O 引 言
    隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電力電子裝置以及非線性、沖擊性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，對電能質(zhì)量的污染越來越嚴(yán)重，其中電壓凹陷、電壓暫升和瞬時(shí)供電中斷等暫態(tài)電能質(zhì)量問題尤為明顯，并已成為是影響諸多用電設(shè)備正常運(yùn)行的最嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題。而計(jì)算機(jī)、微電子、通信等許多敏感用戶對電能質(zhì)量提出了很高的要求。由于計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的大量使用，動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題造成的損失日益受到重視。
    動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamk：Voltage Restor-er，DVR)作為一種串聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，采用基于電力電子器件的PWM逆變器結(jié)構(gòu)，是解決電壓凹陷問題的一種有效手段。DVR主要用來保護(hù)敏感負(fù)荷免遭來自電網(wǎng)的電壓擾動(dòng)尤其是電壓凹陷的沖擊，同時(shí)也應(yīng)該能夠補(bǔ)償如電壓諧波、不平衡等穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題。要想實(shí)現(xiàn)上述功能，首先要快速檢測電壓凹陷的起止時(shí)刻；其次要產(chǎn)生準(zhǔn)確的補(bǔ)償指令電壓信號(hào)包括凹陷補(bǔ)償指令信號(hào)和除電壓基波分量以外的總畸變量補(bǔ)償指令信號(hào)；此外應(yīng)該避免引起自身“誤動(dòng)”的高頻振蕩、脈沖等瞬時(shí)干擾。因此，快速、準(zhǔn)確地從含有擾動(dòng)的電壓信號(hào)中檢測出電壓凹陷的特征量是運(yùn)行的前提條件。
    目前對電壓凹陷特征量的檢測已有多種檢測方法，如有效值計(jì)算方法、峰值電壓法、基波分量法都只能用于檢測電壓凹陷的幅值；單相電壓變換平均值法、瞬時(shí)電壓dq分解法能同時(shí)檢測電壓凹陷的幅值和相位跳變，但無法檢測電壓凹陷的起止時(shí)刻；基于瞬時(shí)無功功率理論的dq0變換方法是目前DVR裝置中常用的電壓凹陷檢測方法，但是該方法只適用于三相對稱擾動(dòng)，而且沒有考慮電壓凹陷時(shí)可能隨之出現(xiàn)的相位跳變問題；由于實(shí)際的電壓暫降多為單相短路故障所引起，對于單相短路故障，必須以單相電壓為參考電壓構(gòu)造出一個(gè)虛擬三相系統(tǒng)，其原理不夠簡單明了，而且計(jì)算量比較大?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的時(shí)頻分析方法可同時(shí)獲得擾動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域信息，但算法復(fù)雜，而且實(shí)時(shí)性差。以上的多數(shù)檢測方法需要通過低通濾波器來分離直流分量，而濾波器會(huì)帶來延時(shí)。
    這里將從Hilbert變換入手，結(jié)合后差分的方法，首先利用Hiber·t變換快速提取凹陷電壓信號(hào)的幅值包絡(luò)，然后在此基礎(chǔ)上采用向后差分的方法，準(zhǔn)確地定位電壓凹陷發(fā)生的起止時(shí)刻，并在Matlab．／Simulink下搭建這種方法的仿真模型，最后給出了仿真結(jié)果。

1 Hilbert變換檢測法概述
    Hlibert變換巧妙F應(yīng)用解析表達(dá)式中實(shí)部、虛部的正弦和余弦關(guān)系動(dòng)態(tài)提取信號(hào)的幅值包絡(luò)。對于任一連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，其Hilbert變換^f(t)為：
   
    Hilbert變換實(shí)際就是幅頻特性為1、負(fù)頻率成分做+90~相移、正頻率成分做一90。相移的全通濾波器。^f(t)和f(t)是協(xié)調(diào)共軛，因此可以構(gòu)造信號(hào)，f(t)的解析表達(dá)式z(t)：
  
