性能。33.1谐波检检测谐波波是电力系统统最常见也是是最重要的电电能质量干扰扰之一，谐波波检测是电力力系统安全运运行的重要部部分。下下面对三种包包含谐波的输输入信号进行行检测仿真，包包括方波、含含5次和7次次谐波的输入入信号以及含含3次动态谐谐波的输入信信号。检测的的仿真结果如如图3、4、55所示。 其中，含33次动态谐波波的输入信号号为 它包含含20%的固固定3次谐波波，
13、10%随随时间波动33次谐波，和和5%随机变变化3次谐波波。图33、4、5仿仿真结果说明明，对上面三三种典型的包包含谐波的输输入信号，改改进PLL系系统可有效 地检测分离离出它的基波波成分和总谐谐波失真成分分，并且可在在5个周波内内基本准确地地输出其值。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：=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仿仿真结果显示示，系统基本本频率发生变变化时，该PPLL系统仍仍然可比较有有效地检测出出动态谐波，对对频率变化有有较强的鲁棒棒性。3
14、.22电力系统频频率偏差检测测利用改改进PLL系系统的基波分分量的瞬时角角频率输出(t)，经经过变换(11/2)，可可以检测到供供电系统的基基本频率，进进而得到系统统频率偏差。 其中：a=0.95。检测的仿真真结果如图88所示，根据据其输出的系系统基本频率率f(t)，可可以得到系统统频率偏差为为5%。这个个仿真结果说说明，改进PPLL系统可可以比较准确确实时地检测测出系统频率率偏差值。33.3电压下下跌和电压上上升的检测利用改进进PLL系统统的基波分量量幅值A(tt)输出，得得到待检测信信号基波幅值值的扰动，不不仅可对电压压波动进行检检测，还可以以检测电压下下跌、电压上上升扰动。这里取电电压下
15、跌扰动动信号为 即050s时，电电压正常；55070s时，出出现一个500%的电压下下跌，持续时时间为20个个周波；最后后电压恢复正正常。取取电压上升扰扰动信号为 即050s时，电电压正常；55070s时，出出现一个300%的电压上上升，持续时时间为20个个周波；最后后电压恢复正正常。采用改进PPLL系统进进行检测，检检测的仿真结结果如图9、图图10所示。仿仿真结果表明明，改进PLLL系统可瞬瞬时检测到电电压上升和电电压下跌扰动动的发生，并并且可以在55个周波内检检测输出这种种扰动的准确确值，即改进进PLL系统统可以有效地地检测持续时时间为5周波波以上的电压压上升和电压压下跌扰动。上面3.1、
16、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结论改进进锁相环系统统的特性使它它非常适合电电力系统的电电能质量扰动动检测，基于于电能质量扰扰动检测方法法，可比较准准确地检测多多种电能质量量扰动。包括括谐波、电压压波动、频率率偏差、电压压下跌、电压压上升、过电电压、欠电压压、瞬时脉冲冲、低频振荡荡、高频振荡荡以及无功功功率等，而且且对于检测系系统的内部参参数和电力系系统频率变化化有较强的鲁鲁棒性。
17、另外外该方法还具具有较好的实实时性和稳定定性，这是许许多其他检测测方法所无法法比拟的，仿仿真结果证明明了结论的正正确性。基于于改进PLLL系统的电能能质量扰动检检测方法是一一种比较理想想的电能质量量扰动检测方方法，不仅可可用于电能质质量实时监测测，还可以利利用检测到的的各种电能质质量扰动信号号进行电力系系统故障分析析和诊断。另外，改改进锁相环系系统的输出信信号可实时地地跟踪外部输输入信号的基基波分量，对对于电力系统统中非理想波波形的电流电电压信号，该该系统可有效效地分离出信信号的理想成成分，且没有有相位差，这这一特性使该该系统非常适适合于电力有有源滤波器参参考信号的获获取，笔者将将另文对此进进
18、行讨论。 参考文献1张伏生，耿耿中行，葛耀耀中.电力系系统谐波分析析的高精度FFFT算法J.中国国电机工程学学报，19999，19(3)：633-6622Heyddt G TT,Fjelld P SS,Liu C C,eet al.Appllicatiions oof thee winddowed FFT tto eleectricc poweer quaality assesssmenttJ.IIEEE TTrans on Poower DDeliveery,19999,144(4):11411-1141633Poigggon OO,Rionnal P.New ssignall procce
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