毕业设计（论文）-动态电压恢复器(DVR)的仿真与主电路设计论文.doc

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：2学生姓名：指导老师： 2013 年 5 月 论文编号：200900474321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：2学生姓名：指导教师： 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22 5.1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371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、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。2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模块将会产生SPWM来驱动逆变电路工作，但强弱电之间要有隔离，因而就有一个光隔模块。当SPWM进入逆变模块后，就会产生所需补偿的电压，通过串联变压器进入电网中，这时电网电压就会恢复到正常水平左右。滤波电路后端的检测调理电路其主要是对逆变器产生的信号回馈到DSP与标准要补偿的电压进行误差分析，这也是控制上闭环控制。主电路的过零检测电路主要是对补偿电压的相位进行控制，使其相位与电网的相位一致，使其达到并网的标准。2.2DVR的工作模式在实际运行中，DVR通常有三种模式，分别称为旁路模式、自检模式和运行模式；如图2.2所示。在旁路模式中，J1合上，J2J3断开，线路电流通过J1流入负载。在这种工作模式DVR主回路不工作。自检模式中，J3断开，J1J2均合上，线路电流仍然通过J1流入负载，主电路工作在空载状态。运行模式中，J1断开，J2J3合上，线路电流通过J2、串联变压器、J3流入负载，此时，负载侧电压经过DVR得到补偿。 (a）旁路模式 (b)自检模式(c)运行模式图2.2 DVR的工作模式我们合理的安排这三种工作模式，可以保证DVR安全、可靠的运行。当DVR串入电路中时，首先，应当进入旁路工作模式；然后，通过控制使其进入自检模式，检测串联变压器靠近负载侧的电压正常，再发出运行信号，使DVR投入运行，否则就对DVR进行检查，以保证DVR是在正常的情况下投入运行的。在DVR运行过程中，如果需要检修、负载侧出现短路或者DVR本身出现故障，则应当回到旁路工作状态，以保证DVR主回路不工作，负载也不会断电，从而保证串入DVR后并不降低供电可靠性。2.3电压补偿策略的对比对于理想的DVR，当电源测电压发生骤降时，以骤降前的电网侧电压为基准电压，输出电压为补偿电压，使电网侧的电压与骤降前保持一致。DVR在输出补偿电压的同时与系统也有一定的有功交换，这就要求DVR要有一定的能量储备。储能单元是DVR装置的重要组成部分，它也是比较昂贵和需要维护的。为了降低DVR与系统的有功交换，减少储能设备的容量，而又能有效的对电压进行补偿，我们就需要对补偿策略进行改进。一般情况下又一下几种补偿测量。2.3.1完全补偿完全补偿即骤降前电压补偿，是指补偿后的电压可完全恢复至电压变化前的值，其中期望的瞬时电压采用对骤降发生前电压的外推得到，可采用锁相环来实现。补偿电压为期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之差。其相量原理图如图2.3.1所示。这种补偿方式对于负载而言是最优的，但当骤降幅值过大或相角偏移过大时很难实现，并且通常负荷都有一定的抗幅值和相位扰动的能力，没有必要进行完全电压补偿。此外，由于故障后的电网电压可能依然不会恢复到故障前的状态，此时完全补偿在理论上无法实现，同时其经济性也较差，实际中很少采用。图2.3.1 完全补偿分析2.3.2同相位补偿同相位电压补偿的补偿电压与瞬时电压同相位，只能进行幅值的补偿，不能补偿相角变化，其补偿相量图如图2.3.2 所示。但当电压出现切痕、突波等陡变时，由于补偿电压只能在此基础上产生，这种补偿方式效果不好，甚至可能出现恶化的趋势。