動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)策略研究仿真與硬件搭建(包括文獻翻譯與原文)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）DVR電壓補償策略研究李皓君燕 山 大 學(xué)2013年6月本科畢業(yè)設(shè)計（論文）DVR電壓補償策略研究學(xué)院（系）： 里仁學(xué)院 專 業(yè)：09級應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： 李皓君 學(xué) 號： 091203031037 指導(dǎo) 教師： 沈虹 答辯 日期： 2013/6/16 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級教學(xué)單位：電氣工程及自動化 學(xué)號091203031037學(xué)生姓名李皓君專 業(yè)班 級09應(yīng)電-02題目題目名稱DVR電壓補償策略研究題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.

2、外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）題目類型1.畢業(yè)設(shè)計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ ）主要內(nèi)容1、查閱相關(guān)資料，研究動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理2、研究現(xiàn)有電壓補償策略的工作原理3、完成主電路、控制電路參數(shù)設(shè)計4、進行開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)仿真基本要求1、輸出交流電壓：220V/50Hz2、開關(guān)頻率：20KHz3、整流橋負載下THD小于54撰寫論文1本（不少于2萬字，字跡工整、語言流暢），標(biāo)準(zhǔn)A0圖紙一張參考資料1、電力電子技術(shù)（第四版）2、電力電子技術(shù)期刊3、IEEE on Power Electronics4、IEEE on Industry Applicatio

3、n5、電工技術(shù)學(xué)報、電工技術(shù)雜志、電氣傳動、電氣自動化等周 次第 14周第 58周第 912周第1316周第1718周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱資料，學(xué)習(xí)理論知識。了解題目概況、工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成完成主電路和控制電路方案選擇，對所設(shè)計系統(tǒng)進行理論分析系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與仿真研究系統(tǒng)仿真實驗研究整理實驗數(shù)據(jù)，并與理論比較，撰寫論文指導(dǎo)教師：沈虹職稱： 副教授 2012 年 12月 13 日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要摘要伴隨著經(jīng)濟發(fā)展而來的的是我國用電負擔(dān)逐年增加，電網(wǎng)電壓的跌落和電壓波形的畸變現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，這會給許多對電壓質(zhì)量要求很高或是很敏感的電氣設(shè)備帶來困擾。同時，電力電子器件在生活的各個領(lǐng)域的應(yīng)用

4、也越來越廣泛，為解決電能質(zhì)量問題的各種電氣設(shè)備相繼問世，對在性能與性價比方面占很大優(yōu)勢的動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）廣泛關(guān)注，被認為是最有前景的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的電力電子裝置。本文首先介紹了動態(tài)電壓恢復(fù)器的出現(xiàn)與發(fā)展，給出了各種電壓跌落的介紹，并介紹了DVR 的典型結(jié)構(gòu)，詳細說明了動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理，并且對DVR的主要組成部分儲能裝置、控制裝置、濾波裝置、逆變裝置等做了必要的分析，主要介紹了DVR現(xiàn)有電壓補償策略的工作原理，設(shè)計了動態(tài)電壓恢復(fù)器的主電路部分與控制電路部分，然后應(yīng)用MATLAB 建立了單相DVR 的仿真模型。利用仿真模型完成了跌落前電壓補償策略與同相電壓補償策略的仿真，針對電網(wǎng)電壓

5、的電壓跌落與電壓相位偏移做了仿真，最后得出的仿真結(jié)果驗證了DVR 確實能改善負載側(cè)電能質(zhì)量。在逆變器的控制方法中有單周期控制、PWM控制等等，本次設(shè)計對比了提到的兩種控制策略，最后應(yīng)用了PWM控制主電路。關(guān)鍵詞:動態(tài)電壓恢復(fù)器； 跌落前電壓補償法； 同相電壓補償法I 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）AbstractAlong with economic development comes the burden of electricity increased year by year. Grid voltage drop and voltage waveform distortion pheno

6、menon often occurs. This will give a lot of high quality requirements of the voltage sensitive electrical equipment or bring trouble. And, application of Power electronic devices in all areas of life has become increasingly widespread. In order to solve power quality problems have come out of the va

7、rious electrical equipment. Performance and value for money in a great advantage in terms of both dynamic voltage restorer (DVR) attention, is considered the most promising power quality adjustable power electronic devices.The Dynamic Voltage Restorer emergence and development is introduced in this

8、paper, given the introduction of a variety of voltage drop. And describes the typical structure of the DVR.A detailed description of the dynamic voltage restorer works. And is a major component of the DVR storage devices, control devices, the filter device, inverter device, and so do the necessary a

9、nalysis, mainly on the DVR existing voltage compensation strategy works. Design of a dynamic voltage restorer of the main circuit section and the control circuit portion .Then applied to establish a single-phase DVR MATLAB simulation model. Using the simulation model completed before the voltage dro

10、p compensation strategy with the same phase voltage compensation strategy simulation .For grid voltage drops and do the simulation phase shift. Finally the simulation results obtained DVR can really improve the load-side power quality. The inverter control method of a single-cycle control, PWM contr

11、ol and more. The design contrasts mentioned two control strategies, the final application of the PWM control of the main circuit.Keywords: Dynamic voltage restorer, before voltage drop compensation method, Phase voltage compensation methodIII 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2動態(tài)電壓恢復(fù)器的出現(xiàn)與發(fā)展11.3電能質(zhì)量問

