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1、哈尔滨工业大学课程设计(论文)目 录 1绪 论11.1 电能质量问题概述11.1.1电能质量概念11.1.2 电能质量问题分类11.2 电压跌落31.2.1电压跌落产生的原因31.2.2电压跌落的危害41.2.3电压跌落的抑制方式41.3 动态电压恢复器的研究与应用现状51.3.1 国外的研究现状61.3.2 国内的研究现状61.4 MATLAB/SIMULINK简介71.5 本论文的主要工作72 动态电压恢复器的工作原理与结构92.1 动态电压恢复器的基本结构与原理92.2 DVR的工作模式92.3 DVR的电压补偿策略103 动态电压恢复器的主电路参数设计123.1 主电路的结构选择123
2、.1.1 逆变器的选择123.1.2 串联变压器123.1.3 输出滤波器133.1.4 直流储能单元的选取143.2 DVR主电路参数设计143.2.1 DVR容量153.2.2 直流测电压153.2.3 串联侧滤波电路153.2.4 主电路参数的设定154 动态电压恢复器的电压跌落检测174.1 现有的电压跌落检测方法174.1.1 有效值计算法174.1.2 峰值电压法174.1.3 基于瞬时无功功率理论的dq变换检测法174.2 基于Hilbert变换的电压跌落检测方法184.2.1 基于Hilbert变换的电压跌落检测方法概述184.2.2 基于Hilbert变换的电压跌落检测原理1
3、84.2.3 Hilbert变换检测的仿真模型194.2.4 短时电压波动的检测与分析194.3 小波变换检测法224.3.1 小波变换的理论234.3.2 小波函数的选取244.3.3 分解层数的确定244.3.4 应用小波变换模极大值检测分析暂态电能质量问题254.3.5 短时电压波动信号的检测与分析265动态电压恢复器的控制策略335.1 滞环控制比较方式335.1.1 滞环控制比较方式的原理335.1.2 基于滞环控制的系统仿真346动态电压恢复器的仿真试验376.1 单相系统的仿真补偿试验376.1.1 电压跌落20%的补偿试验376.1.2 电压跌落50%的补偿试验386.1.3
4、电压跌落70%的补偿试验386.2 三相系统的仿真补偿试验396.2.1 三相电压跌落的补偿试验406.2.2 三相电压跌落且三相不平衡的补偿试验416.2.3 三相电压跌落并伴有谐波的补偿试验41结 论43致 谢45参 考 文 献46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
5、文以动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer,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
6、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-48-1绪 论1.1 电能质量问题概述1.1.1电能质量概念所谓电能质量，是指把发电厂发出的电能，看成是一种商品，从而对他的各种技术指标作出规定，以判断其是否合格。但是由于人们看问题的角度不同，所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着
7、不通的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。在国外对于“电能质量”这一用词长期以来都比较混乱直到1968年，一篇关于美国海军电子设备用电源规范要求的研究论文最先规范使用了“Power Quality”这一术语，并给出相应的技术定义：“喝个电能质量的概念，是指提供给铭感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备与设备之间的相互作用和影响，以及电源与设备之间的相互作用的影响，并以此为基础，制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有横打的重叠性。我国一般采用“电能质量”这一术语，对于电能质量也有不同的定义，在众多的电能质量定义中，将电能质量定义为“导致用电设备故障或不能正常工作的电
8、压，电流或频率的偏差”。这个定义比较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果。下面是几种常用的定义：（1）文献认为“电能质量”是“任何明显引起电压、电流或频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电能问题”；（2）IEC(1000-2-2/4)标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”；（3）IEEE Std.1100-1999将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动和保护电子装置”；（4）文献将“电能质量”简明的表示为“电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差”。可以看出上述的定义都主要
