动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文

1、本科毕业设计（论文）DVR电压补偿策略研究李皓君燕 山 大 学2013年6月本科毕业设计（论文）DVR电压补偿策略研究学院（系）： 里仁学院 专 业：09级应用电子 学生 姓名： 李皓君 学 号： 091203031037 指导 教师： 沈虹 答辩 日期： 2013/6/16 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及自动化 学号091203031037学生姓名李皓君专 业班 级09应电-02题目题目名称DVR电压补偿策略研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外

2、语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ）主要内容1、查阅相关资料，研究动态电压恢复器的工作原理2、研究现有电压补偿策略的工作原理3、完成主电路、控制电路参数设计4、进行开环、闭环系统仿真基本要求1、输出交流电压：220V/50Hz2、开关频率：20KHz3、整流桥负载下THD小于54撰写论文1本（不少于2万字，字迹工整、语言流畅），标准A0图纸一张参考资料1、电力电子技术（第四版）2、电力电子技术期刊3、IEEE on Power Electronics4、IEEE on Industry Application

3、5、电工技术学报、电工技术杂志、电气传动、电气自动化等周 次第 14周第 58周第 912周第1316周第1718周应完成的内容查阅资料，学习理论知识。了解题目概况、工作原理及系统构成完成主电路和控制电路方案选择，对所设计系统进行理论分析系统参数设计与仿真研究系统仿真实验研究整理实验数据，并与理论比较，撰写论文指导教师：沈虹职称： 副教授 2012 年 12月 13 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要伴随着经济发展而来的的是我国用电负担逐年增加，电网电压的跌落和电压波形的畸变现象经常发生，这会给许多对电压质量要求很高或是很敏感的电气设备带来困扰。同时，电力电子器件在生活的各个领域的应用也越来

4、越广泛，为解决电能质量问题的各种电气设备相继问世，对在性能与性价比方面占很大优势的动态电压恢复器（DVR）广泛关注，被认为是最有前景的电能质量调节的电力电子装置。本文首先介绍了动态电压恢复器的出现与发展，给出了各种电压跌落的介绍，并介绍了DVR 的典型结构，详细说明了动态电压恢复器的工作原理，并且对DVR的主要组成部分储能装置、控制装置、滤波装置、逆变装置等做了必要的分析，主要介绍了DVR现有电压补偿策略的工作原理，设计了动态电压恢复器的主电路部分与控制电路部分，然后应用MATLAB 建立了单相DVR 的仿真模型。利用仿真模型完成了跌落前电压补偿策略与同相电压补偿策略的仿真，针对电网电压的电压

5、跌落与电压相位偏移做了仿真，最后得出的仿真结果验证了DVR 确实能改善负载侧电能质量。在逆变器的控制方法中有单周期控制、PWM控制等等，本次设计对比了提到的两种控制策略，最后应用了PWM控制主电路。关键词:动态电压恢复器； 跌落前电压补偿法； 同相电压补偿法AbstractAlong with economic development comes the burden of electricity increased year by year. Grid voltage drop and voltage waveform distortion phenomenon often occurs.

6、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 various electrical equ

7、ipment. 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 paper, given the int

8、roduction 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 analysis, mainly on t

9、he 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 drop compensation strat

10、egy 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 control and more. The des

11、ign 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 method 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2动态电压恢复器的出现与发展11.3电能质量问题21.4国内外研究现状31.5 本文研究内容

12、：4第2章 动态电压恢复器工作原理52.1 DVR典型结构52.2 DVR的工作原理82.3控制方式92.4补偿方式10本章小结：12第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型133.1 DVR仿真模型133.2参数计算143.3暂降前电压补偿仿真结果与分析153.4同相位电压补偿仿真结果与分析173.5暂降前电压补偿闭环仿真分析20本章小结：23第4章 系统硬件设计24结论31参考文献32致谢33附录1-开题报告34附录2-文献综述38附录3-中期报告40附录4-中文译文48附录5-外文原文63第1章 绪论1.1 课题背景伴随着经济发展而来的的是我国用电负担逐年增加，电网电压的跌落和电压波形的

