动态电压恢复器作业设计

摘要
由于现代科技的发展，非线性负载和电力电子装置应用广泛，它们对电压扰动极其敏感，几个周波的电压扰动可能导致它们失灵或彻底损坏。

在各种电压扰动或干扰因素中，电压跌落尤为明显，并已成为影响诸多用电设备正常运行的非常严重的动态电能质量问题。

而且电压跌落具有不可预见性，影响范围较大，会造成相当大的经济损失。

因此，利用补偿装置消除瞬时电压跌落、提高电能质量非常必要。

本文以动态电压恢复器（Dynamic V oltage Restorer,DVR）为研究对象，首先介绍了研究DVR的目的意义和DVR的发展概况，阐述了其主电路结构和工作原理，并对主电路结构的选择以及参数的设计进行了理论分析。

其次，在目前跌落电压特征量的检测方法中，基于瞬时无功功率理论的单相dq变换检测方法应用广泛，但需要考虑由单相电压虚构三相电压的问题。

本文讨论了Hilbert变换检测法和小波变换检测法，并通过仿真比较，确定小波变换检测法具有较好的检测性能；对比了目前广泛使用的滞环控制和定时控制两种跟踪型PWM控制方式，选取定时控制的瞬时值比较方式作为DVR中PWM逆变器的控制方法。

最后，在理论研究的基础上，应用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱对DVR进行了建模仿真，对比了电网中发生电压跌落、电压上升和电压跌落并伴有谐波等几种电能质量问题时DVR的补偿性能。

仿真结果证明了DVR所采用的检测方法和控制策略的正确性，且具有较好的补偿特性，且能够同时解决电网中的多种电能质量问题。

关键词：电能质量；动态电压恢复器；电压跌落；MATLAB仿真
目录
摘要 (1)
目录 (1)
1绪论 (2)
1.1 动态电压恢复器（DVR） (3)
1.2 DVR功能特点 (3)
1.3 DVR性能指标 (3)
1.4 工作原理与结构 (3)
1.5 应用场合 (5)
2 动态电压恢复器的主电路参数设计 (5)
2.1 主电路的结构选择 (5)
2.1.1 逆变器的选择 (5)
2.1.2 串联变压器 (6)
2.1.3 输出滤波器 (7)
2.1.4 直流储能单元的选取 (7)
2.2 DVR主电路参数设计 (7)
2.2.1 DVR容量 (8)
3.2.2 直流测电压 (8)
2.2.3 串联侧滤波电路 (9)
2.2.4 主电路参数的设定 (9)
3 结论和展望 (10)
参考文献 (12)
1绪论
随着工业化程度的日益提高，电力负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷容量的不断增长，使得电网出现各种各样的电能质量问题。

根据各国学者和电力部门的统计和分析，在电力系统的各种电能质量中，电压暂降是发生概率最高的电能质量问题[1]。

基于电力电子技术的动态电压恢复器（DVR—dynamic voltage restorer）是近年来出现的DFACTS装置，串联于电源与敏感负荷之间，具有良好的动态特性，当发生电压暂降时，它能在毫秒级内对电压暂降进行有效补偿，还能抑制电源电压中的谐波、闪变等干扰，是抑制动态电压干扰的有效装置[2]。

控制系统是整个DVR的核心。

在DVR的控制系统中，检测环节和设计控制算法环节是整个DVR控制器的关键。

目前谐波检测方法主要有以下几种：模拟滤波器检测法、基于Fryze功率定义的检测方法、基于频域分析的FFT(Fast Fourier Transformation)傅立叶变换检测法、自适应检测法、基于神经网络的检测法、基于小波变换检测方法和基于瞬时无功功率理论检测法[3]。

本文采用是基于瞬时无功功率的检测方法，即基于Park变换的dq法，该方法不但可以简化对称无畸变情况下的电压增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电压增量检测。