9、考虑到电力用户方，主要是为保证负荷的正常运行。1.1.2 电能质量问题分类理想的供电电压应该是纯正的正弦波形，具有标称幅值和标称频率，并且三相对称。然而由于从发电到用电各环节中的非离线因素的影响，施加到负载上的电压幅值、频率、波形中的一相或几相可能偏离标称值或标准状态。电压波形、幅值和频率偏离标称值达到一定的范围时，电力用户和电网的运行就会受到一定程度的影响和损害，这就产生了电能质量为问题。国际电力电子工程师协会IEEE根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等将其进行了细分并对供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，初步建立了“电能质量”概念体系。电能质量问题主要分为电流质量问题和电压质
10、量问题。系统是一电压型电源，只要电网电压的幅值、频率在许可范围之内、电压的波形为正弦波且三相对称，就可以认为不存在电能质量问题。本文研究的动态电压恢复器是针对负载侧电压的动态补偿装置，因此文中所涉及到的电能质量问题主要指电力系统的电压质量。电能质量包括稳态电能质量和动态电能质量。参照美国电气和电子工程师协会(IEEE)第22标准协调委员会(电能质量)和其他一些国际委员会的推荐，描述电能质量问题的术语主要包括以下几个：电压不平衡(Volatage unblance)、过电压(Over voltage)、欠电压(Under voltage)、电压跌落(Sag)、电压骤升(Swell)、供电中断(I
11、nterruption)、或闪变(Flicker)、等。其中，前三种现象一般视为稳态电能质量问题，后者为动态电能质量问题，各种电能质量问题特点如下：(1) 电压不平衡（Voltage unbalance）：是指三项典雅的幅值或相位不对称。不平衡的程度用不平衡度（电压负序分量和正序分量的均方根值百分比）来表示，典型的三项不平衡是指不平衡度超过2%，短时超过4%。在电力系统中，各种不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。(2) 电压跌落（sags）：电压有效值降至额定值的10%-90% ,持续时间为0.5-30个周期。(3)电压中断 (interruptions) ：在一相或多
12、相线路中完全失去电压 (低于额定值的10% )一段时间。持续时间0.5个周期至 3为瞬时中断；持续时间3至60s为暂时中断；持续时间大于60s为电压中断。(4)电压上升（swells）：电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110% -180% ,持续时间为0.5-30个周期。(5)电压瞬变(transient)：是指在一定时间内电压在两个稳态量之间的变化，电压瞬变可以是任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。(6)过电压(over-voltages)：电压为额定值的110%-120%，持续时间大约为1min。(7)欠电压(under-voltages)：
13、电压为额定值的80%-90%，持续时间大约为1min。(8)电压波动(fluctuations)(闪变 )：电压波动 (闪变 )是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。其电压幅值的变化通常为额定值的90% -110%。这种电压波动常称为电压闪变。1.2 电压跌落电压跌落（sags，又可称dips）是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象。目前，多数文献都用跌落的幅值和持续时间来作为描述电压跌落的特征量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一的标准。例如，在IEEE电能质量标准中对电压跌落特征量的界定范围是幅值标么值在0.10.9之间，持
14、续时间为半个周期至1分钟；而IEC标准则用跌落前后电压的差值与正常电压的百分比来描述电压跌落的深度，持续时间限定为半个周期至几十秒。此外，有的文献把电压相位偏移角和发生频率也作为描述电压跌落的特征量。也称为暂降、骤降等。大量的统计数据表明，电压跌落是发生在频率最高、影响最严重、造成的经济损失最大的一类动态电能质量问题，美国300多哥电能质量检测器从1993年到1995年的观测数据表明，高达92%的扰动事件是电压跌落，他们的持续时间大多数不到2秒钟。持续时间在2秒钟到10分钟之间的电压中断仅占4%，其余的电能质量问题占余下的4%。日本关西电力公司统计结果显示：大多数电压跌落为跌幅20%以内、持续
15、时间100ms以内的故障。1.2.1电压跌落产生的原因实际电力系统中，线路的阻抗不可能为零，因此当电流增加时线路两端的压差也随着增大。正常运行请款下，压差并不大，但是当线路的电流急剧增大或线路阻抗增加很大时，线路两端的电压差将明显增大，于是就产生了电压跌落。因此根据电压跌落引起的原理，可将跌落产生原因分为两大类：一种是由电流增大引起的；另一种是由系统阻抗增大引起的。其中最常见的是电压跌落产生原因有两种： (1) 故障点引起的电压跌落当输电网或者配电网中出现电路故障时，电流急剧增大，在公共电压连接点产生电压跌落。同时跌落沿着电网扩散而给大量用户造成问题。电压跌落的幅值由短路故障类型和故障点距离决
16、定，电压跌落持续时间则取决于保护的类型，在半个周波到数秒钟变化。故障分为都城和不对称故障，因此产生的电压跌落也可能是对称的，也可能是不对称的。(2) 感应电动机启动引起的电压跌落感应电机全电压启动时，需要聪系统汲取的电流值是满负荷运行时的5-10倍，这一大电流流经系统阻抗时，会引起电压的突然下降。这种跌落的深度取决于感应电机特性和连接处的短路容量，跌落持续的时间较长。其他的如：变压器励磁涌流、开关操作、电容器组的投切以及上述各种因素的组合都会引起电压跌落。1.2.2电压跌落的危害电压跌落已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的较严重的动态电能质量问题。电压跌落对设备造成最直接的影响就是由于电
