電壓暫變補(bǔ)償裝置項(xiàng)目申報(bào)表-李彥斌

1、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表推 薦 學(xué) 校西安工程大學(xué)項(xiàng) 目 名 稱(chēng)無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器項(xiàng) 目 類(lèi) 型創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 人張 松申 報(bào) 日 期2014-3-25陜西省教育廳 制二一四年五月項(xiàng)目名稱(chēng)無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器項(xiàng)目類(lèi)型（ ）創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間起始時(shí)間：2014 年 9 月 完成時(shí)間：2015 年 6 月申請(qǐng)人或申請(qǐng)團(tuán)隊(duì)姓名年級(jí)學(xué)校所在院系/專(zhuān)業(yè)聯(lián)系電話E-mail負(fù)責(zé)人張松11級(jí)西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣18710564346434744628成 員王海東11級(jí)西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電

2、氣187894113961341948639高文龍12級(jí)西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣15902953962756339237劉曉龍12級(jí)西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣18309281827993056210指導(dǎo)教師姓名李彥斌研究方向電氣工程年齡39行政職務(wù)/專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)工程師主要成果1.多次指導(dǎo)學(xué)生電子競(jìng)賽；2.指導(dǎo)大學(xué)生國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目一項(xiàng)，已結(jié)題；3.參與多項(xiàng)橫向、縱向科研項(xiàng)目。一、項(xiàng)目實(shí)施的目的、意義電能是推動(dòng)當(dāng)今社會(huì)進(jìn)步、各國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要能源，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。安全的、可靠的、高質(zhì)量的電力供應(yīng)，是確保各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速、可持續(xù)發(fā)展的基本前提。隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)

3、用、智能家用電器的普及、煉鋼電弧爐的發(fā)展等，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性引起電能質(zhì)量的惡化，致使電網(wǎng)的諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和電壓閃變等問(wèn)題日益嚴(yán)重。計(jì)算機(jī)的普及、IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、微電子控制技術(shù)的應(yīng)用等對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)外大量統(tǒng)計(jì)資料表明，在所有的電能質(zhì)量問(wèn)題中，電壓暫變的發(fā)生頻率最高、危害最為嚴(yán)重，由此，電壓暫變補(bǔ)償問(wèn)題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注并亟須解決的問(wèn)題之一。在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備的接口處裝設(shè)附加設(shè)備，是目前應(yīng)用最廣，抑制電壓暫變問(wèn)題效果最明顯的措施。其中，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)以其能有效解決電壓質(zhì)量問(wèn)題，提高供用電電能質(zhì)量等特點(diǎn)，而被廣泛使用。目前常用的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式包括串聯(lián)

4、電壓補(bǔ)償方式和并聯(lián)電流補(bǔ)償方式兩種。在相同的電壓暫變條件下，串聯(lián)電壓補(bǔ)償相比于并聯(lián)電流方式，更易于實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置存在可補(bǔ)償電壓跌落深度不夠，可持續(xù)補(bǔ)償時(shí)間短等缺點(diǎn)，因此，研究一種可補(bǔ)償電壓跌落深度更高，可持續(xù)補(bǔ)償時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)體積更小、成本更低廉的自充電串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置是非常有必要的。二、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（1）無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器的原理圖如圖1所示，與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）相比，無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器無(wú)需串聯(lián)變壓器和外加儲(chǔ)能單元，這使得該裝置的體積大大減小，另外，直流母線電容采用在線充電方式，使得其可持續(xù)補(bǔ)償時(shí)

5、間不受限制。與動(dòng)態(tài)電壓校正器（DySC）相比，優(yōu)勢(shì)在于無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器的母線電容改由線電壓充電，可以有效提高動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償范圍，理論分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓暫低時(shí)，無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器能補(bǔ)償三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)暫低到額定值的37%，或一至兩相暫低到零，而其它相保持額定。圖1 無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖（2）能量?jī)?yōu)化控制策略是在發(fā)生電壓幅度暫變時(shí)，通過(guò)控制補(bǔ)償電路輸出特定的電壓，保證負(fù)載電壓幅值額定。同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓額定的同時(shí)，保證補(bǔ)償電路輸出的能量最優(yōu)。能量?jī)?yōu)化控制策略是一種新型控制策略，它不需要或只需要很小的有功就能補(bǔ)償電壓暫變，從而減少補(bǔ)償電