13、畸变现象经常发生，这会给许多对电压质量要求很高或是很敏感的电气设备带来困扰。并且，电力电子器件在生活的各个领域的应用也越来越广泛，为解决电能质量问题的各种电气设备相继问世，动态电压恢复器使其中的佼佼者。当系统电压受到外界干扰时，会产生类似电压跌落的电能质量问题，这是造成敏感负载出现问题的主要原因，而DVR会在1-2ms之内产生补偿电压，抵消敏感负载所受干扰，使负载正常工作，有助于降低电能质量问题所带来的设备损坏、生产中断、产品质量不合格等等的经济损失，保证了计算机负载与敏感负载的安全可靠运行。在性能与性价比方面占很大优势的动态电压恢复器（DVR）广泛关注，被认为是最有前景的电能质量调节的电力电

14、子装置。1.2动态电压恢复器的出现与发展1996年，美国西屋(Westinghouse) 公司首次发表了动态电压恢复器的研究报告和实验结果，标志着动态电压恢复器的诞生。同年8月，美国西屋公司与美国电力科学院(EPRI)共同研制的功率2MVA的DVR装置成功安装在美国北卡罗来纳州一家叫Duke的电力公司的一个12.47kV系统上，对全厂的电力质量问题进行补偿，运行后起到了良好效果。1998年，瑞士ABB公司研制的功率4MVA的DVR装置成功在新加坡的一家半导体制造厂投入运行，从安装后实际运行情况来看，此DVR装置很好的完成了对全厂电压跌落、电压突升及三相不平衡的补偿。1999年，德国西门子(Si

15、emens)公司为美国电力科学院制造的世界上第一台杆上紧凑式动态电压恢复器成功安装在加拿大道森克里克地区的一条12.5kV配电线上，对600kVA的负载提供保护。2000年，瑞士ABB公司再次生产的两套大容量的DVR装置在以色列一家芯片制造厂投入实际运行，运行后为该厂带来了巨大的经济效益。1.3电能质量问题理想的负载电压应该是标准的正弦电压，具有固定的幅值和固定的频率，并且三相对称。但是由于从发电厂发电、输电网输电、配电厂配电等环节中的各种因素影响，最后施加到负载上的电压幅值、频率中的一项或几项可能出现偏差导致电能质量问题。电能质量问题主要分为以下几类：1、电压跌落电压跌落是指在固定频率下，电

16、网电压的有效值短时间内下降。电压跌落值一般为0.1-0.9 倍额定值，持续时间一般不长。电压跌落产生的原因主要有电力系统发生故障和负载突增。2、电压突升电压突升是指在工频下，电网电压的有效值短时间内上升。电压突升值一般为1.1-1.8 倍额定值，持续时间为一般也不长。电压突升产生的原因主要有电力系统发生故障和负载突降。3、供电中断供电中断是指在一段时间内，系统的一相或多相电压低于 0.1 倍额定值。瞬时中断定义为持续时间在0.5 个周期到3 秒之间的供电中断，短时中断的持续时间在3-60 秒之间，而持久停电的持续时间大于 60 秒。4、电压不平衡电网电压不平衡是指三相电压的幅值或相位不对称。三

17、相电压不平衡的程度用不平衡度来表示，一般三相不平衡是指不平衡度超过 2%，短时超过 4%。在电力系统中，各种不对称工业负载以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。5、谐波谐波指以工频的整数倍作为频率的电压或电流。随着电力电子设备的广泛使用，非线性负荷的逐年增加，中、低压配电网中的谐波分量也不断上升。谐波产生的原因主要是当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。尽管电能质量问题的种类很多，但在上述所有电能质量问题中，根据统计，电压跌落和持续近 1 秒的短暂供电中断是工业和事业用户所面临的最为常见和严重的电能质量问题，电压跌落与断电已上升为最重要的电能

18、质量问题之一，应引起足够的重视。1.4国内外研究现状世界上的第一台 DVR 装置由美国西屋公司研制成功，并于 1997 年 8 月在美国DUKE 电力公司投入运行，西门子公司在 1999 年的 IEEE 会议上介绍了他们的 DVR 的运行情况。ABB 公司在 2000 年 IEEE 会议上介绍了安装在瑞士4的 DVR 的运行情况。在日本，柱上式 DVR 也已经投入运行。这些装置的运行目的是为了取得足够的运行经验，以及在实际中检验装置的性能从而加以进一步改善。除了上述的动态电压调节器实例，世界上还有很多厂家和研究机构正在研制各自的 DVR，如美国威斯康欣大学。在国内，很多高等院校和研究机构也已经

