畢業(yè)論文-動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的研究

頁1.緒論1.1動態(tài)電壓恢復(fù)器的DVR研究背景電能質(zhì)量對國民經(jīng)濟(jì)的總體效益有舉足輕重的影響，供用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件就是保證電能質(zhì)量。隨著高新技術(shù)的開拓創(chuàng)新，用戶對電能質(zhì)量的提出的要求日益嚴(yán)格。一方面，高精尖電子器件越來越多地得到運(yùn)用,

而這類設(shè)備往往對電磁干擾極為敏感。另一方面非線性電力電子器件得到廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變愈發(fā)嚴(yán)重，給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的電壓波動、電壓閃變和負(fù)序分量等電能質(zhì)量問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR對于提高電能質(zhì)量有卓越的效果，所以DVR的相關(guān)研究成為世界范圍內(nèi)的熱點問題。國內(nèi)外研究單位對DVR的研發(fā)，早已不是簡單原理性試驗樣機(jī)的研制，目前已經(jīng)深入到對DVR經(jīng)濟(jì)性和可靠性的探究。自從美國西屋公司開始對DVR研究，并將第一臺動態(tài)電壓恢復(fù)器投入市場以來，針對DVR性能的研究在世界范圍內(nèi)全面開展：(1)為了滿足DVR實時性的要求，電壓檢測方法是研究最熱點的方向；(2)為了滿足DVR大規(guī)模投入中高壓系統(tǒng)運(yùn)用的要求，直流儲能也是重要研究方向；(3)為了滿足現(xiàn)代化敏感負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求，必須提高補(bǔ)償電壓的準(zhǔn)確性，所以電壓補(bǔ)償策略的探究是另一大方向。由于不同負(fù)荷或者不同用戶對電壓要求側(cè)重點不同，而DVR自身輸出能力也受儲能元件和逆變器等硬件條件限制，所以對這類硬件部分的研究也是一個潮流。除了上述三個主流的研究方向，DVR的發(fā)展趨勢可能會在于對擾動成因的深入研究，提高DVR的動態(tài)特性，比如可靠性，實時性，魯棒性等等，還可以用來簡化控制器件設(shè)計，減小DVR體積，使其便于廣泛使用。1.3電壓暫降1.3.1電壓暫降(Sags/Dips)的基本概念電壓暫降定義：IEEE定義電壓暫降是指系統(tǒng)故障或干擾造成用戶電壓或電流在0.5周波至1min內(nèi)下降到額定電壓或電流的10%～90%，系統(tǒng)頻率在這個過程中仍為標(biāo)稱值，在暫降過程結(jié)束后電壓或者電流又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象，如圖1.3.1所示。電壓的暫降屬于兩維電磁擾動，即電壓跌落大?。垑夯驎航瞪疃龋┖蜁r間（持續(xù)時間）。殘壓是電壓暫降或短時間停電過程中電壓方均根值的最小值，殘壓可用伏特值或相對參考電壓的百分比值或標(biāo)幺值表示。圖1.3.1電壓暫降示意圖圖1.3.1電壓暫降示意圖1.3.2.描述電壓暫降的特性參數(shù)(1)電壓暫降持續(xù)時間(VoltageSagDuration)從電壓暫降(或者說電壓跌落)發(fā)生時刻到結(jié)束時刻之間的這一段時間通常定義為電壓暫降的持續(xù)時間，單位是秒(s)。電壓暫降的持續(xù)時間主要是由熔斷器、斷路器和保護(hù)裝置的動作速度決定。日常生活中傳輸線路的短路故障消除時間通常比較較短，大概是60~150ms。(2)電壓暫降幅值(VoltageDropValue)電壓暫降的嚴(yán)重程度通常由電壓暫降幅值表征，電壓暫降跌落程度受很多不定因素影響，無法預(yù)測。短路類型以及故障類型，變壓器的繞組連接方式都對電壓暫降深度有很大影響。(3)相位跳變(PhaseJump)電壓暫降時產(chǎn)生電壓相位的改變稱為相位跳變。(4)電壓暫降發(fā)生的頻次(VoltageSagOccurrenceFrequency)電壓暫降頻次等于指在單位時間(通常取1s)內(nèi)電壓暫降發(fā)生的次數(shù)，單位是次/秒，這個數(shù)值越高則表示電壓暫降對敏感負(fù)荷的影響頻繁程度越高。1.3.3.電壓暫降的國標(biāo)我國標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17626.11-2008電磁兼容試驗和測量技術(shù)電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗》直接等效于IEC61000-4-11，其對電壓暫降試驗的規(guī)定如下：1.3.4.電壓暫降的起因引起電壓暫降最主要原因是系統(tǒng)元件或線路故障，（雷電等惡劣天氣影響絕大多數(shù)線路短路），這類電壓暫降特征是：暫降幅度大、近乎矩形曲線、持續(xù)時間短。圖1.3.4a圖1.3.4a大型電機(jī)啟動引起的電壓暫降引起電壓暫降的另一主要原因是大容量負(fù)荷（大型電機(jī)、電弧爐、焊接設(shè)備等）投切，這類電壓暫降特征是：暫降幅度小、非規(guī)則矩形、持續(xù)時間長圖1.3.4b線路短路引起的電壓暫降圖1.3.4b線路短路引起的電壓暫降1.3.5.電壓暫降的影響及危害電壓暫降是突發(fā)事件引起的功率（尤其是無功功率）大幅度變化。電壓暫降的直接影響取決于電壓暫降幅值和持續(xù)時間。電壓暫降使得設(shè)備不能發(fā)揮應(yīng)有的功能，或只能在有限的范圍內(nèi)運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備效率整體降低，或者在極端情況時完全停止工作，更為嚴(yán)重的是，造成工藝流程重啟動造成一系列連帶影響。電壓暫降往往導(dǎo)致用戶電氣設(shè)備不能正常工作,究其原因主要有：交流電壓不足，導(dǎo)致供應(yīng)電能不足，直至設(shè)備停運(yùn)，如典型的橋式整流的電源電路；2)低電壓引起設(shè)備電源監(jiān)視回路跳閘，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)；3)低電壓引起緊急關(guān)閉電路的速動繼電器動作切斷電源，導(dǎo)致非故障線路上的設(shè)備不能正常使用；4)電壓暫降恢復(fù)時上升脈沖引起設(shè)備的復(fù)位電路不正確動作，引發(fā)設(shè)備重啟；5)電壓相角跳變或不平衡電壓暫降引起不平衡保護(hù)繼電器動作，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。除了上述不良影響，由于現(xiàn)代電氣設(shè)備對電壓暫降愈加敏感，總結(jié)于下：對于現(xiàn)代生活和工作中必不可少的計算機(jī)，若電壓暫降的時間持續(xù)12個周期，同時電壓幅值的跌落超過40%，會導(dǎo)致計算機(jī)停止工作，計算機(jī)中存儲的數(shù)據(jù)可能全部丟失。交流接觸機(jī)可與適合的熱過載繼電器或電子式保護(hù)裝置組合而構(gòu)成電磁起動器，來保護(hù)可能發(fā)生過載的電路，若交流接觸器兩端的電壓幅值低于50%的時間超過1個周期，接觸器的觸點工作狀態(tài)改變會導(dǎo)致觸點斷開，而且部分接觸器的電壓幅值設(shè)定為70%，更容易因為電壓暫降而損壞觸頭。對于生產(chǎn)生活中常見的調(diào)速電機(jī)，若電壓幅值下降超過30%的時間多于6個周期，調(diào)速電機(jī)會從系統(tǒng)中被切除，更有精度較高的精密加工電機(jī)，電壓暫降持續(xù)3個周期的時間暫降幅值超過10%，電機(jī)就會被迫退出運(yùn)行，使生產(chǎn)加工不能正常進(jìn)行。PLC(可編程邏輯控制器),通過采用某一類可編程的存儲器，利用其內(nèi)部的存儲程序，可以快速有效執(zhí)行各種面向用戶的計算機(jī)指令，并通過數(shù)字或者模擬式的輸入和輸出來控制各種類型的工廠機(jī)械或電力電子生產(chǎn)過程，若PLC兩端的電壓持續(xù)幾個周期的電壓幅值低于90%，則其輸出口所接的設(shè)備會被切除，當(dāng)電壓幅值低于80%的時候，不僅輸出口設(shè)備會被切除，PLC自身也可能被迫停止工作。對于芯片制造設(shè)備，若電壓下降超過15%，設(shè)備內(nèi)部的電路主板故障可引起外部連接的測試儀停止工作，從而導(dǎo)致芯片被毀壞。電機(jī)控制器是通過集成電路的主動工作來控制電機(jī)按照設(shè)定的方向，速度，角度，響應(yīng)時間進(jìn)行工作，可以使得電機(jī)應(yīng)用范圍更為廣泛，使其輸出效率更高，噪音更小，若電壓暫降幅值超過20%，被控制的電機(jī)會被電機(jī)控制器切除，退出運(yùn)行，無法正常完成工作任務(wù)。1.4.短時中斷1.4.1短時間中斷定義電壓中斷：電力系統(tǒng)電壓降到0.1p.u.以下，且持續(xù)時間不超過1min，則認(rèn)為出現(xiàn)了電壓中斷。中斷:電壓均方根值降低到接近于零（IEC定義“接近于零”為“低于額定電壓的1％”，IEEE的定義為“低于額定電壓的10％”）。由于系統(tǒng)故障造成的電壓中斷，在其出現(xiàn)之前(即在故障發(fā)生到保護(hù)動作期間)，可能先經(jīng)歷電壓暫降，之后才進(jìn)入短期中斷。短時中斷往往是以其幅值總是低于額定值百分?jǐn)?shù)的持續(xù)時間來量度的。1.4.2短時間電壓中斷與長時間電壓中斷的比較中斷類型短時間電壓中斷長時間電壓中斷IEC定義中斷時間小于3min中斷時間大于3min起因1、瞬時故障清除前，故障相線路經(jīng)歷短時間電壓中斷；