在控制器设计环节，现在的DVR闭环控制策略大多基于经典控制理论，并使用PI调节器实现。

这些方法有一定的局限性：对参数变化敏感，对非线性，负载扰动的适应能力不是很强[4~6]。

由于滑模变结构控制具有响应快速、对参数变化及扰动不敏感、鲁棒性强、物理实现简单的优点，近年来在实际工程中逐渐得到推广应用[7]。

本文采用一种新型的DVR 变结构控制策略，采用逆系统控制方法，构造出DVR的伪线性系统，在此基础上实现对系统的解耦。

这样，能够使得针对这个伪线性解耦系统控制器的设计变得简单易行。

采用此方法来设计DVR的控制器，然后用MATLAB仿真软件对所设计的控制器进行计算机仿真，仿真结果验证了此控制方法的可行性及有效性。

1.1 动态电压恢复器（DVR）
动态电压恢复器DVR(Dynamic V oltage Restorer)。

DVR串接在电源与敏感负荷之间，当电压跌落发生时，DVR可以在ms级时间内将电压跌落补偿成正常值。

由于DVR只是在电压跌落出现时，提供负荷满足正常电压所需的功率消耗，负荷所需的大部分功率还是由电源提供，因而DVR的效率很高，费用低于UPS,STS，是抑制电压跌落最有效的补偿装置。

1.2 DVR功能特点
抑制动态和稳态的电压跌落、浪涌、闪变
具有良好的动态电压补偿能力
可以有效抑制谐波、三相不平衡，提高电能质量
1.3 DVR性能指标
输入电压
标称电压UN220V AC
标称频率Fn50Hz
动态电压范围：（50%~110%) UN
稳态电压范围：（70%~100%) UN
输出电压
电压稳定度±1%
电压动态响应﹤5ms
1.4 工作原理与结构
动态电压恢复器（DVR）是面向电力负载的串联动态电能质量调节装置，它相当于一个串联在电力系统和电力负荷之间动态受控的电压源。

在配电系统正
常供电情况下，DVR工作在备用状态，其损耗是相当低的。

当电网发生某种电压质量问题时，会在几毫秒之内向系统注入电网正常状态和故障状态下的电压差，使得伏在上的电压保持很定不变。

图2.1.1是DVR和系统连接及工作原理示意图。

图2.1DVR与系统连接及工作原理示意图
从图中可以看出，典型的DVR大致可以分为以下几部分：一是检测控制单元；二是直流单元，包括直流电压变换装置和储能元件；三是逆变侧单元，包括逆变器、滤波器及串联变压器。

在DVR中，每一个单元虽然在功能上相对独立，但互有关联，不可分割，在设计和控制上需要协调一致。

1.5 应用场合
动态电压调节器可以串联安装在计算中心，服务器与系统电源之间，防止系统电压干扰造成计算机与服务器故障造成数据丢失，提高计算机系统的安全可靠性.
动态电压调节器可以串联在敏感负荷与系统电源之间，防止系统电压干扰造成敏感负荷工作异常.如半导体工厂供电电源与用电负荷之间，防止系统电压波动，跌落和闪变造成半导体工厂产生大量废品及巨大的经济损失.
一切UPS应用的场合，动态电压调节器具有良好的动态电压补偿能力，性能价格比高于UPS，是提高负荷侧电压质量的有效手段.
小容量单相动态电压调节器可以应用于家庭，起到稳压器的作用，同时成本低，具有广大的市场.
2 动态电压恢复器的主电路参数设计
前面介绍了DVR的主电路的构成、工作模式、补偿策略，这章需要考虑的是DVR的主电路结构。

因为不同的主电路结构和参数会有不同的补偿效果和不同的性价比。

2.1 主电路的结构选择
2.1.1 逆变器的选择
DVR的核心单元是一个基于全控器件的电压源型逆变器，用于补偿故障电压的串联注入交流电压就是通过逆变器对直流电压的逆变产生的[]30。