19、在几年前开始开展这方面的研究工作，如清华大学、西安交通大学、华北电力大学、东南大学、中国电力科学研究院等等。这些研究单位对于DVR 的运行原理、电路结构都进行了大量的深入研究并研制了相应的样机，其中东南大学研制出的补偿容量为 75 kVA 的试验样机在国内处于较高的容量水平。但是与国外相比，我们还没有相应的运行经验，所研制的实验室样机在全压下的实验工作有待进行；实验负载仍然过小，在大功率负载情况下装置的运行情况有待进一步实验，DVR 装置串联于系统和负荷之间，其本身的负载特性对于补偿效果也有一定的影响，在这方面也需要进一步的研究。另外，在容量和电压等级方面，我们的研究成果与国外的还有很大的差距

20、。一方面是需要投入大量研发资金的问题，但更重要的是某些关键技术我们还没有掌握。如系统故障条件下，DVR 本身承受故障大电流的能力，在雷电过电压或内部过电压下，DVR 的绝缘配合问题等。DVR 的系统保护问题的存在，阻碍了我国DVR 技术在高压大容量场合的应用，因此有必要对其进行细致的研究。目前 DVR 的研究发展主要集中在以下三个方面：一是储能技术，储能单元是决定 DVR 系统硬件成本的主要因素之一，储能器件的稳定性和充放电特性直接影响DVR 的整体性能；二是检测控制单元，对电压质量问题的准确、快速识别和测量以及对其采取的补偿控制策略直接关系到 DVR 的动态和稳态性能；三是逆变侧单元，对同一

21、电压等级和容量等级的 DVR，逆变器的电路拓扑不同、脉宽调制方式不同、控制策略不同以及与电网的耦合方式不同，装置的硬件成本和性能可能会不同。1.5 本文研究内容：本章节主要介绍了课题背景、动态电压恢复器的出现与发展、电能质量问题、国内外研究现状。我们得知电能质量问题的出现原因与分类，还有由于电能质量问题动态电压恢复器随之出现，现在动态电压恢复器发展的还不完善，有许多问题还有待解决。 第2章 动态电压恢复器工作原理2.1 DVR典型结构图2-1 DVR结构图DVR 的典型的结构如上图所示，主要包括逆变器，LC 滤波器，串联变压器，控制电路部分，储能装置。下面将对各个单元进详细的分析。逆变器：逆变

22、器是DVR 的核心，依据逆变电路结构的不同可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。单相半桥逆变器使用两只开关器件，其器件成本较全桥逆变器节省，但在直流侧需要电容分压，从而存在直流侧两个电容均压的问题。如果直流侧电容不能很好地均压，逆变器输出电压品质将受到很大的影响。同时由于直流侧经过了分压，直流侧电压的利用率降低为 1/2。全桥逆变器比半桥逆变器多用两只开关器件，装置的成本提高。桥式逆变器普遍存在桥臂直通的问题，都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通。推挽式逆变器不存在桥臂直通的问题，但功率器件的开关集电极电压应为电容电压的两倍。它的最大优点是在低输入电压时，任何时候最多只有一个开关

23、器件工作，因而在输出功率相同时开关损耗较小，适用于低压输入的大功率变换器。逆变器输出电压的控制有以下三种基本方案：（1）可控整流方案如果电源是交流电源，可通过改变整流器输出到逆变器的直流电压来改变逆变器的输出电压。（2）斩波调压方案如果前级是二极管不控整流或电池，则可以通过直流斩波器改变逆变器的直流输入电压来改变逆变器的输出电压。（3）、逆变器的自身控制方案采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波

24、或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，调控输出电压中基波电压的大小、增大输出电压中最低次谐波的阶次、并减小其谐波数值，来达到调控其输出基波电压，同时又改善电压波形的目的。这是目前广泛应用的先进的控制方法。SPWM法是一种目前使用较广泛的PWM 法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形，即SPWM 波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅

25、值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。本文设计的实验电路采用SPWM 方案。LC 滤波器:逆变器采用PWM 控制方法，输出的电压就是含有高频分量的PWM 波，为了得到标准的正弦电压，必须有低通滤波装置。滤波器可以有以下三种安装位置：一、逆变器和串联变压器之间这种方式可以降低串联变压器的设计容量，因为经过滤波器后，高次谐波不会再通过串联变压器，但是滤波器也引起了相移和幅度的衰减。二、利用串联变压器的漏感作为滤波电感这种方式利用了串联变压器的漏感作为滤波电感，减少了一个滤波电感，但是高次谐波会通过串联变压器，它的容量必然要增大，滤波效果也不太好。三、串联变压器和负载之间这种方式的优点是可以用电感

