基于MATLAB/Simulink的IEC电压闪变仪研究与仿真

郑俊观 王硕禾

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

基于MATLAB/Simulink的IEC电压闪变仪研究与仿真

郑俊观 王硕禾

（石家庄铁道大学 河北石家庄 050043）

在现代电能质量评价标准中，闪变是其中的一个重要指标，反映了灯光闪烁对人体视觉的影响和电网电压的供电质量。根据IEC给出的闪变测量仪的基本原理，使用Matlab仿真软件构建闪变仪仿真模型，可以更加准确、方便地测量和分析电压闪变参数，经过仿真后的结果表明，闪变仪仿真模型达到了IEC相关标准。

闪变仪 控制系统 Matlab/Simulink

在电力市场中，电能和其他的商品一样有质量属性。随着社会经济的高速发展，用户对电能的质量的要求也越来越高，与此同时，现代电力系统中负荷结构发生了巨大变化，其非线性、冲击性等特点的负荷比例越来越高，造成电能质量下降，易发生电压波动，其中频率在0.05～30Hz的电压波动可能引起电压闪变。目前供电系统中造成电压干扰的负荷主要有：电弧炉、轧钢机、电力机车以及高功率脉冲输出的电子设备等。电压波动会引起许多危害，如会使得电动机的转速不稳定；使照明灯光闪烁，增加视觉疲劳；使对电能质量要求较高的电子仪器无法正常工作等[1-2]。所以电压波动与闪变已经成为考核电能质量的一项重要指标，对电压闪变和波动进行测量具有极大的重要性和实用性。

目前，国际上的闪变测量仪器，分别有英国的ERA闪变仪、法国的EDF闪变仪、日本的ΔV10闪变仪和由国际电工委员会IEC推荐的闪变仪。我国照明电压为220V，与IEC推荐的采用230V照明电压、60W白炽灯的闪变试验接近[3]。IEC标准仅仅给出了原理框图和设计规范，并未给出具体的实现方法。本文以IEC推荐的同步检测法及闪变测量原理框图为基础，使用Matlab/Simulink软件构建了操作简便的电压闪变仪模型，并成功进行了相应仿真测试。

1 电压波动的同步检测法

常用的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和平方检测法[3]。在IEC推荐的闪变测量方法中采用的是平方检测法。将电压波动看做以工频电压为载波，迭加多种波动频率分量的调幅波构成。为便于说明，假设输入信号中只有单一频率的调幅波，解析式为：

其中，Um工频载波电压的幅值，m=Vm/Um，Vm为调幅波电压幅值，Um为载波电压幅值，调幅

波电压的调制系数要求小于1，ω工频载波电压的角频率，Ω为调幅波电压的角频率。按照同步检测方法，调制波电压自乘求平方，得到

从式中可以看出，调制电压的平方项除了有直流成分外，低频分量、工频分量和工频以上分量后，可解调出近似加权的调幅波电压：

2 IEC闪变测量原理及分析

2.1 IEC闪变测量原理

根据IEC 61000-4-15所制造的IEC闪变仪是目前国际上通用的闪变测量仪器，其简化原理框图如图1所示。在图1中，框1为输入级，用来把不同等级的电源电压降至适用于仪器内部电路的电压值，同时产生用于仪器自检的标准调制波；框2、框3、框4综合模拟了灯—眼—脑环节对电压波动的反应。框2模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中调解出反映电压波动的调幅波；框3由带通滤波器解调出反应电压波动的调幅波，加权滤波器反映了人对60W、230V钨丝灯在不同频率的电压波动下照度变化的敏感程度；框4由一个平方器和一个低通滤波器组成，用来模拟灯—眼—脑环节对灯光照度变化的暂态非线性响应和记忆效应。其输出S(t)反映了人的视觉对电压波动的瞬时闪变感觉水平；框5用来进行闪变的统计分析，在10min观察期内，对上述信号进行统计计算，最终得出瞬时闪变值。

图1 IEC推荐的闪变仪框图

2.2 IEC闪变测量环节分析

闪变测量环节总体上可分为三部分：第一部分为输入信号适配调整，由图1中框1构成；第二部分为模拟视觉系统模型，即灯—眼—脑反应链的频率响应特征，由图1中框2、框3和框4构成；第三部分为测量到的瞬时闪变视觉度的统计分析，由图1中框5构成。下面对各个框图的作用与功能分别介绍。

（1）框1为输入级，包括两个部分，即一个输入电压适配器和一个自检信号发生器。电压适配器用于将输入的被测电压信号调整为适合仪器内部参照水平的电压数值，这一功能可通过电压适配器分接头调节或自动量程切换放大器实现。信号发生器则用来产生标准的调制波电压作为仪器的自检与标定信号。