这种补偿方式的缺点还在于无法控制DVR 输出的有功，对于那些对相位波动敏感的负荷显然无法适用。其优点在于实现简单，补偿速度快，DVR串联侧容量较小，可补偿的电压范围最大，因此在对相位波动不敏感的场合应用广泛。图2.3.2同相位补偿分析2.3.3最小容量补偿从DVR储能的观点来看，通过引入无功功率来实现补偿，采用与网侧电压有一个合适的相位超前的电压注入可以减少有功交换。它通过使补偿器提供的有功功率最小化来实现电网提供的有功功率最大化，使电网的功率因数增加，补偿器的功率因数减少，因而这类方式也称为相位超前法。对于具有固定储能容量的DVR，注入能量的减少意味着补偿时间和范围的增加。然而具有超前相位的电压注入需要更大的注入电压，由此带来的电压相移也可能导致电压波形不连续，不准确的过零点，以及负荷功率摆动。由于最小能量注入法能充分有效地利用设备储能，经济效益显著，实现灵活，因而应用广泛。下面我们就对超前补偿策略进行一下简单的分析。如图2.3.3所示：图2.3.3最小能量补偿在只考虑电压幅值的恢复时，负荷侧电压的轨迹将位于以为半径的圆周的任意位置。假定负载侧恒定功率因数，与分别为源端电压与注入电压，后者比前者的相位要超前。与同相位注入方式相比，超前补偿可以减少注入的有功功率，按时对应的无功功率也在增加，这有助于太高电压，反过来迫使有功功率从电网侧流向负载侧。从图中我们可以看出，由于输入电压与输出电压之间有一定的相位差，注入电压的幅值就会大于同相位的注入值。为了减少补偿过程中负载侧电压的相位跳变，引入了一个过渡过程来避免直接运行点跳变，将补偿电压逐渐过渡到最小能量注入方式。这一调节过程通常在半个周期内实现，它相对通常的电压波动恢复时间短，相位的超前将在故障切除之前就能实现，并且电压恢复至稳态。试验结果说明该方法能有效避免相位的跳变，电压的过渡过程更加平稳。不过，该方法并未考虑电压补偿极限，且仅限于单相电压补偿，当电压波动伴随的相角跳变很大时，其效果有所下降。3 DVR主电路参数设计3.1主电路模块的选取从主电路模型图中我们可以知道，主电路组要有直流储能模块，逆变器模块，LC滤波模块，串联变压器几个模块组成，下面我们对各个模块进行一下简单介绍：3.1.1直流储能模块系统发生故障时，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。在通常的情况下，我们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当系统未发生电压跌落时，系统通过逆变器给电容器充电，电容器被充电到一定的数值；当系统发生电压跌落时，逆变器向系统输出功率，在电容电压跌落到一定数值前，可以基本维持用户电压不变。因此，储能电容器的容量决定了DVR在故障期间可以提供的能量。这种方案的优点是使DVR的结构简单、造价低、容易实现，缺点是只能提供有限的能量，限制了DVR的补偿能力。随着超级电容的出现，这种储能方式的应用前景将更为广泛。（2）采用不控整流方式当直流侧采用不控整流时，DVR可连续获得能量，可以补偿因故障造成的稳态电压扰动。当直流侧的能量从系统整流获得时，在系统侧即使发生单相故障，其它两相仍可提供电能维持DVR正常运行。这种方案的优点是增加了一个不控整流桥，降低了电容器的容量，成本上没有增加多少，而且可以提供持续的能量,缺点是直流侧会产生100Hz的低频纹波，能量只能从系统向逆变器单方向流动。（3）采用PWM整流的方式和不控整流桥相比较，PWM整流采用的是全控型电力电子器件，控制方式采用脉宽调制技术(PWM)。这种方案的优点是由于采用全控型器件，可以保证电容电压的恒定，同时能量可以双向流动，从而解决了电压浪涌的问题,缺点是增加了成本，而且电路控制比较复杂。（4）超导储能(SMES)超导储能是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种快速、高效的储能装置。这种方案的优点是具有储存能量大、转换效率高、响应迅速、对环境无污染、控制方便、使用灵活等优点，在电力系统中有着广泛的应用前景。但由于超导材料的研究进展、超导部件制造水平的限制和SMES运行性能的制约，超导技术目前还无法在电力系统中广泛应用。