26、来消除串联变压器漏感的分布参数的影响，但是这样系统电流中会包含高频电流成分，串联变压器的容量也要增大。储能装置:直流侧储能装置主要有以下几种形式：一、大电容储能当系统电压正常时，通过整流装置给电容器充电，充电到一定数值时，从系统切除DVR。当系统电压波动时，通过逆变器补偿系统电压，电容器的容量决定了DVR的可以提供的能量。整流电路共用直流母线电容器的方式被广泛采用，电容器分为普通电容器，无极性电容器和超级电容器。普通电容器的成本较低，使用方便，但是它的能量密度小，而且寿命有限。超级电容器的能量密度比较高，可快速充放电，而寿命时间长，但是成本高昂，而且现在技术不是很成熟，实现起来比较困难。因此目

27、前大多数直流测储能装置还是使用普通电容器。二、蓄电池储能采用蓄电池供电，不但能够提供无功调节，而且能够在供电中断的情况下短时供电。但是蓄电池的容量也是有限的，不能长时间工作，而且蓄电池的价格比较昂贵，维护也不方便。三、其余的储能方式超导储能由于能量密度大、转换效率高、充放电快等优点受到广泛关注，但是成本较高，限制了它的应用。相信随着对超导储能系统研究的进一步深入，成本会大幅度下降，应用会越来越广泛。飞轮储能系统的关键部分是轴承，摩擦小的轴承的储能系统的效率高，现有的电磁轴承摩擦小、寿命长，但是用来稳定和定位飞轮的控制系统比较复杂。通过以上的分析，决定选用整流电路共用直流母线电容器的方式，电容器

28、为电解电容。2.2 DVR的工作原理系统侧电压经过整流桥变换为直流电能，通过直流侧电容为 PWM 逆变器供电，或由其他直流储能元件为逆变器供电。通过控制逆变器开关将直流侧的电压转换为输出端的交流电压，调节逆变器的输出改变 DVR 补偿电压的幅度与相位。补偿电压经过滤波器和串联变压器注入系统电网。由于 DVR 利用由线路交流电源经整流得到的直流电压作为逆变器直流侧的电源，即便在系统侧电压长期低落时也可通过插入补偿电压使负载侧电压恢复正常。如果在直流侧电容两端并联蓄电池，或采用大容量的电容储能的话，该装置还可起到 UPS 的作用，即在系统侧短期发生电压中断故障时仍可向负荷提供一定时间的能量。此外如

29、果采用适当的控制方法，该装置还可以起到有源滤波器的作用，以确保负载侧的供电电压为正弦信号。所以 DVR 可以起到维持电压，补偿有功和无功，平衡相间功率，有源滤波等功能，能够综合地解决电压质量问题。动态电压调节器的基本思想是通过串联变压器在用户线路中插入一个动态受控的电压 ，使负载上电压基本稳定。首先检测电路检测出电压量；随后通过控制电路产生补偿信号；再经过PWM 电路形成PWM 驱动信号；然后由驱动电路去控制逆变器功率器件的开通和关断；最后经LC 滤波器滤除高次谐波，从而在串联变压器上产生与补偿指令相同的补偿电压来消除电网电压中的跳变量，达到给负载提供高质量电能的目标。装置的核心部分是基于全控

30、器件的一个逆变器，DVR 输出的电压幅值和相位是可以调节的，与此对应 DVR 所需的无功和有功也是变化的。通过控制动态电压调节器输出电压的幅值和相位 ，我们可以调节负载的端电压。然而对于不同的补偿方式，幅值和相位的可调程度是不同的。对于没有储能单元的动态电压调节器，只能使用无功补偿方式，此时动态电压调节器不向系统注入任何有功能量；带有储能单元的动态电压调节器可以采用无功或有功补偿方式，在一定范围内灵活调节注入电压的幅值和相位。而无功或有功补偿方式又可以分为同相补偿和完全补偿，最小能量补偿三种方式种方式。2.3控制方式前馈控制：图2-2 前馈控制图前馈控制如图2-2所示，前馈控制以系统侧电压作为

