動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)

1、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)agileswari k. rainasamy*，vigna ramachandaramurthy* and rengan krishna iyer * university tenaga nasional，selangor，malaysia. email: .my” university tenaga nasional，selangor，malaysia. email: .my"intel，malaysia. email: rengan.krishna摘要：根據(jù)ieee標(biāo)準(zhǔn)的電壓均方根(r

2、ms)的電壓幅值驟降是瞬時(shí)下降 (10%90%)，其中持續(xù)時(shí)間多于半個(gè)周期，少一分鐘1。電壓暫降的常見原 因是系統(tǒng)中的故障或短路，始于接入大負(fù)載和布線錯(cuò)誤的。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 (dvr)是用于補(bǔ)償電壓跌落常用設(shè)備。該dvr般由電壓源換流器(vsc), 注入變壓器，濾波器及儲(chǔ)能(電池)的。本文簡(jiǎn)要討論了控制策略，并使用dsp 板tms320f2812實(shí)現(xiàn)控制策略。同時(shí)陳述了電壓驟降和暴增的控制策略的仿 真結(jié)果。本文主耍研究設(shè)計(jì)部分和3kva dvr實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的調(diào)試。給出工作狀 態(tài)的dvr實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：電壓暫降;動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器;tms3230f28121引言今天我們的家園充滿丫各種各

3、樣的電子設(shè)備，這使得今天的生活和工作環(huán)境 與二十年前相差很大。我們享受著像遙控電視機(jī)，家用電腦和微波爐等，都是由 微處理器控制設(shè)備的便利。同樣，如今的工業(yè)也嚴(yán)重依賴于微控制器和微電子設(shè) 備。然而這些設(shè)備對(duì)功率變化非常敏感。用測(cè)量，分析，總線電壓改進(jìn)衡量電源質(zhì)量，通常是一個(gè)負(fù)載母線電壓，是 為保持該電壓在額定電壓和頻率是一個(gè)正弦曲線1h電源異常有許多形式，如 閃變，諧波，電壓跌落，諧波，瞬態(tài)等。如今電子負(fù)載很容易受到這些干擾，之 前并不關(guān)注此原因2。當(dāng)設(shè)備或產(chǎn)品遭受損害時(shí)，電能質(zhì)量的重要效果就顯現(xiàn) 了。此外，產(chǎn)品的丟失意味著代價(jià)高昂的返工，生產(chǎn)力損失和間接成本較高。因 此，當(dāng)下工業(yè)主要關(guān)心的是電

4、源質(zhì)量給在時(shí)間和金錢方而帶來的巨大損失3。 因此，如今提高電能質(zhì)量很有必要，因?yàn)槟軠p少很多由他造成的問題。電壓驟降被認(rèn)為是主要的電能質(zhì)量問題之一，因?yàn)樗霈F(xiàn)頻率非常高。電壓 暫降定義為有效值電壓半周期之間持續(xù)幾秒鐘的瞬時(shí)下降。電壓暫降的常見原因是系統(tǒng)中的故障或短路，始于接入大負(fù)載和布線錯(cuò)誤的。電壓驟降影響敏感的設(shè) 備，如可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（asd）和可編程邏輯控制器（plc）,從而導(dǎo)致它們出現(xiàn) 故障。對(duì)于工業(yè)來說，這將導(dǎo)致增加生產(chǎn)和金錢的損失。因此，補(bǔ)償電壓暫降至 關(guān)重要。靜態(tài)補(bǔ)償器（statcom）和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)是當(dāng)前用于補(bǔ)償電壓跌落兩個(gè)主 要的電力電子器件。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dvr）是用于串聯(lián)和配