12、題21.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.5 本文研究內(nèi)容：4第2章 動態(tài)電壓恢復(fù)器工作原理52.1 DVR典型結(jié)構(gòu)52.2 DVR的工作原理82.3控制方式92.4補償方式10本章小結(jié)：12第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型133.1 DVR仿真模型133.2參數(shù)計算143.3暫降前電壓補償仿真結(jié)果與分析153.4同相位電壓補償仿真結(jié)果與分析173.5暫降前電壓補償閉環(huán)仿真分析20本章小結(jié)：23第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計24結(jié)論31參考文獻32致謝33附錄1-開題報告34附錄2-文獻綜述38附錄3-中期報告40附錄4-中文譯文48附錄5-外文原文63III第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景伴隨著

13、經(jīng)濟發(fā)展而來的的是我國用電負擔(dān)逐年增加，電網(wǎng)電壓的跌落和電壓波形的畸變現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，這會給許多對電壓質(zhì)量要求很高或是很敏感的電氣設(shè)備帶來困擾。并且，電力電子器件在生活的各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，為解決電能質(zhì)量問題的各種電氣設(shè)備相繼問世，動態(tài)電壓恢復(fù)器使其中的佼佼者。當(dāng)系統(tǒng)電壓受到外界干擾時，會產(chǎn)生類似電壓跌落的電能質(zhì)量問題，這是造成敏感負載出現(xiàn)問題的主要原因，而DVR會在1-2ms之內(nèi)產(chǎn)生補償電壓，抵消敏感負載所受干擾，使負載正常工作，有助于降低電能質(zhì)量問題所帶來的設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷、產(chǎn)品質(zhì)量不合格等等的經(jīng)濟損失，保證了計算機負載與敏感負載的安全可靠運行。在性能與性價比方面占很大優(yōu)勢的動態(tài)電

14、壓恢復(fù)器（DVR）廣泛關(guān)注，被認為是最有前景的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的電力電子裝置。1.2動態(tài)電壓恢復(fù)器的出現(xiàn)與發(fā)展1996年，美國西屋(Westinghouse) 公司首次發(fā)表了動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究報告和實驗結(jié)果，標(biāo)志著動態(tài)電壓恢復(fù)器的誕生。同年8月，美國西屋公司與美國電力科學(xué)院(EPRI)共同研制的功率2MVA的DVR裝置成功安裝在美國北卡羅來納州一家叫Duke的電力公司的一個12.47kV系統(tǒng)上，對全廠的電力質(zhì)量問題進行補償，運行后起到了良好效果。1998年，瑞士ABB公司研制的功率4MVA的DVR裝置成功在新加坡的一家半導(dǎo)體制造廠投入運行，從安裝后實際運行情況來看，此DVR裝置很好的完成了對全廠

15、電壓跌落、電壓突升及三相不平衡的補償。1999年，德國西門子(Siemens)公司為美國電力科學(xué)院制造的世界上第一臺桿上緊湊式動態(tài)電壓恢復(fù)器成功安裝在加拿大道森克里克地區(qū)的一條12.5kV配電線上，對600kVA的負載提供保護。2000年，瑞士ABB公司再次生產(chǎn)的兩套大容量的DVR裝置在以色列一家芯片制造廠投入實際運行，運行后為該廠帶來了巨大的經(jīng)濟效益。1.3電能質(zhì)量問題理想的負載電壓應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓，具有固定的幅值和固定的頻率，并且三相對稱。但是由于從發(fā)電廠發(fā)電、輸電網(wǎng)輸電、配電廠配電等環(huán)節(jié)中的各種因素影響，最后施加到負載上的電壓幅值、頻率中的一項或幾項可能出現(xiàn)偏差導(dǎo)致電能質(zhì)量問題。電能

16、質(zhì)量問題主要分為以下幾類：1、電壓跌落電壓跌落是指在固定頻率下，電網(wǎng)電壓的有效值短時間內(nèi)下降。電壓跌落值一般為0.1-0.9 倍額定值，持續(xù)時間一般不長。電壓跌落產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障和負載突增。2、電壓突升電壓突升是指在工頻下，電網(wǎng)電壓的有效值短時間內(nèi)上升。電壓突升值一般為1.1-1.8 倍額定值，持續(xù)時間為一般也不長。電壓突升產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障和負載突降。3、供電中斷供電中斷是指在一段時間內(nèi)，系統(tǒng)的一相或多相電壓低于 0.1 倍額定值。瞬時中斷定義為持續(xù)時間在0.5 個周期到3 秒之間的供電中斷，短時中斷的持續(xù)時間在3-60 秒之間，而持久停電的持續(xù)時間大于 60

17、秒。4、電壓不平衡電網(wǎng)電壓不平衡是指三相電壓的幅值或相位不對稱。三相電壓不平衡的程度用不平衡度來表示，一般三相不平衡是指不平衡度超過 2%，短時超過 4%。在電力系統(tǒng)中，各種不對稱工業(yè)負載以及各種接地短路故障都會導(dǎo)致三相電壓的不平衡。5、諧波諧波指以工頻的整數(shù)倍作為頻率的電壓或電流。隨著電力電子設(shè)備的廣泛使用，非線性負荷的逐年增加，中、低壓配電網(wǎng)中的諧波分量也不斷上升。諧波產(chǎn)生的原因主要是當(dāng)電流流經(jīng)非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。盡管電能質(zhì)量問題的種類很多，但在上述所有電能質(zhì)量問題中，根據(jù)統(tǒng)計，電壓跌落和持續(xù)近 1 秒的短暫供電中斷是工業(yè)和事業(yè)用戶所面臨

