动态电压恢复器DVR的仿真与主电路设计论文

中原工学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目名称：动态电压恢复器（DVR）的仿真与主电路计院系名称：电 子 信 息 学 院班 级：电 气 093 班学 号：200900474321学生姓名：贾 东 阳指导老师：巫 付 专中原工学院毕业设计（论文）2013 年 5 月动态电压恢复器（DVR）的仿真与主电路设计The main circuit design and simulation of the Dynamic Voltage Restorer (DVR)院系名称：电子信息学院班 级：电气类 093学 号：200900474321学生姓名：贾东阳指导教师：巫付专 论文编号：200900474321中原工学院毕业设计（论文）2013 年 5 月中文摘要随着高新技术的发展，电力用户对电能质量的要求也越来越高。在众多现代电能质量问题中，电压跌落尤为明显，并已经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。动态电压恢复器是目前针对电压凹陷问题最为经济有效的补偿装置。本文以动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer,DVR）为研究对象，首先，对 DVR 的工作原理进行了研究，并对 DVR 的工作模式与 DVR 的电压补偿方法进行了分析与比较。其次，对 DVR 的主电路结构进行了分析介绍与比较，并且确定了各个模块的结构选取，以及对主电路各个模块的电路参数进行了计算确定。对于 DVR 的信号检测与算法也进行了研究，并对于基于瞬时无功理论的 dq 变换进行了分析。最后，由于目前的 DVR 其控制上主要是 PID 控制算法，因而也对其进行了简单的分析。通过 MATLAB 仿真对比，分析比较了同相位补偿与最小能量补偿策略的优缺点。并通过仿真，比较出了滞环控制的优点。总之，仿真结果说明了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 仿真中原工学院毕业设计（论文）AbstractThe requirement on electrical power quality is ever increasing along with the development of technology. Among the many modern power quality problems，voltage sags are currently and it has been the largest cause of disruption inpower supply systems. Dynamic Voltage Restorer is the most economical and effective compensation device for Voltage Sag problem.In this work, we study the DVR. Firstly, the working principle of DVR is analyzed. And the operating mode and voltage compensation method of DVR is further analyzed and compared.Secondly, main circuit structure of DVR is analyzed and compared. Structure of each module is selected and circuit parameters of each module in the main circuit are calculated. Signal detection and algorithmic analysis of DVR are analyzed and compared. DQ convert based on the theory of instantaneous reactive power is also analyzed.Finally, PID control algorithm is the main algorithm to control DVR, and thus it is simply analyzed. Through MATLAB simulation comparison, the advantage and disadvantage of same phase compensation and minimum energy compensation strategy is analyzed and compared. Also the advantage of hysteresis control is compared and obtained by simulation. In summary, the simulation result demonstrated the correctness of the used detection method and control strategy. It has good compensation property and can solve many problems of power quality in the electric circuit.Key words: Power quality, Dynamic voltage restorer, Voltage sag, MATLAB simulation中原工学院毕业设计（论文）中文摘要Abstract目 录 .11 引 言 .21.1 课题背景 .21.2 研究现状 .31.3 MATLAB/SIMULINK 简介 .32 动态电压恢复器的工作原理与结构 .52.1 动态电压恢复器的基本结构与原理 .52.2DVR 的工作模式 .62.3 电压补偿策略的对比 .72.3.1 完全补偿 .72.3.2 同相位补偿 .82.3.3 最小容量补偿 .83 DVR 主电路参数设计 .103.1 主电路模块的选取 .103.1.1 直流储能模块 .103.1.2 逆变器模块 .113.1.3 LC 滤波器 .113.1.4 串联变压器 .123.2 主电路参数设计 .133.2.1 DVR 容量计算 .133.2.2 串联变压器计算 .143.2.3 直流储能模块参数 .143.2.4 串联滤波电路参数 .153.2.5 主电路具体参数设定 .164 DVR 整体控制与检测方法 .184.1 PID 算法控制 .184.2 滑模控制 .194.3 DVR 信号检测算法 .205 MATLAB 仿真与分析 .225.1 同相位仿真与分析 .235.2 最小容量仿真 .265.3 仿真对比与分析 .286 软件编程中 SPWM 波形的生成算法 .297 结论 .34参考文献 .35致谢 .36附录 .37中原工学院毕业设计（论文）21 引 言1.1 课题背景随着现代化工业生产的进行，在工业生产和日常生活中，人们对电能质量的要求越来越高。