31、输入信号，控制器通过比较系统电压与参考电压的差值来提供补偿电压，前馈控制模式具有响应速度快，稳定性高，控制方法简单，易于工程实现等优点，因此使用相当广泛。前馈控制的具体过程为利用传感器检测电路检测出系统侧电压，然后计算出系统电压与基准参考电压信号的差值，然后通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号，再由驱动电路控制逆变器的功率器件开关，最后由滤波器滤除高次谐波，输出与补偿指令相同的补偿电压来补偿电网电压的畸变。但是补偿电压从串联变压器原边输出到副边时，由于内阻和漏感的影响，副边输出的电压幅值和相位都会偏移，当负载变化时，在内阻和漏感上产生的压降会使输出电压也随之变化，从而影响补偿精度。反馈控制

32、：图2-3 反馈控制图反馈控制如图2-3所示，反馈控制以负载电压作为输入信号，控制器通过比较负载电压与参考电压的差值来提供补偿电压，反馈控制对负载电压进行直接控制，输出电压精度高，对负载变化的适应性也相对较好。反馈控制的具体过程为标准正弦波与实时采集的负载电压相减得到电压差值，电压差值经过PI 调节后送入PWM 控制芯片，产生的PWM信号送入驱动电路获得主电路的驱动信号。但是反馈控制的动态响应速度和稳定性都不如前馈控制。2.4补偿方式系统发生电压跌落时，通常是电压幅值的减小并伴随着电压相位的改变。为了能使得电压恢复到跌落前的状况，最一般的考虑是向系统补偿跌落前后的电压差值，使补偿后电压和跌落前

33、电压保持一致。下图是完全补偿法的相量图，图2-4 暂降前电压补偿向量图图2-4中U0是负荷侧电压相量、Us是跌落后的电压相量、Ui是补偿电压相量，I是负荷侧电流相量、负荷侧电压与电流的夹角是负荷功率因数角。这种方法的优点是补偿后电压的幅值、相位和补偿前完全一致，但完全补偿法的实现是基于这样的假设：DVR的容量和蓄能装置提供的能量是足够大的。当跌落电压相位偏差较大时，会出现Ui和功率同时都很大的情况，因此它是一种理想化的补偿方法。实际中对于DVR串联侧补偿策略的讨论需要考虑个方面的问题：一是电压补偿能力，即在DVR容量一定的条件下，如何补偿更大幅度的电压跌落。也即当跌落电压幅值一定时，如何降低补

34、偿电网电压Us的幅值，从而降低DVR的容量。二是能量补偿能力，即储能电容一定的条件下，在电压跌落时如何获得更长的补偿时间。前面提到，DVR工作过程也可以理解为补偿装置和系统之间进行有功、无功的能量交换过程，为了获得更长的补偿时间，关键问题是使补偿装置向系统提供的有功功率尽可能的少。当分别考虑DVR的电压补偿能力和能量补偿能力，相应就有了同相补偿法和最小耗能补偿法。下图2-5是同相补偿法的向量图：图2-5 同相位补偿向量图同相补偿法使Us和Ui保持相位相同，这样做使得补偿一定的电压跌落所需要的电压幅值最小。但是同相补偿法只是对跌落电压的幅值进行补偿，并不能补偿相位，这样的结果使补偿后电压会由于跌

35、落电压相位的偏差而出现电压的不连续。图2-6 a）最小能量补偿向量图 b）最小能量补偿向量图由于DVR的蓄能装置提供的能量有限，若采用最小耗能补偿法，当补偿电压时由补偿装置向系统注入的有功最小，使得DVR在补偿能力有限的情况下长时间的工作。上图表示采用最小耗能补偿法 和两种情况下的电压补偿相量图。可以看到，由于Ui和I垂直，DVR只向系统注入无功，而没有注入有功，因此DVR可以长时间的工作。本章小结：本章节首先介绍了DVR典型结构，各结构的作用一些情况，然后说明了DVR的工作原理、控制方式、补偿方式等一些内容。 第3章 基于MATLAB的DVR仿真模型3.1 DVR仿真模型图3-1 暂降前电压

36、补偿仿真模型图仿真电路如图3-1所示，根据实验要求输出交流电压220V/50Hz，开关频率20KHz，用断路器模块、交流电源与阶跃信号模块共同组成一个电压跌落的电源。阶跃信号模块是一个在0.05s时出现单位阶跃的，通过单位阶跃控制断路器模块的通断。在0.05s之前，其中一个断路器导通输出电压为220v频率为50Hz的交流电压，另一个关断；在0.05s之后，通过阶跃信号改变断路器的通断，使另一个电压输出到电网，将电网电压变为电压110v频率为50Hz的正弦电压。把电网电压与标准正弦信号比较得到想要补偿的电压信号，把这个电压信号进行PWM调制得到控制信号，输出到双桥逆变器控制逆变器工作，逆变器输出