18、的最為常見和嚴重的電能質(zhì)量問題，電壓跌落與斷電已上升為最重要的電能質(zhì)量問題之一，應(yīng)引起足夠的重視。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界上的第一臺 DVR 裝置由美國西屋公司研制成功，并于 1997 年 8 月在美國DUKE 電力公司投入運行，西門子公司在 1999 年的 IEEE 會議上介紹了他們的 DVR 的運行情況。ABB 公司在 2000 年 IEEE 會議上介紹了安裝在瑞士4的 DVR 的運行情況。在日本，柱上式 DVR 也已經(jīng)投入運行。這些裝置的運行目的是為了取得足夠的運行經(jīng)驗，以及在實際中檢驗裝置的性能從而加以進一步改善。除了上述的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器實例，世界上還有很多廠家和研究機構(gòu)正在研制各自的

19、 DVR，如美國威斯康欣大學(xué)。在國內(nèi)，很多高等院校和研究機構(gòu)也已經(jīng)在幾年前開始開展這方面的研究工作，如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)、東南大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院等等。這些研究單位對于DVR 的運行原理、電路結(jié)構(gòu)都進行了大量的深入研究并研制了相應(yīng)的樣機，其中東南大學(xué)研制出的補償容量為 75 kVA 的試驗樣機在國內(nèi)處于較高的容量水平。但是與國外相比，我們還沒有相應(yīng)的運行經(jīng)驗，所研制的實驗室樣機在全壓下的實驗工作有待進行；實驗負載仍然過小，在大功率負載情況下裝置的運行情況有待進一步實驗，DVR 裝置串聯(lián)于系統(tǒng)和負荷之間，其本身的負載特性對于補償效果也有一定的影響，在這方面也需要進一步的研究

20、。另外，在容量和電壓等級方面，我們的研究成果與國外的還有很大的差距。一方面是需要投入大量研發(fā)資金的問題，但更重要的是某些關(guān)鍵技術(shù)我們還沒有掌握。如系統(tǒng)故障條件下，DVR 本身承受故障大電流的能力，在雷電過電壓或內(nèi)部過電壓下，DVR 的絕緣配合問題等。DVR 的系統(tǒng)保護問題的存在，阻礙了我國DVR 技術(shù)在高壓大容量場合的應(yīng)用，因此有必要對其進行細致的研究。目前 DVR 的研究發(fā)展主要集中在以下三個方面：一是儲能技術(shù)，儲能單元是決定 DVR 系統(tǒng)硬件成本的主要因素之一，儲能器件的穩(wěn)定性和充放電特性直接影響DVR 的整體性能；二是檢測控制單元，對電壓質(zhì)量問題的準(zhǔn)確、快速識別和測量以及對其采取的補償控

21、制策略直接關(guān)系到 DVR 的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；三是逆變側(cè)單元，對同一電壓等級和容量等級的 DVR，逆變器的電路拓撲不同、脈寬調(diào)制方式不同、控制策略不同以及與電網(wǎng)的耦合方式不同，裝置的硬件成本和性能可能會不同。1.5 本文研究內(nèi)容：本章節(jié)主要介紹了課題背景、動態(tài)電壓恢復(fù)器的出現(xiàn)與發(fā)展、電能質(zhì)量問題、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。我們得知電能質(zhì)量問題的出現(xiàn)原因與分類，還有由于電能質(zhì)量問題動態(tài)電壓恢復(fù)器隨之出現(xiàn)，現(xiàn)在動態(tài)電壓恢復(fù)器發(fā)展的還不完善，有許多問題還有待解決。3 第2章 動態(tài)電壓恢復(fù)器工作原理 第2章 動態(tài)電壓恢復(fù)器工作原理2.1 DVR典型結(jié)構(gòu)圖2-1 DVR結(jié)構(gòu)圖DVR 的典型的結(jié)構(gòu)如上圖所示，主要包括

22、逆變器，LC 濾波器，串聯(lián)變壓器，控制電路部分，儲能裝置。下面將對各個單元進詳細的分析。逆變器：逆變器是DVR 的核心，依據(jù)逆變電路結(jié)構(gòu)的不同可分為單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器。單相半橋逆變器使用兩只開關(guān)器件，其器件成本較全橋逆變器節(jié)省，但在直流側(cè)需要電容分壓，從而存在直流側(cè)兩個電容均壓的問題。如果直流側(cè)電容不能很好地均壓，逆變器輸出電壓品質(zhì)將受到很大的影響。同時由于直流側(cè)經(jīng)過了分壓，直流側(cè)電壓的利用率降低為 1/2。全橋逆變器比半橋逆變器多用兩只開關(guān)器件，裝置的成本提高。橋式逆變器普遍存在橋臂直通的問題，都需要可靠的橋臂保護手段來防止橋臂直通。推挽式逆變器不存在橋臂直通的問題，

23、但功率器件的開關(guān)集電極電壓應(yīng)為電容電壓的兩倍。它的最大優(yōu)點是在低輸入電壓時，任何時候最多只有一個開關(guān)器件工作，因而在輸出功率相同時開關(guān)損耗較小，適用于低壓輸入的大功率變換器。逆變器輸出電壓的控制有以下三種基本方案：（1）可控整流方案如果電源是交流電源，可通過改變整流器輸出到逆變器的直流電壓來改變逆變器的輸出電壓。（2）斬波調(diào)壓方案如果前級是二極管不控整流或電池，則可以通過直流斬波器改變逆變器的直流輸入電壓來改變逆變器的輸出電壓。（3）、逆變器的自身控制方案采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果基本相同。PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)