17、压较额定电压低，当跌落持续时间较长时，设备得不到足够的能量而无法正常工作；电压跌落同时会引起一些保护继电器动作，直接将设备推出运行；对于大多数微机及微电子控制设备，电压跌落的恢复过程，会引起微机的重新启动。会造成相当大的经济损失。电压跌落对现代社会造成的危害总结为以下四个方面：（1）电压跌落对人们的日常生活有很大的影响。（2）电压跌落对信息业有很大的影响。（3）电压跌落对大型敏感工业用户造成很大的危害。（4）电压跌落对现代社会广泛应用的电子设备影响也很大。1.2.3电压跌落的抑制方式电压跌落的抑制可通过供电方和设备制造厂家两方面来共同解决，对于设备制造厂家来讲，要求降低设备对电压跌落的“敏感度
18、”，也就是提高设备对电压跌落的“免疫力”，本文对这方面的技术不做详细讨论。对于供电方来讲，应该提供给用户的是合格的电压，到目前为止，已有若干个产品可用来抑制电压跌落。随着电力电子技术、计算机和自动控制技术的迅速发展，提出了一种新的补偿方式，即:基于现代电力电子技术的用户电力技术(Custom Power)。用户电力技术是由美国电力科学研究院(EPRI)的N.G Hingorani博士于1988年提出的,可以解决电压跌落、上升、瞬时中断等配电系统扰动所引起的种种问题。用户电力技术是指把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对供电力的可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。
19、用户电力技术概念的提出，有力地推动了在提高配电可靠性和优化电能质量方面应用电力电子技术控制设备的研究和实用化工作。作为基于电力电子技术的柔性交流输电系统(FACTS)技术已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，因此DFACTS装置具有更快的响应特性。目前主要的DFACTS装置有：有源滤波器(APF)、动态电压恢复器、配电系统用静止无功补偿器(D-STATCOM)、固态断路器(SSTS)等,其中的动态电压恢复器是本文所要研究的内容。它串接在电源与敏感负荷之间，可以在毫秒时间内将电压跌落补偿到正常值。DVR具有极高的补偿效率以及相对低廉的费用，是抑制电压跌
20、落的有效的补偿装置。常用的方法有:(1)变压器分接头调节器。目前该产品可在一个半周波内完成调整，由于受变压器分接头的调节范围限制，仅在一定程度上减轻电压跌落的影响。(2)磁谐振变压器CTV(Constant Voltage Transformer)。在电压跌落下降到正常值的70%时仍能提供平稳电压支撑，效率在70%-75%，体积比标准变压器稍大，容量通常咋20KV一下。(3)静止开关切换STS(Static Transfer Switch)。负荷由双电源供电（一个备用），当供电电源发生电压跌落时，STS可以在一个半周波内将故障电源切除，备用电源投入，效率可达99%。缺点就是造价太高，对于重要的
21、要求严格的负荷可以采用。(4)不间断电源UPS(Uninterruptable Power Supply)。在减少电压跌落和电压中断影响的装置中，UPS是使用较广泛的设备，当店员发生电压跌落或者电压中断时，由UPS供电，提供给用户合格的电压，效率达到92%-97%。缺点是大荣来那个受限制，运行维护费用高。动态电压恢复器DVR(Dynamic Voltage Restorer)。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
22、高，费用低于UPS,STS，是抑制电压跌落最有效的补偿装置。1.3 动态电压恢复器的研究与应用现状由于动态电压恢复器是一种比较理想的用户端电压电能质量的保护装置，所以其研究成为了国内外的一个热点。尤其是在理论研究方面。目前动态电压恢复器的理论研究主要集中在主电路拓扑结构、检测算法、控制方法、补偿策略等方面。在主电路拓扑结构方面，主要研究不同的三相系统逆变器结构对故障电压补偿效果的区别，高压大功率逆变器在DVR中的应用等；在检测算法方面，主要研究如何快速准确的检测出电网电压的幅值，相位以及频率的变化并生成负载电压的参考指令；在控制方法的研究方面，主要的热点是如何快速准确的捕捉畸变电压，并对其进行
23、很好的补偿，保证系统具有良好的动态性能；在补偿策略方面，主要研究如何在储存能量一定的情况下尽量的延长补偿电压跌落的时间，即能量又呼阿德补偿方式。动态电压恢复器不仅在理论研究方面取得了很多的成果，而且有不少产品已经投入使用，并取得了良好的效果。第一台工业应用的DVR由西屋公司于1996年研制成功，安装在美国北卡罗里纳州Duke电力公司靠近一个自动化纺织厂的12.47KV系统上，以便对全厂提供电压跌落保护。另外在Orian Rugs(USA)，Bonlac Foods(Australia)，Caledonian Paper(UK)等公司的网络中均串入了DVR。如澳大利亚的Bonlac食品公司在对D
24、VR试运行后进行的数据统计表明，该公司每年减少了2，453，400澳元的损失；据美国输配电杂志报道，由ABB公司制造的两台容量各为22.5MVA的DVR于2000年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压跌落引起全厂跳闸而可能造成以百万元计的产品成为废品，它可以弥补500ms的三相电压跌落的35%和单项电压跌落的50%。可见，DVR的应用可以大大提高用户的电压质量和经济效益。由此可见，动态电压恢复器是一种非常有应用前景的电能质量补偿装置，各国的专家学者们已经达成了这样的共识：动态电压恢复器是改善电压型电能质量问题的最经济，最有效的手段。1.3.1 国外的研究现状世界上第一台DV