但是在实际中，电网通常会因各种原因导致电能的质量下降，通常产生的问题主要有三类：第一类是电压偏移，这其中重要有电压的暂落、突升、闪变；第二类是供电的连续性，这其中包括瞬时断电、暂时断电、持续断电；第三类是波形和相位上，像谐波电压，以及三相电压不对称等。导致产生电能质量问题的原因有很多，主要是非线性和冲击性负载在电网中运行，以及一些人为原因。这些电能质量上的问题很严重的影响电力系统的稳定运行和敏感性负载的安全，可以说对于现代化工业生产是十分有危害的。根据各国的学者以及电力部门的统计和分析，电压跌落以及电网瞬时供电的中断被认为是影响许多用电设备和电力系统安全稳定运行的最严重的电能质量问题。电压的波动会使电动机不能匀速的运转，这不仅会危害电动机的安全运行，还会影响一些产品的生产质量，还会引起照明的闪变，使得人眼疲劳从而降低工效。当电压的跌落到 0.7p.u，持续时间短过 6 个基波周期将会导致调速电动机（VSD ）被切断；电压跌落至 0.6p.u，持续时间超过 16 个基波周期时，就会影响计算机设备的正常运行；在现代工业化生产中，由于任一设备的作业中断都将会导致整个流水线或者整个生产线甚至整个工厂作业的中断，这将会造成很生产损失，严重危害国民经济的发展。这就是说明工业生产用户对供电质量的要求比其中单个敏感型负载用户的要求还要高，电压跌落对信息业的影响也十分大，据估计 80%的服务器出现瘫痪以及用户端 45%左右的数据丢失和出错也与此有很大的关系。对于电压的跌落、突升以及瞬时中断等动态电能质量问题，其特点是突发性强和不可预期性，因此我们通常产用重点用户单独保护的策略。目前大多数用户使用不间断电源（LPS ）来解决此问题，但由于其容量较小，因而其成本较高，尤其是在大功率的应用场合，有很大的限制。据统计 80%以上造成破坏的电压故障为电压的跌落，并且 75%以上的电压跌落在 30%以下。所以有必要根据这一特点设计开发新型的设备来达到补偿效果和成本都满足的情况。动态电压恢复器（Dynamic voltage Restorer ）就是针对这一特点进行研制的。动态电压恢复器（DVR）是串联在电源和敏感型负载之间，是一种采用电力电子技术的电压补偿装置，其主要是来补偿电网中电压的跌落，但其也可以对谐中原工学院毕业设计（论文）3波、闪变、不对称等多种电压问题进行补偿。当电压跌落时，DVR 可以在极端的时间内（几个毫秒）将跌落的电压补偿到正常值。由于 DVR 只是在电压跌落时进行工作，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有电源或者电网本身提供，所以其容量的大小设计只是负载容量的 30%-50%之间，这就使成本并不是很高，因此它是抑制电压跌落的最有效的补偿装置。由于它是一种比较好的用户端电压电能质量保护装置，因而 DVR 在近几年成为了国内外的一个研究的热点。供电电压质量问题日益严重，同时一些用户端的敏感型负载对电网电压的质量要求也越来越高，这使得电压质量调节技术及其设备的研究显得越来越重要。动态电压恢复器是一种新型的电网电压调节装置，它在现代化工业生产中时十分重要的。在这个离不开电的时代里，尤其是对电能质量要求越来越高的敏感型工业设备越来越多，设计一个有效的动态电压恢复器是十分有意义的。这可以提高电能的质量，避免许多由于电能质量问题所引起的负载损伤，减少生产损失，从而使国民经济更加稳定快速的发展。1.2 研究现状在目前的 DVR 的理论研究上主要是集中在主电路结构和控制方法上。在主电路结构上，主要研究不同的三相系统逆变器的结构对故障电压补偿的效果上的区别。在控制方法上，主要是如何快速准确的捕捉到畸变电压，并对其进行很好的补偿，这其中最主要的是对不平衡的畸变电压进行的补偿，以及在储能一定的情况下，尽量的延长补偿电压跌落的时间，即能量优化的补偿。在近几年里，关于动态电压恢复器 DVR 各种研究以及控制方法的设计在国内外十分的多，因而也有一些公司开发出来了一些产品，例如美国的 GE、瑞士的 ABB、德国的西门子还有我们国内的一些公司也研发并生产出了 DVR 产品。在几年前清华大学电机系柔性交流输电配电系统研究所也独立研发并制造出了一台 10KVA/380V 的三相 DVR 样机。在各个大学研究所关于动态电压恢复器 DVR 的研究十分的多，这也说明DVR 在当今社会对电网电能质量问题治理的重要性。1.3 MATLAB/SIMULINK 简介在现在工程设计与研究中，计算机仿真是其中一种十分常用的分析研究方法。在电力电子技术的研究与设计中，计算机辅助的分析已经成为了一种十分经济、中原工学院毕业设计（论文）4有效的设计方法。计算机仿真可以建立一个模拟的实验环境对构造出来的电路、控制方法与策略进行分析测试，这样子可以降低设计成本。目前，MATLAB 及其 SIMULINK 仿真在控制系统设计中的应用是十分的广泛的。SIMULINK 是一种对动态的系统进行建模仿真的可视化平台，在MATLAB 的 DEOM 模块中有非常多的仿真模块，我们通过构建这些模块可以对我们设计的整体系统进行分析，看看其是否达到我们的设计参数，也可以通过仿真来提高我们的系统控制精度，使其更加的达到设计要求。在 SIMULINK 环境中，我们可以利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像用手和纸来画一样容易。这与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有模块化、可封装、结构图编程以及高度可视化等特性，使仿真建模大大简化 。 使用 MATLAB 软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势：（1）电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元件的数学模型，并且提供了通过自己编程的方式来创建适合的元件模型的手段。（2）MATLAB 采用 SCOPE 模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到 MATLAB 的工作空间里事后处理。（3）友好的界面。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及 MATLAB 的应用工具箱。由于 MATLAB 和 SIMULINK 是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。中原工学院毕业设计（论文）52 动态电压恢复器的工作原理与结构2.1 动态电压恢复器的基本结构与原理关于 DVR 是怎样工作的，其工作原理这是我们最应该了解的。如图 2.1，是用 CAD 绘制的动态电压恢复器 DVR 的电路结构的框图:图 2.1 DVR 电路结构框图从图上我们可以知道，当电网中的电压降低时，连接在敏感型负载前端的检测模块其可以检测到电网中的电压，检测模块一般是交流电压互感器。检测到的电压信号通过调理电路进入 DSP 中，调理电路其中主要是滤波电路和偏置电路组成，其目的是将信号进行滤波进行偏置，是信号变为幅值在 0 到 3V 间的模拟信号。信号通过 DSP 的 IO 进入 DSP 内部，DSP 通过将检测到的信号与标准的电压进行比较，若其电压与标准电压有偏差时，也就是电压有跌落时，DSP 的 EV 模块将会