24、體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，調(diào)控輸出電壓中基波電壓的大小、增大輸出電壓中最低次諧波的階次、并減小其諧波數(shù)值，來達到調(diào)控其輸出基波電壓，同時又改善電壓波形的目的。這是目前廣泛應(yīng)用的先進的控制方法。SPWM法是一種目前使用較廣泛的PWM 法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM 波形，即SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件

25、的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。本文設(shè)計的實驗電路采用SPWM 方案。LC 濾波器:逆變器采用PWM 控制方法，輸出的電壓就是含有高頻分量的PWM 波，為了得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓，必須有低通濾波裝置。濾波器可以有以下三種安裝位置：一、逆變器和串聯(lián)變壓器之間這種方式可以降低串聯(lián)變壓器的設(shè)計容量，因為經(jīng)過濾波器后，高次諧波不會再通過串聯(lián)變壓器，但是濾波器也引起了相移和幅度的衰減。二、利用串聯(lián)變壓器的漏感作為濾波電感這種方式利用了串聯(lián)變壓器的漏感作為濾波電感，減少了一個濾波電感，但是高次諧波會通過

26、串聯(lián)變壓器，它的容量必然要增大，濾波效果也不太好。三、串聯(lián)變壓器和負載之間這種方式的優(yōu)點是可以用電感來消除串聯(lián)變壓器漏感的分布參數(shù)的影響，但是這樣系統(tǒng)電流中會包含高頻電流成分，串聯(lián)變壓器的容量也要增大。儲能裝置:直流側(cè)儲能裝置主要有以下幾種形式：一、大電容儲能當(dāng)系統(tǒng)電壓正常時，通過整流裝置給電容器充電，充電到一定數(shù)值時，從系統(tǒng)切除DVR。當(dāng)系統(tǒng)電壓波動時，通過逆變器補償系統(tǒng)電壓，電容器的容量決定了DVR的可以提供的能量。整流電路共用直流母線電容器的方式被廣泛采用，電容器分為普通電容器，無極性電容器和超級電容器。普通電容器的成本較低，使用方便，但是它的能量密度小，而且壽命有限。超級電容器的能量密

27、度比較高，可快速充放電，而壽命時間長，但是成本高昂，而且現(xiàn)在技術(shù)不是很成熟，實現(xiàn)起來比較困難。因此目前大多數(shù)直流測儲能裝置還是使用普通電容器。二、蓄電池儲能采用蓄電池供電，不但能夠提供無功調(diào)節(jié)，而且能夠在供電中斷的情況下短時供電。但是蓄電池的容量也是有限的，不能長時間工作，而且蓄電池的價格比較昂貴，維護也不方便。三、其余的儲能方式超導(dǎo)儲能由于能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高、充放電快等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，但是成本較高，限制了它的應(yīng)用。相信隨著對超導(dǎo)儲能系統(tǒng)研究的進一步深入，成本會大幅度下降，應(yīng)用會越來越廣泛。飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是軸承，摩擦小的軸承的儲能系統(tǒng)的效率高，現(xiàn)有的電磁軸承摩擦小、壽命長，但是用

28、來穩(wěn)定和定位飛輪的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。通過以上的分析，決定選用整流電路共用直流母線電容器的方式，電容器為電解電容。2.2 DVR的工作原理系統(tǒng)側(cè)電壓經(jīng)過整流橋變換為直流電能，通過直流側(cè)電容為 PWM 逆變器供電，或由其他直流儲能元件為逆變器供電。通過控制逆變器開關(guān)將直流側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的交流電壓，調(diào)節(jié)逆變器的輸出改變 DVR 補償電壓的幅度與相位。補償電壓經(jīng)過濾波器和串聯(lián)變壓器注入系統(tǒng)電網(wǎng)。由于 DVR 利用由線路交流電源經(jīng)整流得到的直流電壓作為逆變器直流側(cè)的電源，即便在系統(tǒng)側(cè)電壓長期低落時也可通過插入補償電壓使負載側(cè)電壓恢復(fù)正常。如果在直流側(cè)電容兩端并聯(lián)蓄電池，或采用大容量的電容儲能的話，

29、該裝置還可起到 UPS 的作用，即在系統(tǒng)側(cè)短期發(fā)生電壓中斷故障時仍可向負荷提供一定時間的能量。此外如果采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ撗b置還可以起到有源濾波器的作用，以確保負載側(cè)的供電電壓為正弦信號。所以 DVR 可以起到維持電壓，補償有功和無功，平衡相間功率，有源濾波等功能，能夠綜合地解決電壓質(zhì)量問題。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的基本思想是通過串聯(lián)變壓器在用戶線路中插入一個動態(tài)受控的電壓 ，使負載上電壓基本穩(wěn)定。首先檢測電路檢測出電壓量；隨后通過控制電路產(chǎn)生補償信號；再經(jīng)過PWM 電路形成PWM 驅(qū)動信號；然后由驅(qū)動電路去控制逆變器功率器件的開通和關(guān)斷；最后經(jīng)LC 濾波器濾除高次諧波，從而在串聯(lián)變壓器上產(chǎn)生與補償

30、指令相同的補償電壓來消除電網(wǎng)電壓中的跳變量，達到給負載提供高質(zhì)量電能的目標(biāo)。裝置的核心部分是基于全控器件的一個逆變器，DVR 輸出的電壓幅值和相位是可以調(diào)節(jié)的，與此對應(yīng) DVR 所需的無功和有功也是變化的。通過控制動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓的幅值和相位 ，我們可以調(diào)節(jié)負載的端電壓。然而對于不同的補償方式，幅值和相位的可調(diào)程度是不同的。對于沒有儲能單元的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，只能使用無功補償方式，此時動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器不向系統(tǒng)注入任何有功能量；帶有儲能單元的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器可以采用無功或有功補償方式，在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和相位。而無功或有功補償方式又可以分為同相補償和完全補償，最小能量補償三種方式

