艦船電力系統電壓暫降檢測方法研究

2016-10-13 02:55:29涂方明

船電技術 2016年8期

涂方明

艦船電力系統電壓暫降檢測方法研究

涂方明

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢430060）

艦船電力系統電力負荷變化范圍及變化的頻繁程度比陸上系統更大，電壓暫降是艦船電力系統電能質量中影響最為嚴重的問題之一。本文分析和研究了電壓暫降的檢測方法，針對艦船電力系統電壓暫降問題的特性分析，本文在瞬時電壓分解法的基礎上，提出了變換法。針對變換法存在的相位延遲問題，本文對變換法進行改進。實驗證明，該方法不僅能夠避免檢測波形可能出現的短時擾動現象，極大地提高了補償精度；而且還可以縮短檢測時間，有助于提高實時性。

電壓暫降短時傅里葉變換相位跳變

0 引言

艦船電力系統屬于獨立、大型的完整電力系統，艦船電網結構日趨復雜，用電負荷也由單一的線性負荷變為線性與非線性的混合負荷，電能質量問題日益突出。在電能的質量問題中，電壓暫降并不是一個新問題，隨著敏感設備在艦船電力系統中的不斷增加，要想讓系統中用電設備正常安全地運行就無法回避電壓暫降和短時間供電中斷的動態電能質量問題。那么如何檢測出電壓暫降，以此降低其帶來的負面影響是電壓暫降研究控制領域的一個重要內容。本文針對電壓暫降檢測方法進行了分析研究，根據艦船電力系統的特點，提出了變換法以及相應的改進算法，通過仿真驗證，該算法可以有效的檢測出艦船電力系統中的電壓暫降問題，并且可以改進相位跳變檢測和檢測延時問題。

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間突然下降的時間，其典型持續時間為0.5~30周波。國際電工委員會（IEC）將其定義為下降到額定值的90%~1%；電氣與電子工程師協會（IEEE）將其定義為下降到額定值的90%~10%。變壓器投切、感應電動機啟動、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、持續時間和相位跳變是標稱電壓暫降的最重要的三個特征量。

現代大型艦船有大量的電動機負荷，電機啟動瞬間相當于突然加大負載，會有較大的啟動電流，此電流可達額定電流的6~8倍，對電網形成沖擊，引起艦船電力系統的電壓瞬時暫降。瞬時的輕微電壓暫降會影響艦船電力系統的電能質量，劇烈情況下會造成同匯流排的其他電機停止工作，影響電網的安全穩定運行。

2 電壓暫降檢測方法

由于電壓暫降發生時間隨機性大，持續時間短，且對其測量的實時性要求較高，目前，廣泛運用于電壓暫降分析中的方法主要有有效值計算法、缺損電壓法、短時傅里葉變換法、小波變換法、瞬時電壓變換法等。本文在瞬時電壓分解法的基礎上，針對艦船電力系統電壓暫降問題出現的特點和檢測實時性要求，提出了變換法并對其進行改進。實驗驗證，該算法不僅可以有效的檢測出電壓暫降問題，同時還可以改進相位跳變檢測和檢測延時問題。

2.1 瞬時電壓變換法

在上世紀80年代日本學者赤木提出了三相電路瞬時無功功率理論，該理論突破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，在許多方面得到了成功的應用。根據瞬時無功功率理論，三相電壓變換到坐標的變換關系式為

對于理想的三相三線制系統，假設三相電壓為：

則變換結果為：

由式(3)和式(4)可知，通過理想三相電壓的變換，可得到電壓的瞬時均方根值，最終變換結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，不會發生相位跳變。如果設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)的結果。這樣，電壓暫降的幅值可瞬時得到。

由于坐標變換法是針對三相電路而言，所以當艦船電力系統的電壓暫降為單相事件，并且同時引起電壓的相位跳變時，該方法并不適用。根據對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，可以以單相電源為參考系，構造一個虛擬的三相系統，再利用坐標變換進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，設其基波電壓方均根值為U、初始相位為0。若把擾動作為高頻振蕩信號疊加，為h次高頻信號的均方根值，為初相角，按指數衰減，那么A相電壓可表示為

構建的虛擬三相系統的，分別為

虛擬三相電壓進行變換，結果如下：

式中，1=(-1)+，1=(+1)+。

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

若電壓暫降發生時同時發生相位跳變，此時設電壓方均根值為，相位跳變角為，則A相電壓中基波分量表示為。假設如式(6)~式(9)電壓中的高頻振蕩成分依然存在，構造B、C 相電壓，通過延時A相60°得到，把得到的各相電壓根據式(1)進行調整，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：

根據計算得到的和，可得暫降電壓的幅值和相位跳變角為

瞬時變換法首先由單相電壓構造出虛擬三相系統才能進行檢測，實現過程中仍需進行三相變換，計算量仍然較大。

2.2變換法

變換檢測法提出將單相瞬時電壓從靜止坐標系變換到旋轉坐標系，使計算量大為減少。坐標系和坐標系間的變換如圖2所示。

圖2αβ坐標系和坐標系間的變換

通過式(14)，可得到旋轉坐標系上的兩個的分量和，完成了對電壓的轉換，得出了和的值，便計算暫降的幅值和相位跳變時間。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，這樣便存在一個延時性的問題，即該方法所用數據不具有同時性，這樣會產生如下影響：一方面，使的檢測故障時間加長，造成后期的電壓補償工作無法進行；再一方面，數據的不同時也會造成檢測波形出現不同程度的擾動。因此，對應的檢測精度也會下降，補償效果隨之也會降低。因此本文提出了一種改進的電壓暫降檢測方法。

2.3 改進的變換法

在變換法的基礎上，本文利用求導代替變換檢測法中的相位延遲，使二者具有同時性，明顯加快了檢測速度，克服了短時擾動現象，有利于后續補償裝置的補償效果。令和通過下式計算。

通過（14）將和轉換到和，再通過變換法可以計算得到相關的值。該方法不僅大大縮短了檢測時間，從而縮短了補償時間，提高實時性；而且避免了檢測波形可能出現的短時擾動現象，提高了補償精度和效果。

3 仿真驗證

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

圖3改進后的αβ變換法設計流程圖

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