6、路儲(chǔ)能設(shè)備的容量和系統(tǒng)成本，減少直流環(huán)節(jié)輸出能量的壓力，是一種具有潛力的控制方法。如圖2所示，為電網(wǎng)剩余電壓，為補(bǔ)償裝置注入電壓，為負(fù)載電壓，為負(fù)載電壓。如圖(a)所示，當(dāng)剩余網(wǎng)側(cè)電壓較大時(shí)，在負(fù)載電壓一定時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)暫低電源電壓，使得串聯(lián)型補(bǔ)償電路的輸出電壓正好垂直于負(fù)載電流。零有功功率注入模式保證了系統(tǒng)儲(chǔ)能單元零有功輸出，有效控制了儲(chǔ)能電容電壓，緩解了直流電容的儲(chǔ)能壓力。從而使得補(bǔ)償裝置注入電壓與參考負(fù)載電流正交，實(shí)現(xiàn)純無(wú)功功率補(bǔ)償，其臨界模式如圖(b)所示。當(dāng)剩余電網(wǎng)電壓較小時(shí)，如圖(c)所示使得剩余電網(wǎng)電壓與參考負(fù)載電流同相位，實(shí)現(xiàn)最小有功功率補(bǔ)償。 (a) (b) (c)圖2能量?jī)?yōu)化

7、控制策略向量圖三、項(xiàng)目研究與實(shí)施的基礎(chǔ)條件（1）2013年開(kāi)始，項(xiàng)目組的成員已經(jīng)開(kāi)始做無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器方面的相關(guān)研究，掌握了其軟、硬件技術(shù)。（2）項(xiàng)目組成員已經(jīng)開(kāi)始對(duì)于無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器的相關(guān)算法方面做了相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，并發(fā)表了論文“一種電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)精確鎖相方法的研究”。（3）項(xiàng)目組的成員已經(jīng)研制了無(wú)變壓器無(wú)儲(chǔ)能電容串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償器，為本項(xiàng)目的進(jìn)一步研究與發(fā)展打下基礎(chǔ)，解決了實(shí)驗(yàn)中的一般問(wèn)題，取得了必要的前期研究基礎(chǔ)。（4）對(duì)于ST公司的STMF103VBT6 微處理器在信號(hào)采集和控制應(yīng)用方面有一定的了解，掌握高效地處理采樣數(shù)據(jù)和SPWM的計(jì)算。

8、（5）為了提高逆變器啟動(dòng)的抗干擾能力，在判據(jù)上引入滯環(huán)。如圖3所示，其中f為頻率，要求其范圍是49.5Hz50.5Hz ，Status_Flag為逆變器運(yùn)行狀態(tài)，Status_Flag=1時(shí)表示逆變器運(yùn)行，Status_Flag=0時(shí)表示逆變器停止。Bad_Number為不符合頻率要求的計(jì)數(shù)次數(shù)，Bad_Treshold為其閾值。同理，Good_Number為符合頻率要求的計(jì)數(shù)次數(shù)，Good_Treshold為其閾值，只有計(jì)數(shù)次數(shù)到達(dá)閾值時(shí)才會(huì)發(fā)生逆變器的狀態(tài)改變，但是在逆變器運(yùn)行卻有不滿足頻率要求時(shí)，令f=50Hz繼續(xù)驅(qū)動(dòng)逆變器。為了滿足電壓暫變補(bǔ)償?shù)目焖傩砸螅緦?shí)驗(yàn)中取Good_Tres

9、hold=1，Bad_Treshold=10，即鎖相成功立即啟動(dòng)逆變器，鎖相失敗延遲停止逆變器。該方法既保證快速性，有保證了穩(wěn)定性。圖3 逆變器驅(qū)動(dòng)程序流程圖四、項(xiàng)目實(shí)施方案1、硬件測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。圖4中，是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)板，包括6路驅(qū)動(dòng)放大電路；為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制板；為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的外加過(guò)流保護(hù)模塊；為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電電源；為三相整流橋；為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的逆變電路；為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的濾波電路和電壓反饋電路；為空氣開(kāi)關(guān)和斷路器；為阻尼吸收電路；為進(jìn)線端子和出線端子。主控板主要實(shí)現(xiàn)電壓電流檢測(cè)，相應(yīng)檢測(cè)模塊如圖5所示。ARM芯片根據(jù)ADC采樣結(jié)果進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出0/5V的PWM波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大

10、電路轉(zhuǎn)變?yōu)?10V/15V的PWM信號(hào)，用于控制IGBT開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。逆變電路包含5個(gè)IGBT半橋模塊，其中2塊作為反向串聯(lián)的旁路開(kāi)關(guān)使用，3塊作為實(shí)驗(yàn)?zāi)孀儤蚴褂?。為了?duì)比本拓?fù)渑cDVR，DySC的區(qū)別，搭建了這樣一個(gè)看似“雜亂無(wú)章”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前在做自充電串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于電壓暫變是通過(guò)外部變壓器模擬產(chǎn)生的，所以只用到3個(gè)IGBT半橋模塊，其中一個(gè)用作本文新拓?fù)渲麟娐分械陌霕?，兩個(gè)用作模擬旁路開(kāi)關(guān)。圖5中，是DC-DC隔離電源模塊，作為驅(qū)動(dòng)電路輸出端電壓給定和電壓檢測(cè)、過(guò)流保護(hù)模塊的強(qiáng)弱電隔離使用；是電流檢測(cè)模塊；是電壓檢測(cè)模塊。圖4自充電串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置實(shí)驗(yàn)平

