武汉大学电气工程学院陈磊老师MATLAB仿真实验.docx

武汉大学电气工程学院综合自动化matlab仿真实验姓名:*学号:20*302540*班级:电气*级*班一、动态电压恢复器（dvr）的数字仿真实验动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，dvr）是一种基于电力电子技术的串联补偿装置，通常安装在电源与敏感负荷之间，其作用在于：保证电网供电质量，补偿供电电网产生的电压跌落、闪变等，其可在电源和敏感负载之间接入幅值和相位受控的电压，以抑制电源电压扰动对敏感负荷的影响。具体参见教材电力电子学、有源电力滤波器、自动装置原理等。1. 实验预习清楚动态电压恢复器（dvr）的结构和原理；明确动态电压恢复器的具体控制方式。2. 实验目的了解数字仿真软件中dvr的构成及实现；针对系统电源的电压扰动进行动态补偿仿真；解析dvr控制参数的变化对其补偿性能的影响。3. 实验步骤（1） 将仿真示例copy到电脑。进入matlab界面，导入并打开模型dvr.slx;a. 梳理dvr.slx模型中的主要元件设备组成，该模型主要包括电源模型（grid）、dvr模型（涵盖有电力电子元件、控制环节及直流电源）、非线性敏感负荷（non linear load）；b. 熟悉电源模型（grid）的电气设计参数，主要包括电压、频率，不同时间段的幅度变化特点，其分别对应于电压扰动中的凹陷和突增；c. 熟悉dvr模型中饱和变压器、电力电子元件的型式和设计参数，dvr control环节中电压跟踪信号的形成方式，滞环比较器的具体运行特点。d. 熟悉非线性敏感负荷的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；e. 设置模型配置参数，运行时间为2.5s。图 1 （2）点击运行dvr.slx算例。4. 实验记录dvr.slx的运行结果，包括：a. 当电源（grid）电压的参数变化如下图2所示时，记录动态电压恢复器的补偿效果，包括：电源三相电压、动态电压恢复器的注入电压、敏感负荷上的三相电压，该数据可从图3中读取，并据此计算分析各电压的total harmonic distortion，thd。图 2图3 (1) 电源三相电压用powergui里的fft analysis求thd：(2) 敏感负荷上的三相电压用powergui里的fft analysis求thd：(3) 动态电压恢复器的注入电压用powergui里的fft analysis求thd：由上面fft analysis的结果可知：thd（grid voltage）=0.00%；thd（load voltage）=0.77%；thd（injected voltage）=1.56%。b. 改变电源（grid）电压的参数，重点考虑对上升时间、下跌时间、凹陷幅度、上升抖动、电压相位进行调整，再次记录记录动态电压恢复器的补偿效果，包括：电源三相电压、动态电压恢复器的注入电压、敏感负荷上的三相电压，计算分析各电压的thd。图4修改电源的（grid）电压的参数，如下图所示(4) 电源三相电压用powergui里的fft analysis求thd：(5) 敏感负荷上的三相电压用powergui里的fft analysis求thd：(6) 动态电压恢复器的注入电压用powergui里的fft analysis求thd：由上面fft analysis的结果可知：thd（grid voltage）=0.00%；thd（load voltage）=3,。15%；thd（injected voltage）=48.98%。c. 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度（如图4，调整范围：300v1000v），至少选择五组电压数据（例如：300v、400v、500v、700v、900v），记录不同直流电压的情况下，dvr交流侧注入电压的运行特性，计算分析注入电压的thd。