2、保護(hù)誤動時，非故障相也會經(jīng)歷短時間電壓中斷；

3、運(yùn)行人員誤操作；1、永久性故障；

2、瞬時性故障，重合閘拒動；

3、線路故障檢修；故障恢復(fù)方法自動恢復(fù)手動恢復(fù)具體措施1、重合斷路器，主要用于架空配電線2、自動切換至正常供電母線，多用于工業(yè)用電系統(tǒng)手動切換至正常供電母線1.5小結(jié)由于電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、現(xiàn)代化非線性設(shè)備等投入本就結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電網(wǎng)中運(yùn)行，加上負(fù)荷不對稱運(yùn)行，負(fù)荷本身的性質(zhì)多變，調(diào)控手段不完善及必要的運(yùn)行操作、無法預(yù)知的外來干擾和各種突發(fā)故障等原因，理想的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)并不存在，所以也就產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，在諸多的電能質(zhì)量問題中，短時間電壓變動顯得尤為突出。電能質(zhì)量中短時間電壓變動：包括電壓暫降和短時間電壓中斷現(xiàn)象。由于用電客戶的需求日益增長，現(xiàn)代化設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高，面對愈發(fā)復(fù)雜的電網(wǎng)，研究并解決電能質(zhì)量問題已成為不容忽視的熱點問題，目前主流研究的方向包括：(1)針對諧波對電力系統(tǒng)的危害，將對諧波污染源頭進(jìn)行深入研究，并采取相應(yīng)合理措施。大部分的諧波污染來源于近幾年來鋼鐵建材等金屬熔煉，建筑制造行業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致化工行業(yè)的整流設(shè)備大幅增加，太多大功率晶閘管整流裝置以及電力電子裝置投入開發(fā)運(yùn)用，使諧波污染日益嚴(yán)重，電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，電能質(zhì)量得不到保證，甚至威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。(2)諧波對電力計量裝置的檢測精度和準(zhǔn)確度有非常大的影響，由此而引發(fā)的計量誤差不僅對后續(xù)的控制系統(tǒng)產(chǎn)生誤導(dǎo)，還會產(chǎn)生附加的功率損耗，降低電網(wǎng)的效率，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失，所以必須要研究諧波是如何對電力測量裝置產(chǎn)生影響的，由此再研究要如何改進(jìn)電力檢測裝置，使其不受或者免收諧波侵害。(3)一方面現(xiàn)代化高新產(chǎn)業(yè)由于引進(jìn)了大量非線性電力電子器件，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，另一方面很多高新技術(shù)企業(yè)對電能質(zhì)量是很敏感的。特別是是計算機(jī)系統(tǒng)為基本的產(chǎn)業(yè)，例如：新興的IT產(chǎn)業(yè)，全自動化工業(yè)生產(chǎn)流水線，微型芯片的控制加工，大型汽車零部件加工制造業(yè)，大型金融數(shù)據(jù)庫等等，這些行業(yè)對電能質(zhì)量要求非常高，相比于一般的電力電子設(shè)備更加敏感。不管是暫態(tài)或者瞬態(tài)的電能質(zhì)量問題都可能造成設(shè)備暫時無法工作甚至造成永久性損壞，影響正常的生產(chǎn)生活，對用電客戶也會造成經(jīng)濟(jì)損失。為了改善電能質(zhì)量，做好電能監(jiān)控是必要前提。如果可以及時準(zhǔn)確的檢測電能質(zhì)量的變動，就可以及時采取相應(yīng)措施，將損失或者危害降到最小。電能質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)需要滿足以下要求：(1)能捕捉瞬時干擾的電壓(或者電流)波形。因為很多瞬間擾動很難用一個或者兩個參量值來準(zhǔn)確描述，個別情況下需要三到五個共同表征某一個擾動。因此需要采用多種判據(jù)來啟動測量裝置，例如幅值(Amplitude),相位(phase),波形畸變率(waveformdistortionrate),紋波系數(shù)(ripplecoefficient)等等。(2)至少對電力系統(tǒng)的瞬時電壓和電流應(yīng)做到同時檢測，并由此獲得準(zhǔn)確的電網(wǎng)潮流信息。(3)電能監(jiān)控不僅僅是只能檢測基波，還需要可以檢測各次諧波的幅值與相位，以便統(tǒng)計和預(yù)測。(4)在電力監(jiān)測設(shè)備允許的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量提高檢測采樣速率，保證較高的采樣速率就可以方便檢測高次諧波的信息。(5)需要建立完善有效的電能質(zhì)量的分析系統(tǒng)，可以充分反映各種電能質(zhì)量問題的特征，并且可以展示這些特征量隨時間變化的規(guī)律，以便采取最正確的措施。除此之外，為了保證檢測精度，檢測信號應(yīng)盡可能地從測量回路或者計量回路抽取，測量工作應(yīng)該選擇在電網(wǎng)正常供電時可能出現(xiàn)的最小運(yùn)行方式和干擾性負(fù)荷擾動最嚴(yán)重的時間段進(jìn)行。加強(qiáng)電能質(zhì)量控裝置的研制。電能質(zhì)量控制裝置的基本功能即使要在任何條件，甚至是極為惡劣的供電條件下改善電能質(zhì)量，保證供電電壓、電流的穩(wěn)定、可靠，在諧波干擾產(chǎn)生的瞬間能立即將其抑制或消除。動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR一方面可以很好的解決電壓短時變動問題，減少對高新企業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)等其他用電客戶的威脅，一方面在輸出補(bǔ)償?shù)碾妷褐凹由蠟V波器可以減少諧波對電網(wǎng)的影響。2.動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR結(jié)構(gòu)簡介2.1基于動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡介DVR主要功能是應(yīng)用在中低壓配電網(wǎng)中，以用來保護(hù)敏感負(fù)荷，使其工作狀態(tài)免受電壓暫降的危害。目前DVR的基本電路拓?fù)渲饕袃煞N，如圖2-1所示。