在直流储能单元的选取上，需要考虑能量的连续性，装置的经济性，以及控制的简便性，因此。综合起来，选用控制简单、成本低的不控整流作为直流能源。同时，逆变器环节若采用一定的控制策略，可以极大的消除不控整流带来的影响。3.1.2 逆变器模块逆变电路是我们DVR主电路的核心单元，它是一个基于全控器件的电压源型逆变器，通过逆变器对直流电压的逆变产生用于补偿系统故障电压的串联交流电压。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。其电路结构分别如图3.1.2所示： （a）三相全桥结构 (b) 三单相桥结构图3.1.2逆变电路图从上图中我们可以看出，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。这样的话十分利于我们对补偿电压的控制。由于我国大部分中低压电网都采用三相四线制结构，三相电压不平衡的情况很常见，所以我们将选用三单相桥结构。采用三单相桥的结构能方便的补偿电压不平衡。在研究三相DVR的工作原理时可简化为讨论单相的DVR,而且控制比较简单。缺点是与三相全桥逆变器相比其器件成本相对较高。但从系统的整体稳定和准确性上来说，此结构还是比较好的。3.1.3 LC滤波器DVR的装置在工作时，其所需的补偿电压有逆变器产生，因而其含有大量的高次谐波。而我们的负载所需的电压需要纯净的正弦基波电压，为了避免或者说减小DVR对电网造成的二次污染，因而对于DVR的输出端我们必须给他加一个滤波器来滤除高次谐波。DVR并网时，滤波器与逆变器的功率开关、电网以及负载要相互耦合，因而滤波器的安装位置和它自身的结构都会对DVR的补偿效果有一定影响。对于滤波器的结构，一般在逆变电源技术上，我们常常产用LC滤波器来滤除高次谐波，设计时我们要让LC滤波器的固有谐振频率要远大于逆变器的输出电压的基波频率，同时要远小于要滤除的最低次重要谐波的频率。我们都知道，在逆变电路中，奇数次谐波比较多，像三次、五次、七次，因而我们在考虑设计时，我们主要要滤除这些谐波，由于我们设计的是工频DVR，基波频率为50Hz，所以三次，五次，七次谐波的频率分别是：150Hz，250Hz，350Hz，因而我们设置截止频率时，最少要设定为400Hz，这样的话，滤波的效果会比较好一些。图3.1.3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3.1.3滤波器放置位置示意图3.1.4 串联变压器在DVR中还有一个很重要的模块，那就是串联变压器，这个变压器和我们通常见到的不是很一样，一般情况下变压器通常是并在电网中的，而这个变压器的一侧是与电网串联在一起的。其实在电压等级和容量的不同， DVR和电网耦合的方式有两种， 一种是通过串联变压器和电网耦合，另一种是通过电容器和电网耦合。 通过变压器耦合，变压器的隔离作用可以降低 DVR 装置特别是其逆变器直流侧电压等级，同时也可以降低对各元件的耐压要求，从而可以提高装置的可靠性和选择电力电子器件的灵活性，还能减少绝缘成本。但变压器的非线性特点会导致电流畸变，从而污染电网中电流，这会使得电网电压的采样受到干扰，导致补偿量的计算精度降低，另外变压器的短路阻抗也会降低开环控制的精度，而且变压器本身也会增加装置的成本。 由于串联变压器利弊并存， 所以在电压等级较低的应用场合中可以省去串联变压器，而使用电容器将DVR补偿电压直接耦合到系统中去。但是在这种耦合方式下需要额外考虑逆变器的直流侧与电网隔离的问题。在有串联变压器时，若用做升压变压器，可以降低逆变器直流侧电压等级，减少储能系统的电压等级，降低开关器件的耐压等级，节省了成本。若用做降压变压器，可以减小直流测流过开关器件的电流，同时也就可以减小电流畸变带来的影响。具体选择要根据具体的负载敏感度、电压等级、开关器件特性等条件综合比较后决定。从这里我们可以看出串联变压器的好处还是很多的，因而它也是DVR中很关键的一个部分，其结构和工作原理我们在此不多研究，因为我们可以到市场去买我们所需的串联变压器。 3.2 主电路参数设计在上面的一小节，我们对于DVR的主电路各个模块简单进行了分析介绍，也对每一个模块的设计选取进行了比对分析，那么其具体参数如何设定，我们就在下面进行一下计算分析。 