31、種方式。2.3控制方式前饋控制：圖2-2 前饋控制圖前饋控制如圖2-2所示，前饋控制以系統(tǒng)側(cè)電壓作為輸入信號，控制器通過比較系統(tǒng)電壓與參考電壓的差值來提供補償電壓，前饋控制模式具有響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，控制方法簡單，易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，因此使用相當(dāng)廣泛。前饋控制的具體過程為利用傳感器檢測電路檢測出系統(tǒng)側(cè)電壓，然后計算出系統(tǒng)電壓與基準(zhǔn)參考電壓信號的差值，然后通過控制電路產(chǎn)生由補償策略確定的補償信號，再由驅(qū)動電路控制逆變器的功率器件開關(guān)，最后由濾波器濾除高次諧波，輸出與補償指令相同的補償電壓來補償電網(wǎng)電壓的畸變。但是補償電壓從串聯(lián)變壓器原邊輸出到副邊時，由于內(nèi)阻和漏感的影響，副邊輸出的電壓幅值和相

32、位都會偏移，當(dāng)負載變化時，在內(nèi)阻和漏感上產(chǎn)生的壓降會使輸出電壓也隨之變化，從而影響補償精度。反饋控制：圖2-3 反饋控制圖反饋控制如圖2-3所示，反饋控制以負載電壓作為輸入信號，控制器通過比較負載電壓與參考電壓的差值來提供補償電壓，反饋控制對負載電壓進行直接控制，輸出電壓精度高，對負載變化的適應(yīng)性也相對較好。反饋控制的具體過程為標(biāo)準(zhǔn)正弦波與實時采集的負載電壓相減得到電壓差值，電壓差值經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后送入PWM 控制芯片，產(chǎn)生的PWM信號送入驅(qū)動電路獲得主電路的驅(qū)動信號。但是反饋控制的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都不如前饋控制。2.4補償方式系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時，通常是電壓幅值的減小并伴隨著電壓相位的改變

33、。為了能使得電壓恢復(fù)到跌落前的狀況，最一般的考慮是向系統(tǒng)補償?shù)淝昂蟮碾妷翰钪?，使補償后電壓和跌落前電壓保持一致。下圖是完全補償法的相量圖，圖2-4 暫降前電壓補償向量圖圖2-4中U0是負荷側(cè)電壓相量、Us是跌落后的電壓相量、Ui是補償電壓相量，I是負荷側(cè)電流相量、負荷側(cè)電壓與電流的夾角是負荷功率因數(shù)角。這種方法的優(yōu)點是補償后電壓的幅值、相位和補償前完全一致，但完全補償法的實現(xiàn)是基于這樣的假設(shè)：DVR的容量和蓄能裝置提供的能量是足夠大的。當(dāng)?shù)潆妷合辔黄钶^大時，會出現(xiàn)Ui和功率同時都很大的情況，因此它是一種理想化的補償方法。實際中對于DVR串聯(lián)側(cè)補償策略的討論需要考慮個方面的問題：一是電壓補

34、償能力，即在DVR容量一定的條件下，如何補償更大幅度的電壓跌落。也即當(dāng)?shù)潆妷悍狄欢〞r，如何降低補償電網(wǎng)電壓Us的幅值，從而降低DVR的容量。二是能量補償能力，即儲能電容一定的條件下，在電壓跌落時如何獲得更長的補償時間。前面提到，DVR工作過程也可以理解為補償裝置和系統(tǒng)之間進行有功、無功的能量交換過程，為了獲得更長的補償時間，關(guān)鍵問題是使補償裝置向系統(tǒng)提供的有功功率盡可能的少。當(dāng)分別考慮DVR的電壓補償能力和能量補償能力，相應(yīng)就有了同相補償法和最小耗能補償法。下圖2-5是同相補償法的向量圖：圖2-5 同相位補償向量圖同相補償法使Us和Ui保持相位相同，這樣做使得補償一定的電壓跌落所需要的電壓

35、幅值最小。但是同相補償法只是對跌落電壓的幅值進行補償，并不能補償相位，這樣的結(jié)果使補償后電壓會由于跌落電壓相位的偏差而出現(xiàn)電壓的不連續(xù)。圖2-6 a）最小能量補償向量圖 b）最小能量補償向量圖由于DVR的蓄能裝置提供的能量有限，若采用最小耗能補償法，當(dāng)補償電壓時由補償裝置向系統(tǒng)注入的有功最小，使得DVR在補償能力有限的情況下長時間的工作。上圖表示采用最小耗能補償法 和兩種情況下的電壓補償相量圖?？梢钥吹?，由于Ui和I垂直，DVR只向系統(tǒng)注入無功，而沒有注入有功，因此DVR可以長時間的工作。本章小結(jié)：本章節(jié)首先介紹了DVR典型結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)的作用一些情況，然后說明了DVR的工作原理、控制方式、補償