圖2.1a串聯(lián)型DVR圖2.1a并聯(lián)型DVR串聯(lián)型DVR和并聯(lián)型DVR的優(yōu)缺點分析如下表所示，本文選擇較為常見的串聯(lián)型DVR做仿真建模。串聯(lián)型DVR并聯(lián)型DVR應(yīng)用場合中壓型電網(wǎng)低壓型電網(wǎng)優(yōu)點儲能方式多，高次諧波少，能做到良好的電氣隔離。設(shè)備體積小，可補(bǔ)償凹陷程度較大的電壓暫降缺點設(shè)備體積較大，運(yùn)行和維修費用較高電壓補(bǔ)償受功率器件電壓等級限制圖2.1串聯(lián)型DVR，并聯(lián)型DVR比較2.2串聯(lián)型電壓恢復(fù)器DVR的幾種工作模式2.2.1串聯(lián)型DVR的典型結(jié)構(gòu)典型的串聯(lián)DVR裝置如圖2.2所示，主要有以下幾個部分組成：(1)檢測控制單元;(2)直流單元，包括直流電壓變換裝置和儲能元件；(3)逆變側(cè)單元，主要包括逆變器,濾波器以及串聯(lián)變壓器。在DVR中，每一個部分在功能上相對獨立，但是在結(jié)構(gòu)上互有關(guān)聯(lián)，所以在設(shè)計和控制上一定要協(xié)調(diào)一致。圖2.2串聯(lián)型DVR的典型結(jié)構(gòu)2.2.2串聯(lián)型DVR的三種工作模式串聯(lián)型DVR有三種工作模式。圖2-2為三種工作模式的工作示意圖，分別是旁路模式、自檢模式和運(yùn)行模式。為了簡便起見，圖中只畫出了一相。A.旁路模式在本模式:將開關(guān)1閉合，開關(guān)2以及開關(guān)3斷開，此時DVR主回路并不工作。當(dāng)并未檢測出系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落或者短時中斷的情況下，DVR工作在這種模式。B.檢修模式在本模式:將開關(guān)3斷開，同時開關(guān)1以及開關(guān)2均閉合，此時主電路工作在空載狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備檢修時，DVR工作在這種模式。C.運(yùn)行模式本模式下，將開關(guān)1斷開，開關(guān)2以及開關(guān)3閉合，此時，負(fù)載側(cè)的跌落電壓經(jīng)過動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR得到補(bǔ)償。當(dāng)檢測到電壓跌落時，DVR工作在這種模式。為便于仿真，本文將工作模式簡化為退出模式和運(yùn)行模式。2.3直流儲能單元在系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，DVR須向系統(tǒng)提供有功功率，來補(bǔ)償電壓凹陷，這些有功均由DVR的直流儲能單元提供。目前DVR中獲取有功功率的四種主要方法以及優(yōu)缺點分析如下表:優(yōu)點缺點大電容儲能結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)補(bǔ)償能力有限不控整流增加不控整流橋，降低了電容器容量能量流動方向單一PWM整流能保證電容電壓穩(wěn)定，能量可以雙向流動成本高，難控制超導(dǎo)儲能(SMES)效率高，轉(zhuǎn)換速度快目前制造工藝有限，無法廣泛運(yùn)用針對上述幾種儲能方式的優(yōu)缺點，一種帶有新型儲能裝置的DVR——可連續(xù)運(yùn)行動態(tài)電壓恢復(fù)器UDVR應(yīng)運(yùn)而生，這種DVR可以采用整流單元由系統(tǒng)側(cè)直接連續(xù)提供能量。由于可以克服儲能裝置容量的限制，它可以長時間工作。但同樣由于整流單元由系統(tǒng)直流側(cè)直接提供能量，所以運(yùn)行時很容易對電網(wǎng)造成二次諧波污染，使增加控制系統(tǒng)控制難度。綜合考慮，本文選用控制簡單、成本低的不控整流作為直流能源。同時，逆變器環(huán)節(jié)若采用一定的控制策略，可以極大的消除不控整流帶來的影響。2.4變流單元DVR電壓的轉(zhuǎn)換選擇用整流電路和逆變電路相結(jié)合的方法。DVR的工作特性主要受逆變器的影響。為了滿足不同用電設(shè)備對交流電源性能參數(shù)的不同要求，已發(fā)展了多種逆變電路，三相系統(tǒng)中最常見的兩種逆變結(jié)構(gòu)是三相全橋和三單相全橋結(jié)構(gòu)(如下圖所示)：2.4a三相全橋逆變器圖2.4b三單相全橋結(jié)構(gòu)圖單相橋式:輸出電壓波動小，每只整流二極管承受的最大反向電壓和半波整流的一樣。由于每半周內(nèi)變壓器二次繞組都有電流流過，變壓器利用效率高。三相橋式:變壓器的利用率高，輸出電壓比三相半波整流大一倍，且脈動小，廣泛用于要求輸出電壓高，脈動小的電氣設(shè)備中。本文在研究三相DVR的工作原理時可簡化為討論單相的DVR,主要討論電壓檢測策略和補(bǔ)償控制方法，單相DVR控制比較簡單，仿真也便于進(jìn)行。2.4濾波器2.4.1濾波器的安裝位置DVR工作過程中，需要補(bǔ)償?shù)睦硐腚妷菏菢?biāo)準(zhǔn)正弦波，所以濾波器的濾波效果對DVR的工作性能很大影響，一旦濾波沒做好，很有可能對電網(wǎng)帶來二次污染。濾波器同時與逆變器的功率開關(guān)、電網(wǎng)系統(tǒng)以及負(fù)載相互耦合，因此它的結(jié)構(gòu)形式、安裝位置以及器件參數(shù)都會對DVR裝置的補(bǔ)償效果有影響。優(yōu)點缺點濾波器放置在逆變器側(cè)(1)可去掉逆變器開關(guān)高次諧波，降低串聯(lián)變壓器的設(shè)計容量引起相移和幅度衰減，給濾波器和控制器的設(shè)計帶來難度濾波器放置在線路側(cè)(2)可將變壓器漏感作為濾波電感，減少一個濾波電感要處理高次諧波功率，DVR容量增大，濾波效果不好濾波器放置在負(fù)荷側(cè)(3)可用電感消除串聯(lián)變壓器漏感分布參數(shù)的影響與負(fù)載之間沒有電氣隔離，濾波效果直接影響負(fù)荷運(yùn)行本文將濾波器置于A點。圖2.4.1濾波器的放置位置2.4.2濾波器的參數(shù)濾波器濾波效果直接與參數(shù)L、C值相關(guān)，目前的逆變電源技術(shù)中對LC濾波器的參數(shù)計算方法有很多，但在產(chǎn)品設(shè)計中更多的是采取更換調(diào)試的方式來確定參數(shù)。當(dāng)串聯(lián)側(cè)濾波器濾除12次以上諧波的時候，即f0=nf1=600Hz時，為留有一定的裕度，并防止對某次諧波的共振，取f0=575Hz，則根據(jù)經(jīng)驗公式:L=2.01mHL，C=38.1μF2.5串聯(lián)變壓器動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR和電網(wǎng)耦合可以通過串聯(lián)變壓器或者大電容