25、R由Westinghouse公司于1996年研制成功，并安装在Duke电力公司的12.47kV系统上，该装置的容量为2MVA，主要用于抑制纺织厂供应电压的跌落。随后ABB公司研制的22kV/4MVA的DVR也成功地应用于半导体生产厂的故障电压恢复，它可在系统电压发生跌落时迅速地(几毫秒内)提供补偿电压以维持负荷电压恒定。此外ABB公司还推出了基于IGCT的DVR，由于IGCT结合了GTO和IGBT的优点，这种动态电压恢复器性能优越，逆变器可靠性高，效率和安全性也很。由ABB公司制造的两套DVR(单套容量均为22.5MVA)，于2000年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行，用以防止因电压跌
26、落引起全厂跳闸而造成数百万美元的产品成为废品的巨大经济损失。该DVR可补偿持续时间达500ms的三相电压下跌35%和单相电压下跌50%的电压跌落。德国Siemens公司的SIPCON-S系列产品采用的是串联补偿的原理可以补偿电网电压波动和谐波。根据西门子1998年的产品资料，可以总结出以下特点。（1）系统因故障电网电压降到额定值的50时，SIPCON-S仍能正常工作；（2）一般情况下SIPCON-S的容量为负载的2050；（3）系统电压的过冲或跌落的补偿可在23ms之内完成；（4）可以补偿电网电压不平衡；（5）SIPCON-S产品的容量为几十KVA到1MVA，可以对6MVA的负载进行补偿。除了
27、上述的动态电压恢复器实例，世界上还有很多厂家和研究机构正在研究各自的DVR，如日本的柱上式，美国威斯康欣大学等。1.3.2 国内的研究现状国内对电能质量补偿装置的研究总的来说还处于刚起步的阶段。1998年，我国国内的高等学校和科研单位才开始对动态电压恢复器进行研究。目前，研究仍然处于理论研究和样机研制阶段，也取得了一些成果，清华大学，华北电力大学，西安交通大学，东南大学，中国科学院电工研究所等都对DVR进行了大量的研究实验并研制出DVR的试验样机，所研制的DVR样机还有待于工业环境的检验。但与国外相比还有很大的差距,主要是在容量和电压等级方面，目前针对DVR的研究集中在如下几方面：（1）能量存
28、储单元的充放电技术。（2）不同电压等级下(特别是高电压等级)主电路结构的选择。（3）电压跌落检测算法以及补偿指令的产生。（4）DVR补偿电压跌落的动态控制方法。1.4 MATLAB/SIMULINK简介计算机仿真是进行现代科学研究的一种重要手段，在电力电子技术方面，计算机辅助分析和设计方法已成为一种公认的经济、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，构造出复杂并且精确的电路模型。通过仿真，对其进行各方面性能的检验，而不需要冒着损坏器件的风险，降低了开发成本。目前，MATLAB及其SIMULINK可视化仿真平台在控制系统中应用非常广泛，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、
29、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，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你用手和纸来画一样容易。它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
30、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。1.5 本论文的主要工作本文以动态电压恢复器为研究对象，在了解动态电压恢复器研究现状和工作原理的基础上，对其主电路结构的选择、电压跌落的检测方法及补偿电压发生电路的控
31、制方式做了较深入的理论分析，并用仿真软件MATLAB/SIMULINK对各部分进行建模和仿真。本文的主要内容和章节安排如下:第一章介绍了电压跌落的定义、分类和起因，分析了电压跌落的危害，讨论了动态电压恢复器国内外的研究现状和发展趋势，明确了本文研究的主要内容。第二章介绍动态电压恢复器的基本工作原理和主电路结构，对其工作模式和补偿策略也进行了简要的介绍。第三章讨论了动态电压恢复器主电路结构的选择，并对主电路参数进行设计。第四章介绍了现有的电压跌落检测方法，由于它们的不足和缺陷，采用Hilbert 变换与后差分相结合的方法和基于小波变换的检测方法，并分别搭建仿真模型，通过仿真试验校验其检测效果。第
32、五章给出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，通过仿真对比分析了两种控制方法应用于动态电压恢复器的正确性和可行性。第六章在仿真软件MATLAB/SIMULINK平台上构建DVR仿真模型，包括DVR主电路模型、DVR检测模块和DVR控制模块等，结合本文所采用的检测方法，利用该模型对不同程度的单相电压跌落和几种三相电压跌落问题进行仿真补偿试验。第七章对本文所做的工作进行总结。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
33、统正常供电情况下，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。2.2 DVR的工作模式本文讨论的DVR有三种工作模式。图2-2为三种工作模式