37、与想要补偿的电压信号等效的电压波形经过LC滤波得到期望波形，补偿到电网电压上，补偿负载电压。本次设计中进行的是单相DVR的仿真分析，3.2参数计算逆变器的输出电压在滤波前是SPWM 调制波，其中既有50HZ 基波，又有高次谐波，只有通过滤波器后才能得到所需的50HZ 交流正弦波形。滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些特定频率的信号通过。允许通过的信号频率范围为通带，不允许通过的信号频率范围为阻带，通带与阻带交界的频率f c称为截至频率。根据滤波器通带和阻带的位置关系，滤波器可分为：高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器等，本实验采用LC 低通滤波器。 （3-1） （3-2） 即时所得的频率

38、为截止频率fc， （3-3）由于f<<fc，则L<<1/C，所以L对基波信号阻力很小，1/C对基波信号分流很小，因此允许基波信号通过。对高次谐波而言，由于L>>1/C，L对谐波信号阻力很大，1/C对谐波信号分流很大，因此滤波器不允许谐波信号通过。 （3-4）令，称为特性阻抗，则 （3-5） （3-6） （3-7）RL=10，取=6逆变器输出电压中基波频率为f= 50HZ，设截止频率为 fc= 500HZ 。L=1.91mHC=53uF逆变桥所用的直流电压由一个100V 的直流电源提供，开关频率为20kHZ，输出滤波电感设置为1.91mH，滤波电容设置为53u

39、F。负载为10欧姆的纯阻性负载。采用的是前馈控制，检测到的电网电压与给定电压比较，产生的补偿电压信号控制产生SPWM 波的正弦电压补偿到电网。3.3暂降前电压补偿仿真结果与分析设置阶跃信号初时值为0，在0.05 秒处变为1 持续到仿真过程结束。以此来模拟系统侧电压在0 秒到0.05 秒是正常值，0.05 秒到0.2秒发生电压跌落，此时得到的仿真波形如下图所示。从上到下，依次为系统侧电压，DVR补偿电压，负载侧电压。图3-2 电网电压波形图3-3 补偿电压波形图3-4 负载电压波形从仿真结果可以看出DVR可以很好地补偿电压跌落，使负载的电压连续，维持在220v电压基本不变。补偿的不是那么完全，在

40、0.05s以前电容上也有电压信号，是因为电容分压，我相信可以通过改进DVR进行完善。3.4同相位电压补偿仿真结果与分析当跌落电压幅值一定时，如何降低补偿电压U的幅值，从而降低DVR的容量。能量补偿能力也是要注意的问题之一，即储能电容一定的条件下，在电压跌落时如何获得更长的补偿时间。前面提到，DVR工作过程也可以理解为补偿装置和系统之间进行有功、无功的能量交换过程，为了获得更长的补偿时间，关键问题是使补偿装置向系统提供的有功P尽可能的少。当分别考虑DVR的电压补偿能力和能量补偿能力，相应就有了同相补偿法和最小耗能补偿法。同相补偿法使补偿电压和电网电压保持相位相同，这样做使得补偿一定的电压跌落所需

41、要的电压幅值最小。在建立同相位电压补偿仿真时，是从暂降前电压补偿仿真模型基础上建立的，同相位电压补偿仿真与暂降前电压补偿仿真模型基本相同，只是改变电网电压与给定。将电网电压与给定做差得到补偿电压，因为0.05s以前电压没有发生跌落与相移，所以不用补偿，用一个0.05s发生阶跃的单位阶跃模块与补偿电压信号相乘，来模拟检测到电网电压出现电能质量并进行补偿电压信号的输出。接下来与暂降前电压补偿相同，把这个电压信号进行PWM调制得到控制信号，输出到双桥逆变器控制逆变器工作，逆变器输出与想要补偿的电压信号等效的电压波形经过LC滤波得到期望波形，补偿到电网电压上，补偿负载电压。下图3-5所示为同相位电压补