针对DVR 的逆变器拓扑结构，主要有两种结构形式，分别为三相全桥结构和三单相桥结构。

三相全桥的结构如图3.1所示。

它适用于三相三线制的系统，逆变器使用三组共6只功率开关器件。

控制方式上，当跌落发生时，驱动三组逆变器同时动作，对系统电压进行补偿。

图3.1三相全桥逆变器
三单相全桥的结构，采用三组单相全桥的逆变器结构，各相结构相同。

控制方式上，三组相互独立，分别补偿各相发生的电压跌落现象，同时，三相基准参考信号的相位相隔120°，保证三相的对称性。

2.1.2 串联变压器
串联变压器对装置的补偿性能有很大影响，从电路拓扑图上看，DVR可以不用串联变压器而将逆变器输出的补偿电压经滤波后串入系统。

串联变压器的设计与DVR的主电路结构以及系统参数等有很大的关系。

是否采用串联变压器作为补偿电压的注入方式有两种思路:一种是使用串联变压器，补偿电压通过串联变压器耦合到电网中去。

另一种是不使用串联变压器，而是将补偿电压通过滤波电容直接耦合到电网中去。

串联变压器的优点主要有两个：一个是降低逆变器直流侧电压等级，串联变压器变比的引入可以减小开关器件的管压降；另一个是电气隔离，通过串联变压器，DVR可以与电网隔离。

同时使用串联变压器存在一系列的缺点:
（1）逆变器产生高次谐波给变压器设计带来困难，使得变压器的容量上升；
（2）串联变压器和滤波电感、电容相互影响带来附加的相移和电压跌落，从而影响控制器的性能；
（3）使用串联变压器增加了成本，而且占地面积较大。

不使用串联变压器时，滤波电容将直接耦合在线路中。

这种方案的优点是:省了变压器，结构简单，降低了成本，但由于没有变压器的降压与隔离作用，系统电压将通过电容直接作用于逆变器的桥臂，为了安全运行，必须提高逆变器的耐高压等级，因此将增加了装置的成本。

由于本文研究的DVR工作于低压电网中，电压等级比较低，因此使用无串联变压器的耦合方式，可以解决变压器所带来的一系列问题，例如逆变器桥臂所承受的整个补偿电压等，而且储能单元的三相独立，可以防止逆变桥各桥臂的短路。

2.1.3 输出滤波器
图3.3给出了滤波器在DVR装置中可能的安装位置。

滤波器的位置对DVR 的性能影响很大，如果将滤波器放置在逆变器侧(A处)，则可以降低串联变压器的设计容量，这主要是滤波器可以将逆变器开关的高次谐波去掉，同时，滤波器也会引起相移和幅度的衰减，给滤波器和控制器的设计带来了难度。

如果把滤波器放置在线路侧(B处)，则可以利用变压器的漏感作为滤波电感，从而减少了一个滤波电感。

其缺点在于串联变压器要处理高次谐波功率，它的容量必然要增大，同时滤波效果也不好。

如果将滤波器放在线路侧(C处)，该结构的优点是可以用电感来消除串联变压器漏感的分布参数的影响。

在控制上可以使控制器方便的取样电感或电容电流，进行电流模式控制。

因此本课题将滤波器置于A点。

图3-3滤波器放置位置示意图
2.1.4 直流储能单元的选取
系统发生故障时，DVR须向系统提供有功功率，这些能量均由DVR的直流储能单元提供。

得到有功功率的方法有以下四种方式:
（1）利用大电容储能的方式
（2）采用不控整流方式
（3）采用PWM整流的方式
（4）超导储能(SMES)
2.2 DVR主电路参数设计
DVR工作时，不仅要求故障时对故障电压的检测精度高，还要求其动态响应快。

除了控制方法外，主电路的参数对补偿性能的影响也很大。

如果这些参数选取不当，会使DVR达不到满意的补偿效果，同时会提高DVR的造价。

dc
图1 动态电压恢复器电路图
2.2.1 DVR 容量
DVR 装置的容量，要根据补偿对象进行计算。

如果负载的额定工作电流为L I ,需要补偿的电压有效值为DVR U ，负载的电压为L U ，负荷的功率为L S 。

α为电压变化率，则装置的容量S 为:
L L L DVRr I U I U S α== （3.1）
动态电压恢复器串联侧容量的选取决定于电网电压变化率和负荷容量两个因素，对于给定的负荷，DVR 串联侧容量主要取决于电压变化率。

3.2.2 直流测电压
DVR 是通过逆变器产生所需要的补偿电压，于是逆变器直流侧电压的大小将影响它的补偿性能和补偿效果。

对于三相电路而言，一般要求PWM 逆变器交流侧相电压A U 大于要产生的补偿电压
CU U 的峰值， 即 A U ≥MAX CU U . （3.2）
变压器的副边电压CU U 等于原边电压sag U 的N 倍，即
max .max .sag cu nU U （3.3）
于是有:max .cu A U U ≥
而逆变器交流侧电压A U 的绝对值分别为:
3min d A U U = 32max d A U U = （3.4）
考虑到DVR 的动态性能，一般选择max .3sag d nU U =进行计算[]33。