。串聯(lián)變壓器可以減小開關(guān)器件的管壓降，同時可作為電氣隔離。但是變壓器的非線性會導(dǎo)致電流畸變，從而污染電網(wǎng)電流，導(dǎo)致補(bǔ)償量計算精度降低，且變壓器本身也增加了裝置成本。所以在本文中選擇用大電容。2.6控制系統(tǒng)動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR裝置的控制系統(tǒng)是需要根據(jù)檢測的結(jié)果和預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)控制逆變器輸出，前饋控制和反饋控制是最常見的控制方法，現(xiàn)在有些研究致力于將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，以提高控制的準(zhǔn)確程度。兩者的原理不同導(dǎo)致控制效果也不同。前饋控制是一種預(yù)測控制，但是在使用時需要對系統(tǒng)有精確的了解，這在實際電網(wǎng)中是不現(xiàn)實的。所以在本文中選擇可以有效消除穩(wěn)態(tài)誤差的反饋控制。解決前饋不能控制的不可測干擾。3.電壓檢測方法DVR功能實現(xiàn)主要是動態(tài)補(bǔ)償電壓跌落檢測，前提是必須快速、準(zhǔn)確檢測出電壓跌落的特征量。本部分首先對幾種主要電壓跌落檢測方法概述，最后著重介紹基于Hilbert變換和基于小波變換的電壓檢測方法，并對其進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究。3.1峰值電壓法通過計算每相電壓各個采樣點的斜率，再與參考電壓的峰值相比，判斷是否有電壓凹陷。因為電壓峰值所對應(yīng)的點一定是電壓函數(shù)u=u(t)的極值點，對連續(xù)函數(shù)而言，在極值點處導(dǎo)數(shù)等于0，所以可以通過對電壓函數(shù)求導(dǎo)來找到電壓峰值。本方法優(yōu)點是容易實現(xiàn)，但易受干擾。3.2缺損電壓法缺損電壓等于瞬時被檢測電壓的實際值和參考的電壓值之差。瞬時電壓參考值是電網(wǎng)電壓正常時測量的電壓得到。參考電壓波形需要能鎖住凹陷前的電壓幅值、頻率和相位；取發(fā)生凹陷后系統(tǒng)側(cè)電壓波形稱為。則任一瞬時缺損電壓可表示為