42、偿仿真模型：图3-5 同相位电压补偿仿真模型下面依次是电网电压波形、补偿电压波形、负载电压波形：图3-6 电网电压波形图3-7 补偿电压波形图3-8 负载电压波形从仿真结果可以看出DVR可以很好地补偿电压跌落与相移，使负载的电压幅值连续，维持在220v电压基本不变。补偿的同样不是那么完全，在0.05s以前电容上也有电压信号，是因为电容分压。3.5暂降前电压补偿闭环仿真分析暂降前电压补偿闭环仿真与暂降前电压补偿仿真模型基本相同，只是改变控制方式。将负载电压与给定做差得到补偿电压，把这个电压信号进行PWM调制得到控制信号，输出到双桥逆变器控制逆变器工作，逆变器输出与想要补偿的电压信号等效的电压波形

43、经过LC滤波得到期望波形，补偿到电网电压上，补偿负载电压。设置PI调节器，Kp=1，Ki=0.8，其他参数与暂降前电压补偿相同。下面依次是暂降前电压补偿闭环仿真模型、电网电压波形、补偿电压波形、负载电压波形：图3-9 暂降前电压补偿闭环仿真模型图3-10 电网电压波形图3-11 补偿电压波形图3-12 负载电压波形从仿真结果可以看出，反馈控制的具体过程为标准正弦波与实时采集的负载电压相减得到电压差值，电压差值经过PI调节后进行PWM调制，产生的PWM信号送入驱动电路获得主电路的驱动信号。但是反馈控制的动态响应速度和稳定性都不如前馈控制。本章小结：本章节进行了参数计算，又分别介绍了暂降前电压补偿

44、仿真模型、同相位电压补偿仿真模型、暂降前电压补偿闭环仿真模型，并得出了仿真结果对其进行了分析。第4章 系统硬件设计本文中的主电路设计如下图所示，出现电能质量问题的电网电压通过电压互感器得到电网电压信号。正弦波振荡电路产生的正弦波并通过放大电路得到期望的正弦波电压波形，此正弦波作为给定进行比较。将电网电压信号与正弦波振荡电路产生的期望波形进行比较，从而得到需要补偿的波形信号，最后通过单极性的PWM控制方式得到PWM控制信号，控制逆变器产生补偿电压最后补偿给电网。图4-1 主电路硬件连接电路图三角波发生电路：图4-2 三角波发生电路图由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC

45、积分器两大部分。如上图所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器，同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得： （4-1）当Vp0时,A1输出为正，即VO1 =+Vz；当 Vp0时,A1输出为负,即VO1=-Vz。A2构成反相积分器，V01为负时， VO2 向正向变化， VO1 为正时， VO2 向负向变化。假设电源接通时VO1 = -Vz，线性增加。当时，可得： （4-2）当VO2上升到使Vp略高于0v时，A1的输出翻转到VO1 = +Vz 。 同理可知，当时，当VO2下降到使Vp略低于0v时，V01=-V

46、z。这样不断循环就可以得到方波V01与三角波V02。电路的震荡频率为：方波幅值：三角波幅值： 设定,正弦波发生电路：图4-3 正弦波发生电路图上图是RC桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分组成，即放大电路A和选频网络F。选频网络（即反馈网络）的选频特性已知，在处，RC串并联反馈网络的，根据振荡平衡条件,当R1=R2，C1=C2，AF=1和，可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相，放大电路的电压增益不能小于3，即用增益为3（起振时，为使振荡电路能自行建立振荡，A应大于3）的同相比例放大电路即可。根据这个原理组成的电路，由于C1与R1、C2与R2和R3、R4正好形成一个四臂电桥，电桥的

47、对角线顶点接到放大电路的两个输入端，因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路 。在时，经RC反馈网络传输到运放同相端的电压V1与V0同相，即有和。这样，放大电路和由Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡。由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中一定包括有这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。由于放大电路的A开始时略大于3，反馈系数F=1/3，因而使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动地稳定下来，此时A=3，达到AF=1振幅平衡条件。RC桥式振荡电路

48、的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置。热敏电阻稳幅可以得到失真较小的波形，但是受环境温度影响较大，输出幅值随温度改变而改变。本文中采用正温度系数热敏电阻。电路震荡频率为：驱动电路：如下图所示，给个高电平，T就导通，电流通过5V电源、T的E和C、光耦的发光二极管、电阻R16到地，发光二极管因为有电流通过而发光，致使三极管接收端导通，电源15V通过三极管端、R15到地。最后使输出为高电平起到驱动的作用。图4-4 驱动电路电路