（2）框2模拟灯的作用和特性。通过平方解调器分离出与调幅波幅值成比例的电压波动量。该量反映了灯照度变化与电压波动的关系，可采用被测信号自乘求平方来实现。

（3）框3模拟人眼的视觉频率选择特性。由两个级联滤波器，即带通滤波器和视觉度加权滤波器，以及一个测量范围选择器构成。其中，带通滤波器的功能是消除平方解调后电压信号中的直流分量和载波倍频分量。而视觉度加权滤波器模拟人眼视觉系统在白炽灯受到正弦电压波动影响下的频率响应。简而言之，即按照幅频特性对视觉度频率范围内的调幅波信号分别取不同的加权值。带通滤波器的通频带宽为0.05～35Hz。具体设计时，采用一阶高通滤波器抑制直流分量，并采用截止频率为35Hz的6阶巴特沃斯低通滤波器除载波工频成分以及以上频率分量。

其中，一阶高通滤波器的传递函数为

六阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为

所谓视感度加权滤波器就是觉察率为50%的闪变视感度-频率特性的具体实现。传递函数由两相构成第一项对应二阶带通滤波器，第二项为有一个零点和两个极点的补偿环节，分别为

测量范围选择器的作用是为了提高测量灵敏度而设置的。

（4）框4模拟人脑神经对视觉反映的非线性和记忆效应，由平方和积分滤波两个环节组成。其中，平方器模拟了人眼-脑觉察过程的非线性，而具有低通功能的一阶低通滤波器起着平滑平均作用，模拟人脑的存储记忆效应。

一阶低通滤波器的传递函数

至此，经框2、框3和框4的组合非线性响应，模拟了人经由灯-眼-脑反应链的闪变感觉

过程。框4的输出为瞬时闪变视感度S(t)。

（5）框5为在线统计分析结果和评价输出级。并且按照累积概率函数CPF作统计评估，最后给出实测计算得到的Pst值。

根据IEC的定义，使用短时间闪变值Pst 评价闪变。应用时常用5个规定值来计算Pst ：

3 仿真模型及结果

Simulink是基于MATLAB的，有着框图设计环境的一种可视化仿真工具。它提供了交互式图形化环境和自定义模块库，扩展了多领域建模功能，因此被广泛用于动态系统建模、仿真和分析中。使用Matlab/Simulink软件，按照图1所示框图，建立如下IEC闪变仪仿真模型如图2所示：设定输入波形为：

图2 Simulink的IEC闪变仪仿真模型

仿真时间为60s。仿真波形如图3～7所示。比较图3和图5可知，检测出的电压波动与实际调幅波输入基本一致；从图7可看出，瞬时闪变视感度S(t)与理论值S(t)=1非常接近。取稳定时的S(t)平均值，再由(4)式可得短时间闪变值Pst 。改变调幅波的幅值与频率，经仿真测试和计算，得出在不同频率下的闪变仪模型仿真测试结果见表1。

图3 输入调幅波（电压波动）

图4 输入的调制波（含电压波动信号）

图5 经0.05～35Hz带通滤波器后得到的近似加权的调幅波电压

图6 检测出的电压波动

图7 瞬时闪变视感度S(t)曲线

表1 在不同频率下的闪变仪模型仿真测试结果

4 结论

本文以IEC推荐的电压波动及闪变测量原理框图和设计规范为依据，讨论了各环节滤波器的传递函数，最后利用MATLAB/SIMULINK软件搭建了系统仿真模型，对电压波动分量、瞬时闪变视感度S(t)及短时间闪变值Pst进行测量。在表1中，我们可以得到在低频段Pst相对误差大于5%，而在高频段Pst满足误差要求，说明了Pst在低频段失真比较严重，是由于视感度加权滤波器在低频段特性不佳的原因，通过改变其增益来使相对误差满足要求。仿真结果在高频段满足IEC闪变测量精度要求，对研究电压波动及闪变的测量具有一定的指导意义。

[1]肖湘宁,等.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社,2010：112-115

[2]吴 炜,陈劲操.基于MATLAB的数字式IEC闪变仪分析研究[J].电测与仪表,2009,46(520)：50-52.

[3]张子林,李群湛,刘航等. 基于Matlab/Simulink 和Labview 的闪变测量研究[J].大功率电流技术,2010(3)：51-54.

Research and Simulation of IEC Voltage Flickermeter Based on MATLAB/Simulink

ZHENG Jun-guan WANG Shuo-he
(School of Electrical and Electronic Engineering of Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang Hebei 050043)

In the modern power quality evaluation standard, flickering is one of the important indicators reflecting the influence of light on human visual effect and the power quality of the power grid voltage. According to the basic principle of IEC flickermeter, a flickermeter simulation model built with Matlab simulation software can provide more accurate and convenient measurement and analysis of voltage flicker parameters. The simulation results show that the flickermeter simulation model reaches the relevant standards of IEC.

flickermeter control system Matlab/Simulink

A

1673-1816(2017)02-0053-06

2016-06-29

郑俊观（1992-），男，硕士，研究生，研究方向新能源发电与控制技术方面的研究。