1、 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度为300vdvr交流侧注入电压的波形如下： 用powergui里的fft analysis求thd： 2、 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度为400vdvr交流侧注入电压的波形如下： 用powergui里的fft analysis求thd：3、 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度为500vdvr交流侧注入电压的波形如下：用powergui里的fft analysis求thd：4、 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度为700vdvr交流侧注入电压的波形如下：用powergui里的fft analysis求thd：5、 改变动态电压恢复器中dc电压的幅度为900vdvr交流侧注入电压的波形如下：用powergui里的fft analysis求thd：由上可知: dc电压的幅度为300v时，thd=1.09%;dc电压的幅度为400v时，thd=1.20%;dc电压的幅度为500v时，thd=1.38%;dc电压的幅度为700v时，thd=1.56%;dc电压的幅度为900v时，thd=1.79%;d. 改变dc control中滞环比较器的运行参数（滞环比较器见如图5所示，参数更改主要针对前两项），至少选择三组参数（例如：1、-1；1.5、-1.5；0.8、-0.8），记录不同控制参数的情况下，dvr交流侧注入电压的运行特性，计算分析注入电压的thd。图5图61、 改变dc control中滞环比较器的运行参数为1、-1时：thd（injected voltage）=1.56%2、 改变dc control中滞环比较器的运行参数为1.5、-1.5时：thd（injected voltage）=1.95%3、 改变dc control中滞环比较器的运行参数为0.8、-0.8时：thd（injected voltage）=1.42%注意，将图粘贴在所交实验报告上（以plot作图的形式，而不是截屏），要求图形在各个时间点的变化清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段细节图，而不是整个运行期间的。5. 实验分析a. dvr的动作响应时间？答：由图可知，dvr的动作响应时间为0.002s。b. dvr安装后是否对thd产生影响？答：dvr安装后可以对thd产生影响，将会使thd减小。c. dvr中直流电源电压的作用，其参数设计的特点是？答：dvr中直流电源电压的作用是为电力电子器件提供输入电压，从而通过逆变电路，为电网提供补偿电压，从而得到使电网电压达到稳定。由c中实验结果可知，其参数设计的特点是随着dvr中直流电源电压的增加，dvr交流侧注入电压的thd逐渐增大。d. 滞环比较器在dvr控制中的具体作用，其参数设计的差异对控制性能会造成哪些影响？答：滞环比较器在dvr控制中的作用是稳定电网电压在期望值附近，具体过程为将标准电压与负载电压进行比较，从而得到电力电子器件的控制信号，从而达到调压的目的，其参数设计的差异会改变thd。e. 动态补偿在t=0.7s时为何会出现电压抖动？答：电网电压的变化是一个暂态过程，不能突变，需要一定的过渡过程。6. 进一步思考（1） 观察dvr的电压补偿效果，如何进一步抑制补偿中存在的谐波成分？答：由实验结果分析可知：dvr中dc的幅值越小，产生的thd越小，补偿效果越好；dvr中滞环比较器的参数取值应适中，过大过小均会使thd增大。故可设置dvr中dc的幅值为300v，dvr中滞环比较器的参数取值为1、-1.（2） 当前模型算例中的电压波动主要定位于对称性变化，且属于一种计划内的电压扰动。若发生计划外的电压扰动，如出现非对称性短路故障，电网系统中会出现非周期分量，dvr的电压补偿效果是否会受到影响，怎样应对？ 答：由于线电压是两相电压之差，当相电压中出现非周期分量，即直流分量时，可通过取线电压的方式来抵消非周期分量的影响。二、备用电源自动投入的数字仿真实验备用电源自动投入装置（以下简称备自投）在主电源正常运行时作为后备，在主电源故障时投入以保证负荷供电的稳定性。备自投是电力部门为保证用户连续可靠供电的重要手段。具体概念及原理参见教材电力系统保护、电力系统继电保护原理等。1.实验预习清楚备自投的概念和原理；明确备自投对于保障负荷稳定供电的作用及意义。2.实验目的了解数字仿真软件中低压备自投的构成及实现方式；模拟仿真备自投在系统主电源故障下的运行特性。3.实验步骤（1） 将仿真示例copy到电脑。进入matlab界面，导入并打开模型power_project.slx;a.梳理power_project.slx模型中的主要元件设备组成，该模型包括多级电压网络，涵盖输电压级和中低压配电网络；备自投装置封装为“emergency system”，其通过“by-pass system”模块接入至低压配电系统；b.熟悉不同电压等级的电源模型参数及断路器配置情况；c.熟悉备自投装置“emergency system”模型中二极管整流桥、直流电容及igbt半桥逆变器的组成形式和工作原理，掌握离散pwm发生器的信号触发特点。