36、方式等一些內(nèi)容。75 第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型 第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型3.1 DVR仿真模型圖3-1 暫降前電壓補償仿真模型圖第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型 仿真電路如圖3-1所示，根據(jù)實驗要求輸出交流電壓220V/50Hz，開關(guān)頻率20KHz，用斷路器模塊、交流電源與階躍信號模塊共同組成一個電壓跌落的電源。階躍信號模塊是一個在0.05s時出現(xiàn)單位階躍的，通過單位階躍控制斷路器模塊的通斷。在0.05s之前，其中一個斷路器導(dǎo)通輸出電壓為220v頻率為50Hz的交流電壓，另一個關(guān)斷；在0.05s之后，通過階躍信號改變斷路器的通斷，使另一個電壓輸出到電網(wǎng)，

37、將電網(wǎng)電壓變?yōu)殡妷?10v頻率為50Hz的正弦電壓。把電網(wǎng)電壓與標(biāo)準(zhǔn)正弦信號比較得到想要補償?shù)碾妷盒盘?，把這個電壓信號進行PWM調(diào)制得到控制信號，輸出到雙橋逆變器控制逆變器工作，逆變器輸出與想要補償?shù)碾妷盒盘柕刃У碾妷翰ㄐ谓?jīng)過LC濾波得到期望波形，補償?shù)诫娋W(wǎng)電壓上，補償負載電壓。本次設(shè)計中進行的是單相DVR的仿真分析，3.2參數(shù)計算逆變器的輸出電壓在濾波前是SPWM 調(diào)制波，其中既有50HZ 基波，又有高次諧波，只有通過濾波器后才能得到所需的50HZ 交流正弦波形。濾波器是一種具有選擇性的四端網(wǎng)絡(luò)，它允許某些特定頻率的信號通過。允許通過的信號頻率范圍為通帶，不允許通過的信號頻率范圍為阻帶，通帶

38、與阻帶交界的頻率f c稱為截至頻率。根據(jù)濾波器通帶和阻帶的位置關(guān)系，濾波器可分為：高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器等，本實驗采用LC 低通濾波器。 （3-1） （3-2） 即時所得的頻率為截止頻率fc， （3-3）由于ffc，則L1/C，L對諧波信號阻力很大，1/C對諧波信號分流很大，因此濾波器不允許諧波信號通過。 （3-4）令，稱為特性阻抗，則 （3-5） （3-6） （3-7）RL=10，取=6逆變器輸出電壓中基波頻率為f= 50HZ，設(shè)截止頻率為 fc= 500HZ 。L=1.91mHC=53uF逆變橋所用的直流電壓由一個100V 的直流電源提供，開關(guān)頻率為20kHZ，輸出濾波電感設(shè)置

39、為1.91mH，濾波電容設(shè)置為53uF。負載為10歐姆的純阻性負載。采用的是前饋控制，檢測到的電網(wǎng)電壓與給定電壓比較，產(chǎn)生的補償電壓信號控制產(chǎn)生SPWM 波的正弦電壓補償?shù)诫娋W(wǎng)。3.3暫降前電壓補償仿真結(jié)果與分析設(shè)置階躍信號初時值為0，在0.05 秒處變?yōu)? 持續(xù)到仿真過程結(jié)束。以此來模擬系統(tǒng)側(cè)電壓在0 秒到0.05 秒是正常值，0.05 秒到0.2秒發(fā)生電壓跌落，此時得到的仿真波形如下圖所示。從上到下，依次為系統(tǒng)側(cè)電壓，DVR補償電壓，負載側(cè)電壓。圖3-2 電網(wǎng)電壓波形圖3-3 補償電壓波形圖3-4 負載電壓波形從仿真結(jié)果可以看出DVR可以很好地補償電壓跌落，使負載的電壓連續(xù)，維持在220v

40、電壓基本不變。補償?shù)牟皇悄敲赐耆?，?.05s以前電容上也有電壓信號，是因為電容分壓，我相信可以通過改進DVR進行完善。3.4同相位電壓補償仿真結(jié)果與分析當(dāng)?shù)潆妷悍狄欢〞r，如何降低補償電壓U的幅值，從而降低DVR的容量。能量補償能力也是要注意的問題之一，即儲能電容一定的條件下，在電壓跌落時如何獲得更長的補償時間。前面提到，DVR工作過程也可以理解為補償裝置和系統(tǒng)之間進行有功、無功的能量交換過程，為了獲得更長的補償時間，關(guān)鍵問題是使補償裝置向系統(tǒng)提供的有功P盡可能的少。當(dāng)分別考慮DVR的電壓補償能力和能量補償能力，相應(yīng)就有了同相補償法和最小耗能補償法。同相補償法使補償電壓和電網(wǎng)電壓保持相位相

41、同，這樣做使得補償一定的電壓跌落所需要的電壓幅值最小。在建立同相位電壓補償仿真時，是從暫降前電壓補償仿真模型基礎(chǔ)上建立的，同相位電壓補償仿真與暫降前電壓補償仿真模型基本相同，只是改變電網(wǎng)電壓與給定。將電網(wǎng)電壓與給定做差得到補償電壓，因為0.05s以前電壓沒有發(fā)生跌落與相移，所以不用補償，用一個0.05s發(fā)生階躍的單位階躍模塊與補償電壓信號相乘，來模擬檢測到電網(wǎng)電壓出現(xiàn)電能質(zhì)量并進行補償電壓信號的輸出。接下來與暫降前電壓補償相同，把這個電壓信號進行PWM調(diào)制得到控制信號，輸出到雙橋逆變器控制逆變器工作，逆變器輸出與想要補償?shù)碾妷盒盘柕刃У碾妷翰ㄐ谓?jīng)過LC濾波得到期望波形，補償?shù)诫娋W(wǎng)電壓上，補償負