5、電饋線電壓同步 以補(bǔ)償電壓暫降的注入3相電壓的電力電子裝置。本文詳細(xì)介紹丫設(shè)計(jì)和3kva的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dvr）實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的調(diào)試。2控制策略dvr的控制策略將使用幵環(huán)控制算法。將三相電源電壓（vsa,vsb和vsc） 轉(zhuǎn)換為靜止染標(biāo)系vsa與vsp，vsa與vsp然后用從spll得到的角度轉(zhuǎn)換為 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的vsd和vsq 1，4，5 - 6。vsd和vsq是直流值。出現(xiàn)故 障時(shí)，這些直流值將下降，預(yù)下降值和已下降值之間的差將形成一個(gè)誤差信號(hào)。 所使用的控制系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。5-開放注入變壓器引入了一個(gè)30°相移 吋，誤差也被移30°。這個(gè)誤差信號(hào)再被用空間矢量轉(zhuǎn)換

6、回以形成可調(diào)的vsa 錯(cuò)誤為vsp錯(cuò)誤，以產(chǎn)生所需要的脈沖，以對(duì)逆變器開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，從而恢復(fù) 負(fù)載電壓6。空間矢量脈寬調(diào)制是針對(duì)逆變器開關(guān)的，因?yàn)樗苋菀子胐sp編 程，并充分利用了直流母線電壓5。3仿真結(jié)果使用pscad進(jìn)行了控制算法的仿真。三相均衡電壓跌落和電壓暴增的模擬 結(jié)果分別如圖2和圖3所示。dvr的控制策略設(shè)計(jì)使用了開環(huán)控制算法。仿真結(jié)果清楚地表明，該控制策略設(shè)計(jì)是能夠成功補(bǔ)償三相均衡下垂。此外，它也能補(bǔ)償電壓暴增。這清楚地表明，該控制算法是工作所希望的。4 dsp實(shí)現(xiàn)該程序使用德州儀器ezdsptmsf2812電路板，tms320f2812a芯片。 tms320f2812是德州儀

7、器的新一代控制器，主頻為150mhz。該裝置基于一個(gè)32位的dsp核心，閃存性能為150msps,在一個(gè)6.67ns周期里為32x32bit mac。這些dsp還特有的在芯片上配備了大量快速閃存，因此代碼可以在無需 增加品貴的外部閃存的情況卜*來執(zhí)行。該芯片的另一人優(yōu)勢(shì)是，該設(shè)備屮內(nèi)置有 多種控制和通訊外設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)了單芯片設(shè)計(jì)。速度和該dsp的特性，使其成為dvr的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的最佳選擇。在這 個(gè)項(xiàng)目中，a/d轉(zhuǎn)換和控制算法采用dsp實(shí)現(xiàn)，其中包括軟件鎖相環(huán)檢測(cè)中間 矢量脈寬調(diào)制的角度和產(chǎn)生。控制算法的流程圖如圖4所示。read throe phasevoltage valuesconver

8、t to two phasestationary reference frameconvert to two phaserotating reference framedetermine modulating signal for spacevector pulse width modulation(svpwm)determine togglingsequencefigure 4. flow chart of the control algurilhm of dvr圖4 dvr控制算法流程圖5實(shí)驗(yàn)裝置dvr實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的電源和負(fù)載之間的接線方框圖視于圖5?？驁D也說明了 該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)置。接入

9、的三相電源電壓(415v)供給到電壓暫降發(fā)生器 單元。電壓跌落發(fā)生器單元的輸出端連接到-丫隔離變壓器。該dvr通過三個(gè) 系列注入變壓器向系統(tǒng)注入有功和無功功率。注射的有功功率從鉛酸電池組屮獲 得。圖5dvr實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)方框圖a dvr樣機(jī)單元dvr樣機(jī)單元包括：1) 信號(hào)采集、調(diào)理和限制板2) 指示及保護(hù)3) 直流電源4) dvr電源電路5) dsp至ijdvr的接門dvr樣機(jī)的輸入和輸出的信號(hào)流示于圖6。該dvr通過傳感器板采集三相電壓信號(hào)van1 vbnl and.vcn1、。信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換器電路板被衰減和偏移以 滿足dsp模擬輸入端門的電壓電平。該信9通過dsp模擬端門防護(hù)板緩沖并 送入

