动态电压恢复器作业设计

-Ⅱ-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（DynamicVoltageRestorer,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仿真兰州交通大学毕业设计(论文)-1-目录摘要............................................................1目录..............................................................11绪论..........................................................21.1动态电压恢复器（DVR）...........................................31.2DVR功能特点....................................................31.3DVR性能指标....................................................31.4工作原理与结构..................................................31.5应用场合........................................................52动态电压恢复器的主电路参数设计....................................52.1主电路的结构选择.....................................................52.1.1逆变器的选择...................................................52.1.2串联变压器.....................................................62.1.3输出滤波器.....................................................72.1.4直流储能单元的选取.............................................72.2DVR主电路参数设计...................................................72.2.1DVR容量......................................................83.2.2直流测电压.....................................................82.2.3串联侧滤波电路.................................................92.2.4主电路参数的设定...............................................93结论和展望.......................................................10参考文献........................................................12兰州交通大学毕业设计(论文)-2-1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—dynamicvoltagerestorer）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(FastFourierTransformation)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。兰州交通大学毕业设计(论文)-3-1.1动态电压恢复器（DVR）动态电压恢复器DVR(DynamicVoltageRestorer)。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。1.2DVR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1.3DVR性能指标输入电压标称电压UN220VAC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﹤5ms1.4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。在配电系统正兰州交通大学毕业设计(论文)-4-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。兰州交通大学毕业设计(论文)-5-1.5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。兰州交通大学毕业设计(论文)-6-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。兰州交通大学毕业设计(论文)-7-2.1.3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