49、图输出滤波器设计：逆变器的输出电压在滤波前是SPWM 调制波，其中既有50HZ 基波，又有高次谐波，只有通过滤波器后才能得到所需的50HZ 交流正弦波形。滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些特定频率的信号通过。允许通过的信号频率范围为通带，不允许通过的信号频率范围为阻带，通带与阻带交界的频率f c称为截至频率。根据滤波器通带和阻带的位置关系，滤波器可分为：高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器等，本实验采用LC 低通滤波器。 （4-3） （4-4） 即时所得的频率为截止频率fc， （4-5）由于f<<fc，则L<<1/C，所以L对基波信号阻力很小，1/C对基波信号分

50、流很小，因此允许基波信号通过。对高次谐波而言，由于L>>1/C，L对谐波信号阻力很大，1/C对谐波信号分流很大，因此滤波器不允许谐波信号通过。 （4-6）令，称为特性阻抗，则 （4-7） （4-8） （4-9）RL=10，取=6逆变器输出电压中基波频率为f= 50HZ，设截止频率为 fc= 500HZ 。L=1.91mHC=53uF开关器件的选择：IGBT（绝缘栅双极晶体管）是大规模功率集成半导体开关器件。IGBT 采用MOS栅输入结构，开关主体是双极晶体管，它兼有MOSFET 的高输入阻抗、电压控制特点，又具有双极晶体管低饱和压降的优势。其最显著特点是高速、高压、大电流，是当代功

51、率开关的主流器件。开关器件中电流有效值为：开关器件中流过的电流峰值为开关器件的电流选择为电流峰值的2 倍为：可以选择20A的开关管。当系统电压升高30%时，管压为286开关器件电压选择为电压峰值的两倍可选耐压600V 的开关器件。结论随着科技的发展，计算机等精密设备在人们的生产、生活中得到了普遍的应用，但是它们对电网电压的波动比较敏感，小则造成数据的丢失，大则引起生产事故。如何保证它们的供电质量是人们关注的问题。DVR 是一种新型的电能质量调节装置，能有效地补偿电网电压的波动，保证敏感用电设备的供电稳定。本文对DVR 作了一些研究和分析，论文的内容和结果主要如下：对DVR 的结构和原理，进行了

52、介绍。分析了三种不同的补偿策略，对它们各自的特点与补偿方式作了研究。运用MATLAB 建立了单相DVR 仿真模型，根据仿真结果来看，DVR能补偿电网电压的暂升暂降，动态性能好。对DVR 的主电路和控制电路进行了设计，其中包括如滤波电感、电容参数的选取、开关频率和功率开关器件等。DVR 工作时串联于电网与负载之间，其本身的负载特性对补偿效果会产生一定的影响。本人的学识有限，只设计了单相DVR，所用的是相对简单的控制算法，而一些新型的控制方法应该能提高DVR 的快速性和准确性。参考文献1张军军。基于DSP的三相DVR的研制 合肥工业大学学位论文 2007 7-202 向龙瑞。动态电压恢复器控制技术

53、的研究与仿真 天津理工大学学位论文 2006 7-123郝晓弘、房善新、陈伟 。动态电压恢复器控制策略的研究与仿真 工业仪表与自动化装置 2010 17-194李承、邹云屏。三相三线动态电压调节器的单周控制策略 继电器 2007 44-475李承、邹云屏、范婕。动态电压恢复器单周控制策略的建模与仿真研究 电力自动化设备 2006 7-96谢旭、梁旭、胡明亮、姜齐荣。动态电压恢复器的补偿特性与控制目标 研制与开发 2002 41-447冯小明、杨仁刚。动态电压恢复器电压补偿策略的研究 电力系统保护与控制 2011 11-158杨晓萍、许辉。动态电压恢复器电压补偿策略及其仿真研究 电工技术杂志 2

54、004 58-529王晶，徐爱亲，翁国庆，沈月月。动态电压恢复器控制策略研究综述 电力系统保护与控制 2010 146-15110夏德玲、翁贻方。自动控制理论 2011 48-15211刘豹、唐万生。现代控制理论2011 56-9512魏艳君。电力电子电路仿真2011 96-13213王兆安、刘进军。电力电子技术2011 62-9414何衍庆、黄海燕、黎冰。集散控制系统原理及应用2011 102-14515BOLLEN M H JUnderstanding power quality problems：voltage sa91 and interruptionsNew York，NY，USA：IEEE Press，200016Mc GRANAGHAN M F，ROETTGER w CThe economics of custom powerProceedings of the 2003 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and