11、臺(tái)圖5 檢測(cè)模塊和DC-DC電源隔離模塊2、系統(tǒng)仿真物理模型仿真平臺(tái)如圖6所示，三相電壓峰值都為120V，指令電壓為200V，指令電壓超前A相電壓26°，開(kāi)關(guān)管死區(qū)時(shí)間，采用PID調(diào)節(jié)器。圖6 物理模型仿真平臺(tái)仿真波形如圖7所示，其中紅色為電網(wǎng)波形，青色為指令電壓波形，藍(lán)色為負(fù)載電壓波形。從該圖中可以明顯看到仿真的補(bǔ)償效果很高。圖7 物理模型仿真波形3、軟件設(shè)計(jì)根據(jù)自充電串聯(lián)型電壓暫變補(bǔ)償裝置的工作原理，ARM程序應(yīng)包含兩種工作模式，即正常工作模式和待機(jī)模式。其中，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓正常時(shí)，系統(tǒng)工作在待機(jī)模式，該模式下軟件程序要實(shí)現(xiàn)的功能是：?jiǎn)?dòng)時(shí)，關(guān)閉旁路開(kāi)關(guān)和逆變器開(kāi)關(guān)管，電網(wǎng)電壓

12、經(jīng)過(guò)母線電容、逆變器開(kāi)關(guān)管反向并聯(lián)的續(xù)流二極管以及負(fù)載給上下母線電容充電，當(dāng)上下母線電壓充電至指定范圍內(nèi)時(shí)，控制旁路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電網(wǎng)電壓直接給負(fù)載供電。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓發(fā)生暫變，并且暫變幅度在指定的范圍時(shí)，系統(tǒng)工作在正常工作模式。該模式下軟件程序要實(shí)現(xiàn)的功能是：封鎖旁路開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)補(bǔ)償裝置工作，利用能量?jī)?yōu)化控制策略，控制補(bǔ)償裝置注入電壓與剩余電網(wǎng)電壓共同作用于負(fù)載，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的正常運(yùn)行。下面結(jié)合流程圖對(duì)ARM控制器的兩種工作模式進(jìn)行詳細(xì)介紹，具體包括主程序設(shè)計(jì)和中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。圖8是主程序流程圖，圖9是TIM1周期中斷服務(wù)子程序流程圖，圖10是 DMA中斷服務(wù)子程序流程圖圖8 主程序流程圖圖9 T

13、IM1周期中斷服務(wù)子程序流程圖圖10 DMA中斷服務(wù)子程序流程圖五、學(xué)?？梢蕴峁┑臈l件該項(xiàng)目依托電信學(xué)院電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，硬件和軟件方面均有保證研究的條件。常用高性能實(shí)驗(yàn)儀器齊全，實(shí)驗(yàn)條件能滿足研究要求。在設(shè)備上只需補(bǔ)充相應(yīng)的專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該專(zhuān)用設(shè)備在實(shí)驗(yàn)儀器中占比例很小，可用正常的費(fèi)用即可準(zhǔn)備就緒。六、預(yù)期成果（1）通過(guò)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的電壓暫現(xiàn)象進(jìn)行快速并且穩(wěn)定的補(bǔ)償。(2) 開(kāi)發(fā)出實(shí)用的補(bǔ)償裝置針對(duì)特定的負(fù)載，利用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以ARM為核心處理單元，搭建了數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文提出的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償裝置具有良好的

14、動(dòng)靜態(tài)特性，能滿足對(duì)常見(jiàn)電壓暫變故障動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枰?3) 發(fā)表1篇串聯(lián)型電壓補(bǔ)償裝置方面的學(xué)術(shù)論文。(4) 申報(bào)串聯(lián)型電壓補(bǔ)償裝置方面專(zhuān)利1項(xiàng)。七、經(jīng)費(fèi)預(yù)算1、設(shè)備購(gòu)置費(fèi) 0.4萬(wàn)2、能源材料費(fèi) 0.05萬(wàn)3、資料印刷費(fèi) 0.05萬(wàn)4、差旅、會(huì)議費(fèi) 0.25萬(wàn)5、租賃費(fèi) 0.05萬(wàn)6、鑒定驗(yàn)收費(fèi) 0.05萬(wàn)7、管理費(fèi) 0.05萬(wàn)8、其他 0.1萬(wàn)經(jīng)費(fèi)合計(jì)：1.0萬(wàn)八、導(dǎo)師推薦意見(jiàn)電力網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出各種各樣的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，諸如電壓跌落、電壓瞬變等電能質(zhì)量問(wèn)題造成用電設(shè)備工作異常、跳閘甚至停機(jī)等情況越來(lái)越多，已經(jīng)成為當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)不可忽略的問(wèn)題。此外，計(jì)算機(jī)的普及、微電子控制技術(shù)、變頻調(diào)速設(shè)備、精密數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線等的廣泛應(yīng)用，對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求，這些設(shè)備和計(jì)算機(jī)系