舰船电力系统电压暂降检测方法研究

2016-10-13涂方明

船电技术 2016年8期

涂方明

舰船电力系统电压暂降检测方法研究

涂方明

（海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉430060）

舰船电力系统电力负荷变化范围及变化的频繁程度比陆上系统更大，电压暂降是舰船电力系统电能质量中影响最为严重的问题之一。本文分析和研究了电压暂降的检测方法，针对舰船电力系统电压暂降问题的特性分析，本文在瞬时电压分解法的基础上，提出了变换法。针对变换法存在的相位延迟问题，本文对变换法进行改进。实验证明，该方法不仅能够避免检测波形可能出现的短时扰动现象，极大地提高了补偿精度；而且还可以缩短检测时间，有助于提高实时性。

电压暂降短时傅里叶变换相位跳变

0 引言

舰船电力系统属于独立、大型的完整电力系统，舰船电网结构日趋复杂，用电负荷也由单一的线性负荷变为线性与非线性的混合负荷，电能质量问题日益突出。在电能的质量问题中，电压暂降并不是一个新问题，随着敏感设备在舰船电力系统中的不断增加，要想让系统中用电设备正常安全地运行就无法回避电压暂降和短时间供电中断的动态电能质量问题。那么如何检测出电压暂降，以此降低其带来的负面影响是电压暂降研究控制领域的一个重要内容。本文针对电压暂降检测方法进行了分析研究，根据舰船电力系统的特点，提出了变换法以及相应的改进算法，通过仿真验证，该算法可以有效的检测出舰船电力系统中的电压暂降问题，并且可以改进相位跳变检测和检测延时问题。

1 电压暂降问题综述

电压暂降指的是供电电压方均根值在短时间突然下降的时间，其典型持续时间为0.5~30周波。国际电工委员会（IEC）将其定义为下降到额定值的90%~1%；电气与电子工程师协会（IEEE）将其定义为下降到额定值的90%~10%。变压器投切、感应电动机启动、短路故障及雷击等都有可能引起电压的暂降。电压暂降往往还伴随由电压相位的突然改变，称之为相位跳变。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量。

现代大型舰船有大量的电动机负荷，电机启动瞬间相当于突然加大负载，会有较大的启动电流，此电流可达额定电流的6~8倍，对电网形成冲击，引起舰船电力系统的电压瞬时暂降。瞬时的轻微电压暂降会影响舰船电力系统的电能质量，剧烈情况下会造成同汇流排的其他电机停止工作，影响电网的安全稳定运行。

2 电压暂降检测方法

由于电压暂降发生时间随机性大，持续时间短，且对其测量的实时性要求较高，目前，广泛运用于电压暂降分析中的方法主要有有效值计算法、缺损电压法、短时傅里叶变换法、小波变换法、瞬时电压变换法等。本文在瞬时电压分解法的基础上，针对舰船电力系统电压暂降问题出现的特点和检测实时性要求，提出了变换法并对其进行改进。实验验证，该算法不仅可以有效的检测出电压暂降问题，同时还可以改进相位跳变检测和检测延时问题。

2.1 瞬时电压变换法

在上世纪80年代日本学者赤木提出了三相电路瞬时无功功率理论，该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，在许多方面得到了成功的应用。根据瞬时无功功率理论，三相电压变换到坐标的变换关系式为

对于理想的三相三线制系统，假设三相电压为：

则变换结果为：

由式(3)和式(4)可知，通过理想三相电压的变换，可得到电压的瞬时均方根值，最终变换结果中的轴分量表示电压的均方根值。在平衡的三相电压暂降中，不会发生相位跳变。如果设暂降电压的方均根值为U，暂降电压通过上述变换后，仍可以得到如式(4)、(5)的结果。这样，电压暂降的幅值可瞬时得到。

由于坐标变换法是针对三相电路而言，所以当舰船电力系统的电压暂降为单相事件，并且同时引起电压的相位跳变时，该方法并不适用。根据对称三相三线制电路中电压各相波形相同、相位相差120°的特点，可以以单相电源为参考系，构造一个虚拟的三相系统，再利用坐标变换进行电压暂降特征量的分析。其原理如图1所示。

图1电压暂降单相控制的原理图

以A相为例，设其基波电压方均根值为U、初始相位为0。若把扰动作为高频振荡信号叠加，为h次高频信号的均方根值，为初相角，按指数衰减，那么A相电压可表示为

构建的虚拟三相系统的，分别为

虚拟三相电压进行变换，结果如下：

式中，1=(-1)+，1=(+1)+。

当暂降中没有伴随相角跳变时，则可依据式(9)求解，然后可以依据基波相电压方均根值的变化情况来确定是否发生电压暂降，其中该基波相电压方均根值是按直流分量的方法求出的。

若电压暂降发生时同时发生相位跳变，此时设电压方均根值为，相位跳变角为，则A相电压中基波分量表示为。假设如式(6)~式(9)电压中的高频振荡成分依然存在，构造B、C 相电压，通过延时A相60°得到，把得到的各相电压根据式(1)进行调整，然后将变换后所得的电压分量中的直流分量和提取出来，得到：

根据计算得到的和，可得暂降电压的幅值和相位跳变角为

瞬时变换法首先由单相电压构造出虚拟三相系统才能进行检测，实现过程中仍需进行三相变换，计算量仍然较大。

2.2变换法

变换检测法提出将单相瞬时电压从静止坐标系变换到旋转坐标系，使计算量大为减少。坐标系和坐标系间的变换如图2所示。

图2αβ坐标系和坐标系间的变换

通过式(14)，可得到旋转坐标系上的两个的分量和，完成了对电压的转换，得出了和的值，便计算暂降的幅值和相位跳变时间。即

通过变换法电压暂降的幅值变化和相位跳变的特征量便可得到。然而，这种方法分量是通过分量超前90°得到的，这样便存在一个延时性的问题，即该方法所用数据不具有同时性，这样会产生如下影响：一方面，使的检测故障时间加长，造成后期的电压补偿工作无法进行；再一方面，数据的不同时也会造成检测波形出现不同程度的扰动。因此，对应的检测精度也会下降，补偿效果随之也会降低。因此本文提出了一种改进的电压暂降检测方法。

2.3 改进的变换法

在变换法的基础上，本文利用求导代替变换检测法中的相位延迟，使二者具有同时性，明显加快了检测速度，克服了短时扰动现象，有利于后续补偿装置的补偿效果。令和通过下式计算。

通过（14）将和转换到和，再通过变换法可以计算得到相关的值。该方法不仅大大缩短了检测时间，从而缩短了补偿时间，提高实时性；而且避免了检测波形可能出现的短时扰动现象，提高了补偿精度和效果。

3 仿真验证

改进后的变换检测法主要解决了均方根值法不能计算电压暂降时的相位跳变的缺点，以及其延时性过高的问题。改进后的变换检测法主要流程如图3所示。

图3改进后的αβ变换法设计流程图

由图3可以看出，设定某相电压U（=220V），将其映射到轴，即。通过求导的方法得出α轴的分量。通过变换，得出和的值，进而得出的大小，通过计算的，比较判断是否发生电压暂降和相位跳变。判断是否发生电压暂降和相位跳变，可以采用“三点比较法”，针对是否发生相位跳变的情况，可采用不同的判别方法。假设当前时刻电压为3，按照时间先后顺序，2为3前一时刻电压，1为2前一时刻电压，电压暂将判别流程如图4所示。