3.2.1 DVR容量计算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,需要补偿的电压有效值为，负载的电压为，负荷的功率为。为电压变化率，则装置的容量S为: （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。 我们的设计任务书中，要求设计容量为500VA，我们在做实验分析时，由于在实验室环境中，其主电路负载容量比较小，选用的是1500VA的，设计跌落参数为30%，所以500VA是足够的。3.2.2串联变压器计算在前面我们已将知道串联变压器的作用，因而对于其设置，我们在这里只对其变比进行选择。在仿真中，我们设置的电压跌落为30%，这是注入电压有效值大小为66V，其峰值约为93V。由于实际中，我们的变压器一次侧与二次侧都会有一定的压降，因为对于逆变器的输出电压，我们通常会使其略高于正常注入电压。在电路中，串联变压器的二次侧直接与电网相连，因而其二次侧电流与电网中的相电流相同，而通常情况下，电网侧的电流一般会比较大。就拿我们的实验室的负载，其容量我们设置的1500VA，其电网电路的相电流约为3A,而我们的IGBT，以及LC滤波对于电流是比较敏感的，当通过IGBT的电流比较大的时候，可能会使其发热，影响其使用寿命，对于LC来说，电流过大我们所选取的电感值也会要增加，这样的话会增加的我们的设计成本，因而对于串联变压器来说，我们对于的变比设计为n，通常情况下，n必须大于等于1。通过分析我们所设计的组电路，以及补偿容量，在此处我们设计变压器的变比为2:1，即一次侧电压为二次侧的2倍，其电流为二次侧也就是电网侧的一半。3.2.3直流储能模块参数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大于要产生的补偿电压的峰值，即 （2）变压器的副边电压等于原边电压的N倍，即 （3） 于是有:对于整流侧，我们还要确定下一个电容，即整流稳压电容，此电容对于整流电压的稳定输出时十分重要的。考虑DVR在正常工作时直流侧电容始终工作在充放电状态，假设在某一个PWM周期内电容始终处于充电或放电状态，直流侧电容电压的最大允许偏差设为,则有: （4）由上式，式中，C为直流侧电容值，为PWM脉冲频率，为通过电容C的最大电流值。此法适用于三角波比较控制，因为三角波控制是PWM的脉冲频率为三角波频率。滞环控制时可采用下种方法计算：设电容的充放电过程变化的最大电荷量为Q,实验中要求电压的波动,则电容值C可以有下式决定：Q值由，I为非线性负载的基波分量峰值，实验中大约为140A,计算得到的Q=0.01792 ,代入得C0.01792/5=35843.2.4串联滤波电路参数滤波器的滤波效果直接和其参数L、C 值有关，目前逆变电源技术中对LC 滤波器的参数计算方法有很多中，在产品设计中更多的时候是采取更换调试的方式来确定参数。在这里我通过查找资料，以及巫老师的讲解，得到了一下方法：已知的基本参数如有额定输出电压有效值 、输出电压频率 、开关频率、负载功率因数、负载额定功率P、滤波器输入PWM波幅值的变化范围。而用于确定L、C 参数所依据的指标有输出电压谐波含量指标、滤波器的基波电压增益指标、滤波器空载输入基波电流指标和负载适应性指标，具体的计算步骤也分三步：第一步是由输出电压的谐波含量指标确定L、C的取值范围。为了使输出电压各次谐波的谐波含量满足要求，只要在空载输入电压最高的情况下使谐波的含量满足要求即可，由谐波含量上限根据谐波的计算式，可以在在C-L平面上确定一条曲线即为临界谐波含量曲线。第二步是由滤波器的基波电压增益指标确定L、C的取值范围，为了使基波电压增益指标符合要求，应当使最大功率、最低感性功率因数负载条件下的基波电压增益不小于滤波器的基波电压增益，由此又可推算出L和C的一个取值范围，在C-L平面上组成的曲线即为临界电压增益曲线。第三步是由滤波器的空载输入基波电流指标确定。临界滤波电容值 是同是满足谐波含量指标及电压增益指标条件下滤波电容的最小值，当滤波电容为临界值 时，计算出滤波器的空载输入基波电流的有效值 ， 应在满足空载输入基波电流指标条件的前提下尽可能的大一些，但一般不应超过逆变电源额定输出电流的30%。