    通過以上可知，Hilbert變換得到解析(復(fù))信號(hào)的實(shí)信號(hào)是原信號(hào)本身，虛信號(hào)是原信號(hào)的Hilbert變換，解析信號(hào)剔除了實(shí)信號(hào)的負(fù)頻率成分，同時(shí)不會(huì)造成任何信息損失，解析信號(hào)的?？梢詼?zhǔn)確表示原信號(hào)的幅值包絡(luò)。之后再對幅值包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行后差分，得到如下的等式：
    B(n)=A(n)一A(n-1) (5)
式中：n為采樣數(shù)；A(n)為第n次采樣的信號(hào)幅值；B(n)為近似的差分值，即信號(hào)連續(xù)采樣點(diǎn)之間的變化值。如果信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，則差分所得的信號(hào)幅值很小。一旦信號(hào)中有擾動(dòng)現(xiàn)象，那么差分所得信號(hào)幅值在那一時(shí)刻突然變化(增大或減小)，從而可得到擾動(dòng)信號(hào)的起止時(shí)刻。

2 基于Hilbert變換檢測的基本原理
    通過對電壓信號(hào)進(jìn)行Hilbet。t變換形成幅值包絡(luò)線，通過后差分可以很容易獲取電壓信號(hào)凹陷位置，不僅能準(zhǔn)確檢測出電壓凹陷發(fā)生的起止時(shí)刻，而且可以準(zhǔn)確檢測出電壓幅值凹陷的深度，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，從而檢測出動(dòng)態(tài)電壓凹陷的特征量?；静襟E如下：
    (1)確定目標(biāo)電壓函數(shù)。目標(biāo)電壓函數(shù)即敏感負(fù)荷側(cè)電壓經(jīng)過DVR補(bǔ)償后要達(dá)到的電壓量。它是一個(gè)正弦函數(shù)，幅值為標(biāo)準(zhǔn)相電壓幅值，這里設(shè)為相角是由擾動(dòng)前基波電壓初相角、擾動(dòng)引起的相位跳變角以及補(bǔ)償策略共同確定的。ua′(t)為a相目標(biāo)電壓函數(shù)，擾動(dòng)前a相電壓的相位角為O，且采用完全電壓補(bǔ)償法，即將電壓跌落補(bǔ)償?shù)降淝暗碾妷悍岛拖辔?，使?fù)載側(cè)的電壓發(fā)生與電壓跌落前一致，要求相位不發(fā)生變化，因此可得：
   
    (2)確定電壓補(bǔ)償量。目標(biāo)電壓函數(shù)確定后，通過Hilber-t變換，并將變換的值與系統(tǒng)側(cè)電壓經(jīng)過Hilbert變換后的值相減，最后經(jīng)過Hilbert反變換得出需要的電壓補(bǔ)償量。單相電壓凹陷的檢測原理如圖1所示。

    圖1中：ua(t)表示系統(tǒng)側(cè)a相電壓；ua′(t)表示a相目標(biāo)電壓函數(shù)；uac(t)表示檢測出的三相電壓補(bǔ)償量。

3 計(jì)算機(jī)仿真
    在實(shí)際電力系統(tǒng)中，由于電壓凹陷多由單相接地故障引起。因此基于以上的理論分析及檢測的基本原理，利用Matlab中的Simulink對相電壓為220 V電力系統(tǒng)工頻運(yùn)行時(shí)發(fā)生單相接地短路故障的電壓情況進(jìn)行建模仿真。
3．1 仿真結(jié)果及分析
    當(dāng)故障相電壓短時(shí)下降，從而得到電壓凹陷的波形如圖2所示。

    仿真信號(hào)幅值為頻率為50 Hz，采樣頻率為10 kHz，即每周期采樣200點(diǎn)。從圖2中可以看出，故障相電壓在0．04 s時(shí)發(fā)生電壓凹陷，凹陷幅度為20％，持續(xù)時(shí)間0．04 s。
    圖3和圖4分別是用Hilbert檢測法對電壓凹陷的幅值檢測結(jié)果和跳變起止時(shí)刻的檢測結(jié)果。由仿真曲線可知，正常工頻電壓一旦有凹陷發(fā)生，其幅值就會(huì)發(fā)生改變。從而利用后差分就可準(zhǔn)確地檢測到電壓凹陷的起止時(shí)刻。

    結(jié)果表明，這種檢測方法的幅值檢測結(jié)果變化到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間基本上為0 ms，因此這種檢測方法對DVR而言具有非常好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并且能實(shí)時(shí)地產(chǎn)生補(bǔ)償指令電壓(如圖5所示)．滿足DVR補(bǔ)償裝置的實(shí)時(shí)性要求。