：=-同頻率正弦波相減或者相加結(jié)果可能是具有不同相位但是頻率仍相同的正弦波。又電壓凹陷后電網(wǎng)側(cè)電壓波形基本上仍為正弦波，所以缺損電壓為正弦波。令：中，，和，代表期望電壓和凹陷電壓的幅值及相角。假設(shè)兩電壓的頻率相同，則可表示為

：=式中：，此方法的要求凹陷電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，而實際故障中凹陷電壓波形是無法準(zhǔn)確預(yù)知的[33]，故該檢測方法具有很大的局限性。3.3FFT法FFT是一種DFT的高效算法，稱為快速傅立葉變換（fastFouriertransform）。設(shè)若為任一連續(xù)的滿足Dirichlet條件的非周期信號，且，則的

Fourier變換可表示為：，其Fourier反變換為：。式中的被稱為信號的頻譜密度函數(shù)：，，，F(xiàn)ourier變換作為時域和頻域的橋梁可以使復(fù)雜問題簡單化，根據(jù)電壓的對稱性取半個周波的電壓采樣值，構(gòu)造一個周期的數(shù)據(jù)序列來進(jìn)行FFT計算，就可以判定是否有電壓暫降發(fā)生。但是這種方法需要電壓凹陷之前的歷史數(shù)據(jù)，在實時性上不能滿足DVR的要求。3.4小波變換法由于小波變換的時頻局部特性比較好，而且對信號奇異點特別敏感，恰好在電壓凹陷的發(fā)生和結(jié)束時刻正對應(yīng)著電壓信號的奇異點，所以用這個方法可提取電壓凹陷的發(fā)生和結(jié)束時刻?？梢岳眯〔ㄗ儞Q模的局部極大值表征的特性，對電壓凹陷的發(fā)生和結(jié)束時刻進(jìn)行精確的測量。這種方法的缺點是：檢測分析的結(jié)果受小波函數(shù)選取影響非常大，萬一小波函數(shù)的選取不恰當(dāng)，檢測的結(jié)果會有很大誤差甚至?xí)l(fā)生錯誤，同時使用這種方法的計算量比較大，需要高采樣率的信號。3.5.基于Hilbert變換的電壓檢測方法3.5.1Hilbert變換的基本概念Hilbert變換在信號處理和分析中，應(yīng)用解析表達(dá)式中的實部、虛部的正弦和余弦關(guān)系動態(tài)提取信號包絡(luò).Hilbert變換得到解析(復(fù))信號的實信號是原信號本身，虛信號是原信號的Hilbert變換，解析信號剔除了實信號的負(fù)頻率成分，同時不會造成任何信息損失，幅值可以準(zhǔn)確表示原信號的包絡(luò)。3.5.2Hilbert電壓檢測法概述若f(t)是一個連續(xù)的時間信號，則其Hilbert變換為：（1）經(jīng)歷了Hilbert變換的信號，實際就是將其負(fù)頻率分量作了+90相移、正頻率分量作了90相移，其功能類似于幅頻特性為1的帶通濾波器。由于和是協(xié)調(diào)共軛的關(guān)系，故可以構(gòu)造信號，的解析表達(dá)式：（2）其中：（3）由上式可知，在Hilbert變換之后得到解析(復(fù))信號的實部是原信號，虛信號是原信號的Hilbert變換。解析信號除了去掉實信號的負(fù)頻率成分，不會影響信號的真實性，而且原信號的幅值可由解析信號的模表示。在對信號進(jìn)行了Hilbert變換取得信號幅值之后，進(jìn)行后差分則可得：Y(n)=X(n)-X(n-1)(4)式中n是采樣數(shù)；X(n)為第n次被檢測信號的幅值，Y(n)為信號連續(xù)采樣點之間的變化值。如果被檢測信號是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，則差分所得信號的幅值很小。一旦出現(xiàn)擾動，差分所得信號幅值會在擾動時刻突然變化(增大或減小由擾動而定)，這樣一來擾動信號起止的時刻就能被檢測記錄出來。3.5.3基于Hilbert變換的檢測原理(1)確定目標(biāo)電壓函數(shù)