然后计算满足空载输入基波电流指标的C的最大值，满足条件的LC范围为 ,直线为临界基波电流曲线。最后根据逆变器对负载适应性指标确定最优的L、C值，即是在满足谐波含量指标、基波电压增益指标及空载输入基波电流指标的前提下，使逆变后电压电流对线性负载的适应能够性最好。同时满足上述条件的LC区域如图2-5中的阴影所示。在LC之积恒定时，L越小，变流器的输出阻抗越小，对非线性负载的适应性越好；L 越小，越不容易出现过调制，逆变电源对非线性负载的适应性越好。所以图3.2.4中M点对应的LC值时最最优值。图3.2.4 LC参数选定图 3.2.5主电路具体参数设定通过以上的分析和简单的计算，我们大致知道了主电路的参数具体算法与确定，下面我对具体参数进行设置：基准相电压有效值：基波频率：负载容量： 电压跌落和上升最大的变化范围：030%逆变器使用IGBT，开关频率选取为对于一般的IGBT，主要有：ZMB175N-120 其电压为1200V，电流为75A IPM其电压为600V，电流为30A此处可以选择IPM，也就是三菱公司的这个IGBT负载相电流2.27A变压器变比为2:1补偿电压有效值的最大值为22030%1.41=93V，由于串联变压器变比为2:1，因而逆变器产生的基波电压有效值：由公式：，其中M为调制度，一般0.8为最优值且一般不超过0.9，为逆变侧电压，那么对于逆变器前端的直流整流电压我们可以确定： 即由于整流侧的输入电压我们从电网上直接取的，电网线电压为380V，那么根据不可控整流公式，我们可以得到的电压约为500v，那么我们可以取定Ud为450V，这里我们还应该考虑一下串联变压器的压降，所以整流输出电压要略微高一点。 由于逆变器侧产生的谐波会对整流侧电压有所影响，虽说影响不太，但考虑到补偿精度，以及电压稳定状况，我们可以选取4700 的电解电容。串联侧滤波器滤除13次以上的谐波，即，为留有一定的裕度，并防止对某次谐波的共振，取，根据上面的选定方法可得 4 DVR整体控制与检测方法在目前的DVR设计开发中，其控制方法一直是一个很大的问题，因为我们想让DVR在实际的运行中，能有比较快速的响应速度，还要有很好的稳定性准确性，也就是我们在控制上常常说到的快、准、稳三要素，但是实际中由于存在着很多的扰动因素，因而整个系统的稳定和准确是比较难的实现的。无论是PID控制，还是近几年来比较新型的滑模控制，说到底，它对整个系统控制的稳定性和准确性都是存在着不足的。在控制中，无论是哪种控制方法，它都是采用前馈控制与反馈控制的。我们在此之前已经对DVR的工作原理做过简单的说明，其中我们知道，敏感型负载的前端使我们的检测电路，我们可以实时检测电网中的电压，其中我们可以以负载的额定电压作为一个基准电压，然后我们把检测到的电网中的电压和其进行比较，从而得到一个误差，此误差就是我们的DVR要进行补偿的电压，我们可以软件的手法对DSP进行控制，使其产生一系列的PWM波来驱动动逆变电路来进行工作，从而产生所需补偿的电压。但是逆变器产生的补偿电压不可能和真正所需的补偿电压一致，那么这是我们可以增加一个反馈控制环，将逆变器产生的补偿电压信号反馈给DSP，让其在进行计算，看看此电压与真正的电压到底差多少，从而使整个系统产生的补偿电压信号更加的准确，而DSP的计算速度在目前的芯片中是比较快的，因而使用它作为控制器，可以保证系统控制的快速性。4.1 PID算法控制在本系统中选用数字PID控制算法，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要采用离散化方法。 (1) (2) PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。4.2滑模控制其实所谓的滑膜控制，其也是一种前馈控制与反馈控制的一种双闭环控制，不过它和PID不是很相同。使用滑模控制时，我们首先要选择滑模面，这和我们的基准电压是十分相似的，只不过一个二维的一个是三维的面结构，选择滑模面时，我们要把DVR的结构写为状态空间模型，如下： （3）这里的if和is分别是滤波电感电流和源电流，（t）是逆变器的切换功能可以是1或者1。