10、dsp的模擬端u。這是為了保護(hù)dsp不受到任何過電壓，因?yàn)檫^電壓會(huì)損壞敏感的dsp。dsp將通過脈沖放大器板的數(shù)字端口來處理采樣電壓信號(hào)并 輸出六數(shù)字pwm脈沖。pjuosajojcjnpsllbj |2push 101330hi3uj3uh2xsusspaaju.5 cs j-i -o £cujm h m “ u “td!3s3s(/>pjeosfiuopdsojfiltoa30-suv dsgzujpjghjasldsvidi2 2 £2=4wexfi-sto= «£圖6 dvr樣機(jī)的輸入和輸出信號(hào)流程框圖脈沖功放板用丁將數(shù)字信號(hào)提升到vsc所

11、需的電壓電平。vsc將合成電壓 跌落補(bǔ)償所需的三相輸出電壓。線電流lal，和1被電壓van1 vbnl和 獨(dú)立地監(jiān)視，用來保護(hù)vsc不受損壞。電流被饋到故障電流檢測(cè)器板，并與預(yù)置參考值進(jìn)行比較。如果電流超過參考范圍，一系列表小*故障的脈沖將通過故障 指示板指示出來。故障指示燈電路板也從vsc接收錯(cuò)誤信hrt.h hf2, enr3 and £n*4。如果存在任何錯(cuò)誤條件，則它會(huì)通過en端脈沖放 大板向發(fā)送一個(gè)禁止信號(hào)，來禁用vsc。這抑制了 pwm脈沖到達(dá)vsc和向系 統(tǒng)注入零序電壓。直流電源單元提供ttl, cmos,運(yùn)算放大器和所述換能器上 的電壓。本任務(wù)使用一個(gè)封閉型（mw）

12、丁-120c三路輸出開關(guān)電源。巳dvr電源電路1）電壓源換流器2）串聯(lián)注入變壓器3）能景儲(chǔ)存4）諧波濾波電容5）直流母線電容器1）電壓源換流器vsc的電壓，電流和功率額定值取決于需要被補(bǔ)償?shù)碾妷旱涞木?。設(shè)計(jì) dvr樣機(jī)以補(bǔ)償50%的三相跌落。該控制策略中，串聯(lián)注入變壓器的匝數(shù)比和 繞組配置，數(shù)字pwm調(diào)制方式及電壓降決定了 vsc的額定電壓。木方案中， 所需最大注入電壓等丁 120vrms,并且vsc選擇賽米控智能集成系統(tǒng)3（skiip3） 5 13 g d 1 2 2 - 3 du l。該skiip3是一個(gè)集成了功率半導(dǎo)體開關(guān)、散熱片和帶 有保護(hù)和監(jiān)控電路的柵極驅(qū)動(dòng)器單元的功率半導(dǎo)體子系統(tǒng)

13、。2）串聯(lián)注入變壓器該串聯(lián)注入變壓器匝數(shù)比的選擇應(yīng)剛好足以刺激vsc輸岀電壓來補(bǔ)償設(shè)計(jì) 所要求的50%的電壓跌落。該vsc可以提供至少60vrms，因此變壓器被配置 為delta-open,其匝數(shù)比：d deltaopeninji20vnnsvsc60 v(1)rms3）能景儲(chǔ)存能量存儲(chǔ)需要在電壓暫降的過程中支持負(fù)載。它必須能夠提供本設(shè)計(jì)中通過跌落期足夠的電阻。因?yàn)樾杷８呷萘縼韺?shí)現(xiàn)這個(gè)比率，樣機(jī)能量?jī)?chǔ)存使用鉛酸電 池。能量存儲(chǔ)按最壞情況來確定，此時(shí)發(fā)生平衡三相跌落并且負(fù)載功率因數(shù)統(tǒng)一。 該樣機(jī)串聯(lián)九個(gè)12v, 40ah電池，以滿足設(shè)計(jì)需要。4) 諧波濾波電容vsc的輸出電壓由基波分量的以及開關(guān)