42、載電壓。下圖3-5所示為同相位電壓補償仿真模型：圖3-5 同相位電壓補償仿真模型下面依次是電網(wǎng)電壓波形、補償電壓波形、負載電壓波形：圖3-6 電網(wǎng)電壓波形圖3-7 補償電壓波形圖3-8 負載電壓波形從仿真結(jié)果可以看出DVR可以很好地補償電壓跌落與相移，使負載的電壓幅值連續(xù)，維持在220v電壓基本不變。補償?shù)耐瑯硬皇悄敲赐耆?，?.05s以前電容上也有電壓信號，是因為電容分壓。3.5暫降前電壓補償閉環(huán)仿真分析暫降前電壓補償閉環(huán)仿真與暫降前電壓補償仿真模型基本相同，只是改變控制方式。將負載電壓與給定做差得到補償電壓，把這個電壓信號進行PWM調(diào)制得到控制信號，輸出到雙橋逆變器控制逆變器工作，逆變器輸

43、出與想要補償?shù)碾妷盒盘柕刃У碾妷翰ㄐ谓?jīng)過LC濾波得到期望波形，補償?shù)诫娋W(wǎng)電壓上，補償負載電壓。設(shè)置PI調(diào)節(jié)器，Kp=1，Ki=0.8，其他參數(shù)與暫降前電壓補償相同。下面依次是暫降前電壓補償閉環(huán)仿真模型、電網(wǎng)電壓波形、補償電壓波形、負載電壓波形：圖3-9 暫降前電壓補償閉環(huán)仿真模型圖3-10 電網(wǎng)電壓波形圖3-11 補償電壓波形圖3-12 負載電壓波形從仿真結(jié)果可以看出，反饋控制的具體過程為標(biāo)準(zhǔn)正弦波與實時采集的負載電壓相減得到電壓差值，電壓差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后進行PWM調(diào)制，產(chǎn)生的PWM信號送入驅(qū)動電路獲得主電路的驅(qū)動信號。但是反饋控制的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性都不如前饋控制。本章小結(jié)：本章節(jié)進行了

44、參數(shù)計算，又分別介紹了暫降前電壓補償仿真模型、同相位電壓補償仿真模型、暫降前電壓補償閉環(huán)仿真模型，并得出了仿真結(jié)果對其進行了分析。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計本文中的主電路設(shè)計如下圖所示，出現(xiàn)電能質(zhì)量問題的電網(wǎng)電壓通過電壓互感器得到電網(wǎng)電壓信號。正弦波振蕩電路產(chǎn)生的正弦波并通過放大電路得到期望的正弦波電壓波形，此正弦波作為給定進行比較。將電網(wǎng)電壓信號與正弦波振蕩電路產(chǎn)生的期望波形進行比較，從而得到需要補償?shù)牟ㄐ涡盘?，最后通過單極性的PWM控制方式得到PWM控制信號，控制逆變器產(chǎn)生補償電壓最后補償給電網(wǎng)。圖4-1 主電路硬件連接電路圖三角波發(fā)生電路：圖4-2 三角波發(fā)生電路圖由集成

45、運算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。如上圖所示為由遲滯比較器和集成運放組成的積分電路所構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器。方波和三角波發(fā)生器的工作原理：A1構(gòu)成遲滯比較器，同相端電位Vp由VO1和VO2決定。利用疊加定理可得： （4-1）當(dāng)Vp0時,A1輸出為正，即VO1 =+Vz；當(dāng) Vp0時,A1輸出為負,即VO1=-Vz。A2構(gòu)成反相積分器，V01為負時， VO2 向正向變化， VO1 為正時， VO2 向負向變化。假設(shè)電源接通時VO1 = -Vz，線性增加。當(dāng)時，可得： （4-2）當(dāng)VO2上升到使Vp略高于0v時，A1的輸出翻轉(zhuǎn)到VO1 = +Vz 。 同理

46、可知，當(dāng)時，當(dāng)VO2下降到使Vp略低于0v時，V01=-Vz。這樣不斷循環(huán)就可以得到方波V01與三角波V02。電路的震蕩頻率為：方波幅值：三角波幅值： 設(shè)定,正弦波發(fā)生電路：圖4-3 正弦波發(fā)生電路圖上圖是RC橋式振蕩電路的原理電路，這個電路由兩部分組成，即放大電路A和選頻網(wǎng)絡(luò)F。選頻網(wǎng)絡(luò)（即反饋網(wǎng)絡(luò)）的選頻特性已知，在處，RC串并聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)的，根據(jù)振蕩平衡條件,當(dāng)R1=R2，C1=C2，AF=1和，可知放大電路的輸出與輸入之間的相位關(guān)系應(yīng)是同相，放大電路的電壓增益不能小于3，即用增益為3（起振時，為使振蕩電路能自行建立振蕩，A應(yīng)大于3）的同相比例放大電路即可。根據(jù)這個原理組成的電路，由于C1

47、與R1、C2與R2和R3、R4正好形成一個四臂電橋，電橋的對角線頂點接到放大電路的兩個輸入端，因此這種振蕩電路常稱為RC橋式振蕩電路 。在時，經(jīng)RC反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\放同相端的電壓V1與V0同相，即有和。這樣，放大電路和由Z1、Z2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)剛好形成正反饋系統(tǒng)，可以滿足相位平衡條件，因而有可能振蕩。所謂建立振蕩，就是要使電路自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩。由于電路中存在噪聲，它的頻譜分布很廣，其中一定包括有這樣一個頻率成分。這種微弱的信號，經(jīng)過放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)。由于放大電路的A開始時略大于3，反饋系數(shù)F=1/3，因而使輸出幅度愈來愈大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動地穩(wěn)定下