为了控制逆变器的输出电压，我们必须找到一个合适的滑动面，它直接受开关量的影响。从（3）可以看出，在第一次生成的输出量dvc/ dt =(if - is)/ Cf=，这里没有明确的包含控制直流量（t）Vdc，因此这个量必须计算出来。 （4）从公式（4）中可以看出第二个生成量是由控制输入量（t）Vdc决定的，没有进一步的生成需要。根据对于一个滑模面的选择可以根据 （5）这样子我们就可以选出滑模面，但是该控制对于我们本科生来说，不好理解，设置和计算时也不是很容易，因而我们在用软件编程设计时，更不好设计，所以我们不采用这种控制方法。4.3 DVR信号检测算法现在一般对于DVR的信号检测上，我们通常用的方法有：均方根法，傅里叶分析法，交直流变换法以及基于瞬时无功理论的坐标变换法，但考虑到系统的快速与准确性上，我们一般都是采用坐标变换法。下面就对此方法进行一下探讨。 瞬时无功功率理论是由日本学者赤木于1983年提出的，也称pq理论。以该理论为基础，可以得出有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。设三相瞬时电压为ua,ub,uc，三相瞬时电流为ia，ib，ic，把它们变换到-两相正交坐标系上进行研究，由于三相电压、电流具有以下特性： （6） （7） （8）在图3.1中所示的平面上，矢量、和、分别可以合成为(旋转)电压矢量e和电流矢量i （9）式中，e和i为电压矢量e和i的模；、分别为矢量e、i的幅角。三相电路瞬时有功电流，和瞬时无功电流分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即： （10）图3.1-坐标系中的电压和电流三相电路瞬时功率为电压矢量的模和电流的乘积，即： 有上面的公式，可以写成矩阵形式为：三相电路各相的瞬时有功电流是、两相瞬时有功电流通过两相到三相变换所得到的结果。（11）传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相同的意义上定义的它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。5 MATLAB 仿真与分析对于整个系统的仿真，我做了同相位与最小容量两种仿真，下面就对这两个仿真进行一下分析。对于系统仿真，电压的跌落我们是用可编程控制电源来模拟的，对于该电源，我们设定其电压为380V的输出，我们设定其在0.2到0.6的时间内进行电压跌落，对于跌落大小，设定定位30%，即66V。对于串联变压器的设定，在这里进过调试后设定约为2:1。对于滞环控制中，我们设定的PI参数为1,2.当然对于最小能量仿真时，我们还要设定一个超前补偿角度，在这里我们设定其超前角度为30度。下面就对仿真进行对比： 5.1同相位仿真与分析在上面的仿真图上，我们可以看到，对于系统逆变器直流侧电压，我们用一个直流电源来代替，这样子做是为了让真个系统更好设计，利于我们仿真的进行，在控制上我们采用的也是一个开环的控制系统，在仿真中我们设置可编程电源在0.2到0.3时刻电压跌落30%，下面我们可以看一下仿真的结果：图 5.1.1 主电路电网电压（DVR装置前端电压） 图5.1.2 负载前端相电压（DVR装置后端电压） 图 5.1.3 串联变压器两端的电压我们通过对比这两个电压信号可以发现，负载前端电压在通过DVR装置后，其电压信号基本上稳定在一定的范围内，但是我们细心比对可以发现，由于系统是开环控制系统，系统稳定性不是很好，从DVR装置后端电压信号可以发现，补偿过后的电压，其大小并不是与之前的稳定电压一致，且电压还有一定的抖动！下面我们对于系统加上闭环控制后进行分析。 图5.1.4 闭环控制系统的设置图图 5.1.5 加闭环控制后各相相电压信号图（其中1为 DVR前端三相电压信号，2为DVR后端三相电压信号，3为逆变器输出三相电压信号）从上图中 我们可以看出，从上图中我们可以看到，在我们加上闭环控制后，系统的电压信号基本上可以保持稳定，逆变器的输出电压也比较稳定，逆变器的输出量相比开环控制也有一定的降低，这就减小了逆变器输出功率。5.2最小容量仿真上面我们对同相位补偿策略的开环控制与闭环控制进行了仿真分析与对比，下面我们队最小容量进行一下仿