2.2.3 串联侧滤波电路
滤波器参数设计的原则是逆变器输出的基波电压应无衰减地通过滤波器，而
其它高次谐波应受到极大的衰减。

取120=LC ω，0ω为滤波器的截止频率，对于
不同的0ω，滤波器对高次谐波的抑制作用也不同。

理想情况下滤波器中电容和电感的选取公式：
0ωL
Z L = L Z C 01ω= （3.5）
2.2.4 主电路参数的设定
基准相电压有效值：V U L 220=
基波频率：Hz f 501=
负载容量：kVA S L 20=
电压跌落和上升最大的变化范围：0.1～1.8
逆变器使用IGBT ，开关频率选取为kHz f 20=
负载相电流()A I L 30.30220320000=⨯=
等效为Ω==26.730/30200A Z L
补偿电压有效值的最大值为220×0.9=198V ，逆变器产生的基波电压有效值 V V 1981≥,即V U d 1989.0≥,可得V U d 220≥。

取V U d 240=。

串联侧滤波器滤除13次以上的谐波，即Hz nf f 65010==，为留有一定的裕度，并防止对某次谐波的共振，取Hz f 5750=，根据经验公式可得
mH L 01.2= F C μ1.38=
3 结论和展望
(1)在分析动态电压恢复器的基本组成单元、补偿性能的基础上，针对低压配电网电压等级低、电网结构多为三相四线制的特点，本文采用三单相结构的DVR主电路结构，同时直流能量采用不控整流的方式提供能量。

(2)分析了各种电压跌落检测方法的利弊，论述了基于Hilbert变换的检测方法和小波变换检测法的原理，并用仿真软件MATLAB/SIMULINK软件对两种检测方法进行建模与仿真，结果表明基于Hilbert变换的检测方法只能对不含谐波的电压跌落准确的检测，而小波变换检测法无论系统中是否含有谐波，都能对跌落电压的特征量进行检测，小波函数的选取和分解层数对检测结果有较大的影响。

(3)比较了两种常用的跟踪型PWM控制方式，其中定时控制的瞬时值比较方式易于数字化，且具有较好的控制效果，能够满足动态电压恢复器的要求，仿真证明了采用此控制方法，补偿信号能够实时的跟踪指令信号的变化。

本文利用仿真软件对DVR进行建模，并将搭建的检测模块和控制模块应用于DVR的仿真模型，通过在MATLAB下进行仿真试验，验证DVR不但能较好的补偿电压跌落，还能对谐波、不平衡等问题进行治理。

同时，动态电压恢复器是涉及电力电子技术、电气自动化、现代控制理论等的一个前沿性课题，由于作者水平和论文时间有限，还有一些工作为展开：
(1)采用不控整流的方式从电网中获得直流能量的方式会给电网带来一定的负面影响，例如给电网注入谐波，并使直流电压有l00Hz的纹波，同时当电网电压发生跌落时，直流电压也随之下降，使DVR控制精度下降。

采用PWM整流
方法，可以控制直流电压保持恒定，同时消除谐波电压对电网的影响，在下一步的研究中应加以考虑。

(2)文中所采用的两种检测方法和控制方法仍有不足，尝试研究其它的电压跌落检测方法和PWM控制方法，并进行仿真试验。

(3)进一步优化仿真参数，并根据优化的仿真、控制方法及DVR的仿真模型，考虑研制实验装置。

5 结论
目前世界范围内动态电压恢复器研制热潮的兴起说明了具有优异动态特性的DVR技术在提高电能质量方面可以起到重要的作用。

因此本文采用一种DVR的变结构控制策略，应用逆系统控制方法，构造出DVR的伪线性系统，将系统解耦后分解成2个子系统，使得针对这个原系统的控制器设计的变得简单易行。

变结构控制方法的应用，使系统比传统的控制方法具有较好的动态性能，较强的负载适应能力。

最后通过MATLAB仿真软件对所设计的控制器进行计算机仿真，结果验证了此控制方法的正确性及有效性。

参考文献
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