    圖6～圖9為電壓發(fā)生凹陷并伴隨有諧波的檢測結(jié)果及產(chǎn)生的補(bǔ)償指令電壓波形。

3．2 電壓補(bǔ)償分析
    目前關(guān)于DVR補(bǔ)償電壓的計(jì)算方法主要有3種：第一種完全電壓補(bǔ)償法，要求補(bǔ)償后電壓完全恢復(fù)到凹陷前負(fù)載電壓。該補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)是能保證凹陷前后負(fù)載電壓的連續(xù)性，對于那些對電壓幅值和波形連續(xù)性要求很高的負(fù)荷如相控整流設(shè)備等，是最佳的補(bǔ)償策略。該方法的缺點(diǎn)是輸出的電壓相量和功率不受控制第二種最小電壓補(bǔ)償法，要求將系統(tǒng)凹陷電壓的幅值補(bǔ)償至額定電壓，相位與凹陷電壓一致。該方法的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償電壓幅值最小、計(jì)算簡單。缺點(diǎn)是輸出功率不受控制，而且負(fù)載電壓有相角偏移。第三種最小能量法，要求補(bǔ)償后電壓幅值達(dá)到額定電壓幅值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出的能量最小。缺點(diǎn)是輸出電壓比較大，而且負(fù)載電壓也有相角偏移。
    與前兩種方法相比，最小能量法通過減少的有功輸出，從而在一定的儲(chǔ)能容量下，可以獲得更長的凹陷補(bǔ)償時(shí)間。在補(bǔ)償電壓凸起時(shí)，最小能量法也可以減少從系統(tǒng)吸收的有功，抑制或減少能量的倒灌。所謂能量倒灌，是指能量從系統(tǒng)向輸送的過程。
    為了減少輸出能量長期以來人們對最小能量法進(jìn)行了研究，從最簡單的單相最小能量法發(fā)展到三相最小能量法。在單相中，可以用電壓相量來描述系統(tǒng)的電壓凹陷，并根據(jù)相量來實(shí)現(xiàn)各種控制目標(biāo)的優(yōu)化。然而三相系統(tǒng)中由于電壓凹陷情況比較復(fù)雜，電壓存在不對稱以及相角跳變，用單相的電壓相量很難確切描述三相電壓凹陷情況，單相的補(bǔ)償方法無法應(yīng)用到三相系統(tǒng)中。
采用對稱分量法對能量優(yōu)化進(jìn)行分析，直接將輸出電壓等效成正序補(bǔ)償電壓，沒有考慮負(fù)序和零序電壓的影響，理論計(jì)算與實(shí)際的輸出有一定的誤差。通過旋轉(zhuǎn)三相參考電壓的方法來提高的補(bǔ)償范圍，同時(shí)也考慮了負(fù)序和零序電壓對輸出電壓的影響，并通過求取最優(yōu)能量旋轉(zhuǎn)角來減少輸出的有功。無論是單相還是三相最小能量法，均沒有考慮負(fù)載對相位跳變角的約束，導(dǎo)致補(bǔ)償前后負(fù)載電壓相位跳變角超出負(fù)載正常運(yùn)行所能允許的范圍。同時(shí)上述方法均將負(fù)載額定電壓作為補(bǔ)償目標(biāo)，一旦電壓凹陷的幅值超過的最大輸出補(bǔ)償電壓，則無法補(bǔ)償。針對以上缺點(diǎn)，結(jié)合負(fù)載正常運(yùn)行對電壓幅值和相角偏移的允許范圍，利用最優(yōu)補(bǔ)償電壓計(jì)算方法，可以擴(kuò)大補(bǔ)償范圍、減少有功輸出并能很好地抑制能量倒灌。

4 結(jié) 語
    針對DVR的電壓凹陷檢測，首次采用基于Hill3ert變換的檢測方法。理論上省去了濾波器，避免了濾波器帶來的延時(shí)。在此來用這種檢測方法對常見的電壓擾動(dòng)如電壓凹陷和含有諧波的電壓凹陷進(jìn)行快速檢測。從仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，該方法能夠快速對凹陷電壓信號(hào)的幅值進(jìn)行檢測，能準(zhǔn)確地檢測出電壓凹陷發(fā)生的起止時(shí)刻，并且運(yùn)算量較小，適合實(shí)時(shí)檢測的需要。