d.熟悉“by-pass system”模块的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；e.设置模型配置参数，运行时间为0.2s。图 1 （2）点击运行power_project.slx算例。7. 实验记录power_project.slx的运行结果，包括：a.点击模型中的“fault”模块，展开如图2所示，设置故障发生的时刻（如图3），记录“generation unit 10mva , 15kv”、“15kv-6.6kv system”、“6.6kv-400v system”、“emergency system”、“by-pass system”中的三相电压数据及断路器动作特性。图 2图3 1、“generation unit 10mva , 15kv”：断路器动作特性：2、“15kv-6.6kv system”：断路器动作特性：3、“6.6kv-400v system”：断路器动作特性：4、“emergency system”：4、 “by-pass system” ：b.改变故障发生的时刻（请做两组），重新记录“generation unit 10mva , 15kv”、“15kv-6.6kv system”、“6.6kv-400v system”、“emergency system”、“by-pass system”中的三相电压数据及断路器动作特性。1、“generation unit 10mva , 15kv”：断路器动作特性：2、“15kv-6.6kv system”：断路器动作特性：3、“6.6kv-400v system”：断路器动作特性：4、“emergency system”：5、“by-pass system” ：6、“generation unit 10mva , 15kv”：断路器动作特性：7、“15kv-6.6kv system”：断路器动作特性：8、“6.6kv-400v system”：断路器动作特性：9、“emergency system”：10、“by-pass system” ：5、 以某组故障时刻为例，记录备自投“emergency system”中dc电容电压的充放电特性及脉冲发生器的输出波形（见图4）；记录备自投“emergency system”中二极管整流桥及igbt半桥逆变器的输入输出电流特性。6、 以某组故障时刻为例，调整备自投“emergency system”中dc电容的原有设计参数（三组为例，建议成倍数比例提高或降低现有的电容设计参数），仿真记录不同电容值下的dc充放电特性；同时记录“emergency system”的三相电压输出波形。7、 以某组故障时刻为例，调整备自投“emergency system”中脉冲发生器的通断频率carrier frequency（三组为例，建议成倍数比例提高或降低现有的carrier frequency），仿真记录不同通断频率下“emergency system”的三相电压输出波形，结合对比“by-pass system”中的三相电压输出波形(见图5)。图4图5注意，将图粘贴在所交实验报告上（以plot作图的形式，而不是截屏），要求图形在各个时间点的变化清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段细节图，而不是整个运行期间的。8. 实验分析f. 备自投的动作响应时间？答：备自投的动作响应时间为0.001s。g. “emergency system”仿真模型中controlled voltage source的作用？答：“emergency system”仿真模型中controlled voltage source是控制电源，其输出电压即为400v侧电压，作为备用系统中整流桥的输入电压。h. “emergency system” 仿真模型中dc电容的功效，其参数设计与充放电特性之间的关系？ 答：由我们所学知识可知，时间常数，电容越小，时间常数越小，充放电越快。i. “emergency system” 仿真模型中filter模块所起的作用？ 答：“emergency system” 仿真模型中filter模块所起的作用主要是滤波作用，即将逆变器输出的含谐波较多的多电平波变成更接近正弦波的电压波形，从而提高系统的整体性能。j. 备自投中采用二极管不控整流和igbt半桥逆变的组成形式，pwm控制模块的通断频率对备自投的运行性能有何影响？ 答：pwm控制模块的通断频率越高，所产生的spwm波的谐波含有率越少，而且响应时间会相应缩小，备自投的补偿效果越好。9.