14、諧波組成。從負(fù)載和電源得到的有 用某本組件是需要的，不想要的開關(guān)諧波被過濾了。所選擇的濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單 的無源lc過濾器，被放置在低電壓側(cè)或vsc的輸出側(cè)。放置在低電壓側(cè)的優(yōu) 點(diǎn)在于防止高次諧波電流滲入串聯(lián)變壓器，從而減少了對(duì)變壓器的電壓應(yīng)力。模 態(tài)濾波器的模型示于圖7。transformer inductance, lt圖7諧波濾波器模型變壓器電感l(wèi)t被用作濾波器電感，初始電感為103mh。濾波電容cf的從 下式求出：c :1i-fx2t =r- = 50.1gf(2)un" lt(2x 3.142 x 70)-(103 x 10'3)5) 直流母線電容器直流母線電容器用r

15、過濾那些可能出現(xiàn)在vsc的直流母線電壓的紋波電 壓。vsc和基波分量輸出電壓的開關(guān)動(dòng)作出現(xiàn)在直流鏈路電壓紋波。一個(gè) 20.84mf的電解電容器用于濾除紋波。6實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬的未過濾線電壓（vab，vbc的和vca）示于圖8。該實(shí)驗(yàn)未經(jīng)濾波的 線與線之間的電壓vab, vbc的和vca示于圖9。該結(jié)果清楚地表明，該逆變器 輸出的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全匹配。這清楚地表明，編程控制策略按預(yù)期方式 工作，并進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略正在按要求工作，測(cè)量非故障狀態(tài)和故障狀態(tài)的噴 射電壓、電源電壓和負(fù)載測(cè)量。這w種情況視丁圖10和圖11。rttttivbc (line to line)100 0>1aiaii

16、ljd l_ivca (line to line)100 0-100nm50.3time offset: 0圖8采用svpwm的模擬線電壓(未過濾)-100tek兒 trigdmpo$: -4.000jussave/aecactionj(n-rtifieformatematxmjl saving imd9«ch2 100v m 10xhnsch2z 21v_jspray sdveo to a： i lwjubb.bmrbecuselect foxseisavetek0066mf圖9采用svpwm的實(shí)驗(yàn)線電壓（未過濾）閣1 0沒有跌落時(shí)，and vinjoctim的

17、閣開多閣11有跌落時(shí)，v«wbvk«jand的波形圖中清楚地表明，只有當(dāng)有問陷和負(fù)載電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱值時(shí)，dvr冰噴 射電壓。7結(jié)論本文提出了一種3kva的dvr實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)裝置。說明了控制策略和控制算 法的流程圖。詳細(xì)的說明了 dvr的樣機(jī)裝置單元和實(shí)驗(yàn)裝置。逆變器的實(shí)驗(yàn)脈沖完美匹配模擬結(jié)果，表爾該dvr設(shè)計(jì)的成功。對(duì)r三相平衡跌落波形的獲得， 無疑表明該dvr可以成功地減輕電壓跌落。references11 m. h. j bollen, “understanding power quality problems，voltage sag and interruption”

18、，ieee press，1999.2 stones, a. collinson，“special feature: introduction, power quality”，power engineering journal，2001，pp. 58-64.3 pacific gas & electric company，“voltage sag ride-throughmitigation in sequence by increasing cost”，december 1999.4j gu. h. jung, guk c. cho, soon w. hong, gyu h. cho，

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20、lidis, njenkins, “software phase-locked loop applied to a dynamic voltage restorer (dvr)，proceedings ofieee power engineering society winter meeting, 2001，volume 3, pp. 1033-1038.6 v. k ramachandaramurthy, c. fitzer, a. arulampalam, c. zhan， m. barnes, n. jenkins, control of battery supported dynamicvoltage restorer”，iee proceedings on generation, transmission and distribution, volume: 149, iss