目標(biāo)電壓函數(shù)是一個正弦函數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)相電壓幅值，假設(shè)為A相目標(biāo)電壓函數(shù)，為方便仿真假設(shè)擾動前A相電壓的相位角為0。則可表示為

:(2)確定電壓補(bǔ)償量將經(jīng)過目標(biāo)函數(shù)電壓值與系統(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。3.5.4基于Hilbert變換的檢測模型以及仿真波形圖3.5.4a基于Hilbert變換的單相電壓檢測仿真模型圖3.5.4a基于Hilbert變換的單相電壓檢測仿真模型圖中框圖SubsystemVA輸出表示電網(wǎng)中A相電壓采樣值，框圖Subsystem輸出表示參考電壓（本文中即：有效值220V,頻率50Hz的工頻電壓）。通過負(fù)載投切來得到跌落的電壓，通過對投切開關(guān)的設(shè)置使電壓跌落發(fā)生T1=0.2s，電壓恢復(fù)發(fā)生在T2=1.2s，跌落時間持續(xù)1s。仿真時間設(shè)置為0.18s，采用自由內(nèi)插方法的梯形算法ode23t。A相電壓跌落10%時的檢測結(jié)果：A相電壓：幅值檢測：電壓跌落時刻：開關(guān)控制：補(bǔ)償電壓:A相電壓跌落30%時的檢測結(jié)果：A相電壓：幅值檢測：電壓跌落時刻：開關(guān)控制：補(bǔ)償電壓:A相電壓跌落50%時的檢測結(jié)果：A相電壓：幅值檢測：電壓跌落時刻：開關(guān)控制：補(bǔ)償電壓:A相電壓跌落50%并伴有諧波時的檢測結(jié)果：A相電壓：幅值檢測：電壓跌落時刻：開關(guān)控制：補(bǔ)償電壓:由于空載長線路的電容效應(yīng)，甩負(fù)荷或者不對稱短路都可能引起工頻電壓升高，電壓突然上升與電壓跌落一樣對運(yùn)行設(shè)備帶來巨大傷害，用同樣的方法經(jīng)檢驗仿真證明Hilbert變換除了能準(zhǔn)確檢測電壓跌落，也能準(zhǔn)確檢測電壓的突然升高，由于本文研究的是動態(tài)電壓恢復(fù)器主要是補(bǔ)償?shù)潆妷?，所以電壓升高時的仿真結(jié)果省去。通過上述仿真結(jié)果可以知道，Hilbert算法可以在電壓跌落(或者電壓突然升高的時候)檢測出電壓突變時間以及測出補(bǔ)償電壓，具有較好的效果。4.電壓補(bǔ)償控制策略動態(tài)電壓恢復(fù)器補(bǔ)償電壓發(fā)生電路采用電壓型逆變器，要求其輸出電壓應(yīng)實時跟蹤指令電壓信號的變化，因此補(bǔ)償電壓發(fā)生電路的控制技術(shù)對動態(tài)電壓恢復(fù)器性能有關(guān)鍵性影響。隨著電力電子工業(yè)的迅速發(fā)展，各種電力電子產(chǎn)品被廣泛運(yùn)用，電力電子技術(shù)中的重要控制技術(shù)方法－－－PWM脈沖寬度調(diào)制（Pulse