34、的运行工作图，分别称为旁路模式、自检模式和运行模式。为了简便起见，图中只画出了一相。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串入线路中时，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
35、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。本文的研究侧重于理论与仿真试验，可以将工作模式简化为退出模式和运行模式两种，模式的转换通过旁路开关的投切来完成。2.3 DVR的电压补偿策略在DVR的电压补偿策略选取时，一般主要考虑两个方面:一是电压补偿能力，即在相同的直流侧电压的条件下，最大幅度的补偿电压跌落的问题；二是能量补偿能力，即
36、在相同直流电压和储能电容的条件下，获得最长的补偿时间。目前常采用缺损电压补偿法、同相电压补偿法和最小有功注入补偿法三种电压补偿策略来对电压跌落进行补偿。缺损电压补偿法，是以跌落前的电压相量作为参考量，注入补偿电压使负荷侧电压相量的幅值和相位都不发生改变。这种算法最简单，而且从负荷的角度来看，由于负荷侧电压相量的幅值和相位都不发生变化，因此补偿的效果最好。3 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。3.1 主电路的结构选择3.1.1 逆变器的选择DVR的核心单
37、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。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。 图3.1三相全桥逆变器 图3.2单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，均如图3.2所示。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。由于
38、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。3.1.2 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
39、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
40、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。3.1.3 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。
41、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3-3滤波器放置位置示意图3.1.4 直流储能单元的选取系统发生故障时，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。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
42、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
43、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，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
44、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。本文研究的动态电压恢复器主要是用于治理电压跌落的问题，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。3.2 DVR主电路参数设计DVR工作时，不仅要求故障时对故障电压的检测精度高，还要求其动态响应快。除了控制方法外，主电路的参数对补偿性能的影响也很大。如果这些参数选取不当，会使DVR达不到满意的补偿
45、效果，同时会提高DVR的造价。3.2.1 DVR容量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: （3.1）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。3.2.2 直流测电压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 （3.2）变压器的副边电压等于原边电压的N倍，即 （3.3）
46、于是有:而逆变器交流侧电压的绝对值分别为: （3.4）考虑到DVR的动态性能，一般选择进行计算。3.2.3 串联侧滤波电路滤波器参数设计的原则是逆变器输出的基波电压应无衰减地通过滤波器，而其它高次谐波应受到极大的衰减。取，为滤波器的截止频率，对于不同的，滤波器对高次谐波的抑制作用也不同。理想情况下滤波器中电容和电感的选取公式： （3.5）3.2.4 主电路参数的设定基准相电压有效值：基波频率：负载容量：电压跌落和上升最大的变化范围：0.11.8逆变器使用IGBT，开关频率选取为负载相电流等效为补偿电压有效值的最大值为2200.9=198V，逆变器产生的基波电压有效值,即,可得。取。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，根据经验公式可得 4 动态电压恢复器的电压跌落检测DVR的功能主要是动态的补偿电压跌落，前提是必须快速、准确的检测出电压跌落的特征量。本章首先对现有的电压跌落检测方法进行概述，然后着重介绍基于Hilbert变换的电压跌落检测方法和基于小波变换的检测方法，并对其进行相应的仿真研究。4.1 现有的电压跌落检测方法4.1.1