48、來，此時A=3，達到AF=1振幅平衡條件。RC橋式振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻R4實現(xiàn)的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負反饋增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。熱敏電阻穩(wěn)幅可以得到失真較小的波形，但是受環(huán)境溫度影響較大，輸出幅值隨溫度改變而改變。本文中采用正溫度系數(shù)熱敏電阻。電路震蕩頻率為：驅(qū)動電路：如下圖所示，給個高電平，T就導(dǎo)通，電流通過5V電源、T的E和C、光耦的發(fā)光二極管、電阻R16到地，發(fā)光二極管因為有電流通過而發(fā)光，致使三極管接收端導(dǎo)通，電源15V通過三極管端、R15到地

49、。最后使輸出為高電平起到驅(qū)動的作用。圖4-4 驅(qū)動電路電路圖輸出濾波器設(shè)計：逆變器的輸出電壓在濾波前是SPWM 調(diào)制波，其中既有50HZ 基波，又有高次諧波，只有通過濾波器后才能得到所需的50HZ 交流正弦波形。濾波器是一種具有選擇性的四端網(wǎng)絡(luò)，它允許某些特定頻率的信號通過。允許通過的信號頻率范圍為通帶，不允許通過的信號頻率范圍為阻帶，通帶與阻帶交界的頻率f c稱為截至頻率。根據(jù)濾波器通帶和阻帶的位置關(guān)系，濾波器可分為：高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器等，本實驗采用LC 低通濾波器。 （4-3） （4-4） 即時所得的頻率為截止頻率fc， （4-5）由于ffc，則L1/C，L對諧波信號阻力很

50、大，1/C對諧波信號分流很大，因此濾波器不允許諧波信號通過。 （4-6）令，稱為特性阻抗，則 （4-7） （4-8） （4-9）RL=10，取=6逆變器輸出電壓中基波頻率為f= 50HZ，設(shè)截止頻率為 fc= 500HZ 。L=1.91mHC=53uF開關(guān)器件的選擇：IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是大規(guī)模功率集成半導(dǎo)體開關(guān)器件。IGBT 采用MOS柵輸入結(jié)構(gòu)，開關(guān)主體是雙極晶體管，它兼有MOSFET 的高輸入阻抗、電壓控制特點，又具有雙極晶體管低飽和壓降的優(yōu)勢。其最顯著特點是高速、高壓、大電流，是當(dāng)代功率開關(guān)的主流器件。開關(guān)器件中電流有效值為：開關(guān)器件中流過的電流峰值為開關(guān)器件的電流選擇為電流峰

51、值的2 倍為：可以選擇20A的開關(guān)管。當(dāng)系統(tǒng)電壓升高30%時，管壓為286開關(guān)器件電壓選擇為電壓峰值的兩倍可選耐壓600V 的開關(guān)器件。結(jié)論 結(jié)論隨著科技的發(fā)展，計算機等精密設(shè)備在人們的生產(chǎn)、生活中得到了普遍的應(yīng)用，但是它們對電網(wǎng)電壓的波動比較敏感，小則造成數(shù)據(jù)的丟失，大則引起生產(chǎn)事故。如何保證它們的供電質(zhì)量是人們關(guān)注的問題。DVR 是一種新型的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，能有效地補償電網(wǎng)電壓的波動，保證敏感用電設(shè)備的供電穩(wěn)定。本文對DVR 作了一些研究和分析，論文的內(nèi)容和結(jié)果主要如下：對DVR 的結(jié)構(gòu)和原理，進行了介紹。分析了三種不同的補償策略，對它們各自的特點與補償方式作了研究。運用MATLAB 建

52、立了單相DVR 仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果來看，DVR能補償電網(wǎng)電壓的暫升暫降，動態(tài)性能好。對DVR 的主電路和控制電路進行了設(shè)計，其中包括如濾波電感、電容參數(shù)的選取、開關(guān)頻率和功率開關(guān)器件等。DVR 工作時串聯(lián)于電網(wǎng)與負載之間，其本身的負載特性對補償效果會產(chǎn)生一定的影響。本人的學(xué)識有限，只設(shè)計了單相DVR，所用的是相對簡單的控制算法，而一些新型的控制方法應(yīng)該能提高DVR 的快速性和準(zhǔn)確性。參考文獻參考文獻1張軍軍?；贒SP的三相DVR的研制 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文 2007 7-202 向龍瑞。動態(tài)電壓恢復(fù)器控制技術(shù)的研究與仿真 天津理工大學(xué)學(xué)位論文 2006 7-123郝曉弘、房善新、陳偉 。動態(tài)電壓恢復(fù)器控制策略的研究與仿真 工業(yè)儀表與自動化裝置 2010 17-194李承、鄒云屏。三相三線動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的單周控制策略 繼電器 2007 44-475李承、鄒云屏、范婕。動態(tài)電壓恢復(fù)器單周控制策略的建模與仿真研究 電力自動化設(shè)備 2006 7-96謝旭、梁旭、胡明亮、姜齊榮。動態(tài)電壓恢復(fù)器的補償特性與控制目標(biāo) 研制與開發(fā) 2002 41-447馮小明、楊仁剛。動態(tài)電壓恢復(fù)器電壓補償策略的研究 電力系統(tǒng)保護與控制 2011 11-158楊曉萍、許輝。動態(tài)電壓恢復(fù)器電壓補償策略及其仿真研究 電工技術(shù)雜志 2004 5