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Modulation）變換技術(shù)也越來越常見。脈寬調(diào)制（PWM）基本原理：就是通過產(chǎn)生合理的PWM信號波形，將其作為逆變電路開關(guān)器件的通斷信號，在輸出端獲得在幅值上彼此相等的脈沖序列，與此同時用這些脈沖來取代原有正弦波或所需要的其他波形。就是在輸出波形的半個周期時間內(nèi)中產(chǎn)生脈沖序列，而且保證所獲得的各個小脈沖的等值電壓波形為正弦波形。采用不同的調(diào)制方法不僅可改變逆變電路輸出的電壓平均值的大小，還可以改變輸出的電壓的頻率。若我們將某一頻率和幅值確定的正弦半波的波形切割成為N個小等份，就可以將原來的正弦半波當(dāng)成是由N個連續(xù)的脈沖構(gòu)成的整體波形。切割之后的每個小等份脈沖的寬度是相等的，但是它們的幅值并不等，而且需要注意的是，這些小等份脈沖的頂部是曲線而不是一條水平的直線，但是各個小脈沖的幅值是按正弦規(guī)律依次變化的。若在保證矩形小脈沖和其相對應(yīng)正弦部分的面積（即沖量）相等的條件下，我們將所得的把這些小脈沖構(gòu)成的脈沖序列用相同數(shù)量的等幅但是不等寬的矩形小脈沖序列來替代，并且令每個矩形小脈沖的中點與相應(yīng)正弦小等份的中點重合，就可以得到一組脈沖序列，即我們說的PWM波形。由于沖量相等效果相同的原理，當(dāng)PWM波形和正弦半波加在慣性環(huán)節(jié)時兩者效果是等效的。對于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。在上述PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，所以若想要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。PWM控制方法分為閉環(huán)跟蹤控制和開環(huán)調(diào)制兩大類。開環(huán)調(diào)制是相對于閉環(huán)而言，指的是沒有將輸出結(jié)果引到輸入端口影響控制過程的調(diào)制，最常見的開環(huán)控制方法是規(guī)則采樣法和空間矢量法。開環(huán)系統(tǒng)一般電路結(jié)構(gòu)較簡單，但是穩(wěn)態(tài)誤差無法消除，精度往往不高。閉環(huán)跟蹤控制則是具有反饋回路，用輸出結(jié)果影響控制過程，減小穩(wěn)態(tài)誤差的一種控制方法。PWM跟蹤控制就是將期待輸出的電壓或者電流波形信號當(dāng)做目標(biāo)指令信號，將實際輸出引到實際輸入之前作為反饋信號，通過對目標(biāo)指令信號和實際輸出瞬時值的比較來產(chǎn)生逆變電路的開關(guān)控制波形信號。PWM跟蹤控制具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔和響應(yīng)速度較快的卓越優(yōu)點，并且由于PWM跟蹤控制方法屬于閉環(huán)調(diào)制，PWM閉環(huán)跟蹤控制方法的穩(wěn)定性和輸出控制精度受整個控制系統(tǒng)參數(shù)影響較小，具有很好的魯棒性。

主要的跟蹤控制方法有滯環(huán)控制比較法，定時控制比較法和線性調(diào)節(jié)的三角波比較法。跟蹤控制的輸出既可以是電流，也可以是電壓。在這三種方法中，滯環(huán)比較方法應(yīng)用最為廣泛，相關(guān)的學(xué)術(shù)研究也最多。嚴(yán)格地說，線性調(diào)節(jié)的三角載波比較不屬于跟蹤控制，但是大多數(shù)文獻(xiàn)資料通常都把它歸于跟蹤控制。本章主要介紹三角波控制比較法，定時比較法和滯環(huán)控制比較法的原理，并利用Matlab軟件中的simulink平臺仿真滯環(huán)控制比較法，證實其的確具有較好的輸出特性，最后簡要介紹一種將滯環(huán)比較控制和定時控制相結(jié)合的控制策略。4.2三角波控制比較方式三角波控制比較方式簡單來說就是將三角波的當(dāng)前值和輸出的正弦當(dāng)前值進(jìn)行比較，再將所得用來開關(guān)控制。為減小誤差，提高精度，這里通過閉環(huán)控制，先把指令電壓和實際輸出的電壓進(jìn)行比較，求出偏差值，再通過放大器A進(jìn)行放大，最后將放大的偏差值和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM的控制波形。由于放大器一般具有比例積分特性或者比例特性，所以放大器的系數(shù)直接影響PWM的跟蹤特性。三角波控制比較法克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點。但是，這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快.這種方式中開關(guān)頻率固定(等于載波頻率)，通常在三角波輸出接一個濾波器以改善波形。4.3滯環(huán)控制比較方式滯環(huán)控制(也稱紋波調(diào)節(jié)器控制)，也屬于一種PWM跟蹤技術(shù)，響應(yīng)速度快而且結(jié)構(gòu)簡單。滯環(huán)控制器在電路中既可作為閉環(huán)電流（或電壓）調(diào)節(jié)器，也可作為PWM調(diào)制器，將電流參考信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的開關(guān)指令信號。

電壓滯環(huán)控制電路主要由滯環(huán)比較器、驅(qū)動電路組成，為了分析以及仿真方便，在此用減法器和滯環(huán)比較器來構(gòu)造滯環(huán)控制器。其工作原理是將動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR輸出電壓與補(bǔ)償指令電壓相減得到電壓偏差，再通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生出控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號。當(dāng)達(dá)到（滯環(huán)比較上限）時開通開關(guān)管；在降到（滯環(huán)比較下限），關(guān)斷開關(guān)管。圖4.2.1電壓滯環(huán)控制PWM信號產(chǎn)生原理圖現(xiàn)利用Matlab中的simulink仿真平臺進(jìn)行單相電壓滯環(huán)控制的模型仿真來驗證這種方法的可靠性，如下圖：A相滯環(huán)控制仿真模型A相滯環(huán)控制主電路圖采用滯環(huán)比較器的時候，滯環(huán)寬度H一般是固定的，而逆變器的開關(guān)頻率是個變量，當(dāng)補(bǔ)償量偏大或者偏小的時候都對DVR的性能產(chǎn)生影響：H較大會導(dǎo)致跟蹤誤差大，H較小對開關(guān)器件頻率要求比較高。如圖所示，實際的補(bǔ)償電壓是由動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR主電路產(chǎn)生，而主電路的通斷由PMW波形來決定。主電路部分是由逆變器和整流器共同構(gòu)成：逆變器采用單相不可控整流橋，主要元件是二極管；整流器采用單相電壓型逆變器，主要元件是晶閘管，運(yùn)用帶二極管續(xù)流保護(hù)的IGBT模型。先分別取滯環(huán)寬度為0.2和0.1，仿真結(jié)果如下圖所示：4.4定時控制比較方式滯環(huán)比較跟蹤方法會帶來較高的開關(guān)頻率，這對電路中開關(guān)管帶來的損耗比較嚴(yán)重，但是若開關(guān)頻率低，濾波器的體積又會偏大，這時若采用定時比較跟蹤控制方式，就可以有效地限制最高開關(guān)頻率。

定時控制比較方式中沒有滯環(huán)比較器，而是采用過零比較器，與此同時選取一個固定周期的定時器，在定時器每個輸出脈沖的上升沿來到時對比較器的輸出進(jìn)行采樣，用來決定輸出PWM脈沖的取值。定時比較方式可以通過限制開關(guān)管的最高頻率緩解開關(guān)損耗過大的問題，但是由于平均跟蹤誤差無法消除，降至零，所以這種方式的控制精度往往達(dá)不到要求，單獨使用定時電壓跟蹤控制方式的場合比較少見。4.5滯環(huán)控制與定時控制相結(jié)合閉環(huán)跟蹤控制技術(shù)其實就是對兩個可控自由度幅值和時間進(jìn)行調(diào)制跟蹤。我們可以將其稱為幅值控制的自由度和時間控制的自由度。其中，幅值控制指的就是將幅值作為比較變量，判斷指令電壓(或者電流)與負(fù)載電壓(或者電流)的關(guān)系，將比較的結(jié)果控制開關(guān)管的通斷，典型的控制方法就是滯環(huán)控制電壓比較法；時間控制與物理量值或者相位的大小沒有關(guān)系，只關(guān)注時間的變化，利用特定的時間采樣點將指令電壓(或者電流)與負(fù)載電壓(或者電流)進(jìn)行比較，利用比較結(jié)果控制開關(guān)管的通斷，典型的控制方法就是定時比較法。然而滯環(huán)控制比較法和定時控制比較法各有優(yōu)缺點，如果能將兩種方法合理地結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，進(jìn)行理論上的統(tǒng)一，就可以將跟蹤誤差以及最大開關(guān)頻率同時改善。滯環(huán)控制與定時控制相結(jié)合的思路，原理如下圖

，分別表示電流下，上閥值。，分別表示在跟蹤控制過程中某一時刻指令電流值和半滯環(huán)寬度。最小值為(+),如下圖所示取最大值的情況如下圖所示：在這種情況下：同理可得，則跟蹤誤差帶最大寬度有上理論分析可以知道：傳統(tǒng)的定時控制方式就是在上式中半滯環(huán)寬度取0的情況，而傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式就是在上式中定時周期取0的情況。在這兩種極端條件不考慮之外，本方式確實有降低穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的優(yōu)點，而且由于采用了定時控制方式，開關(guān)管的最大頻率有所減小，對器件的傷害較小。4.6小結(jié)在動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的研究中，電壓檢測和電壓補(bǔ)償控制策略是研究的核心問題。跌落電壓檢測的實時性和準(zhǔn)確性直接影響后面補(bǔ)償電壓的輸出，對動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的性能有著關(guān)鍵性影響。而電壓補(bǔ)償控制策略的核心就在于逆變器的控制信號即PWM波形的準(zhǔn)確性，這個波形直接影響逆變器產(chǎn)生的輸出電壓是否能夠完成補(bǔ)償任務(wù)。在本章主要介紹了幾種主要的電壓控制策略即三角波控制策略，滯環(huán)控制策略和定時控制策略，并簡要介紹了一種將定時控制策略和滯環(huán)控制策略相結(jié)合的控制方式，在數(shù)學(xué)理論上驗證了它的可行性。在三種控制策略中以現(xiàn)在最常用的滯環(huán)控制策略為核心，對這種控制方式進(jìn)行建模仿真，驗證了它的可靠性。滯環(huán)的環(huán)寬是為防止系統(tǒng)在電壓的某一個值的上下波動時引起系統(tǒng)反復(fù)動作，產(chǎn)生振蕩而設(shè)置。指的是電壓必須大于某個值才能動作，反之，當(dāng)電壓小到另一值時才解除動作，環(huán)寬決定了動作的間隔時間。環(huán)寬小動作靈敏且頻繁、環(huán)寬大動作遲緩。分別在滯環(huán)寬度為0.2和0.1的條件下進(jìn)行測驗，得出了理想的波形。分析仿真結(jié)果波形，可以得出結(jié)論：滯環(huán)控制避免了傳統(tǒng)的SPWM載波方法，滯環(huán)寬度越小，輸出結(jié)果越理想，但是滯環(huán)寬度越小對實際采用的開關(guān)器件的要求也就越高。5.動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR仿真檢驗在前面四章先介紹了動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及它的三種工作模式。接著介紹了電壓檢測的幾種主要方法，并重點介紹了基于Hilbert變換的電壓檢測法，用仿真實驗驗證了它的檢測可靠性和實時性。在第四章講到了電壓控制的主要控制方法即三角波控制，滯環(huán)控制以及定時控制，并提到了一種將滯環(huán)控制和定時控制相結(jié)合的改進(jìn)控制方法，在數(shù)學(xué)理論上對這種改進(jìn)方法做了推導(dǎo)，證實了其可靠性。在這一節(jié)，將基于Hilbert變換法的電壓檢測和滯環(huán)控制的電壓控制方法結(jié)合起來，分別搭建單相動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR模型和三相動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR模型，分別就不同情況的電壓跌落進(jìn)行仿真，驗證其可靠性。根據(jù)在第二章動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR結(jié)構(gòu)的研究中參數(shù)部分的敘述，設(shè)置A相電壓有效值為220V，頻