动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文 精品.docx
- 文档编号:26978775
- 上传时间:2023-06-24
- 格式:DOCX
- 页数:79
- 大小:1.51MB
动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文 精品.docx
《动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文 精品.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文 精品.docx(79页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文精品
本科毕业设计(论文)
DVR电压补偿策略研究
李皓君
燕山大学
2013年6月
本科毕业设计(论文)
DVR电压补偿策略研究
学院(系):
里仁学院
专业:
09级应用电子
学生姓名:
李皓君
学号:
091203031037
指导教师:
沈虹
答辩日期:
2013/6/16
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
电气工程学院系级教学单位:
电气工程及自动化
学
号
0912********
学生
姓名
李皓君
专业
班级
09应电-02
题
目
题目名称
DVR电压补偿策略研究
题目性质
1.理工类:
工程设计(√);工程技术实验研究型();
理论研究型();计算机软件型();综合型()
2.管理类();3.外语类();4.艺术类()
题目类型
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题()生产实际()自选题目(√)
主
要
内
容
1、查阅相关资料,研究动态电压恢复器的工作原理
2、研究现有电压补偿策略的工作原理
3、完成主电路、控制电路参数设计
4、进行开环、闭环系统仿真
基
本
要
求
1、输出交流电压:
220V/50Hz
2、开关频率:
20KHz
3、整流桥负载下THD小于5%
4.撰写论文1本(不少于2万字,字迹工整、语言流畅),标准A0图纸一张
参
考
资
料
1、电力电子技术(第四版)
2、电力电子技术期刊
3、IEEEonPowerElectronics
4、IEEEonIndustryApplication
5、电工技术学报、电工技术杂志、电气传动、电气自动化等
周次
第1~4周
第5~8周
第9~12周
第13~16周
第17~18周
应
完
成
的
内
容
查阅资料,学习理论知识。
了解题目概况、工作原理及系统构成
完成主电路和控制电路方案选择,对所设计系统进行理论分析
系统参数设计与仿真研究
系统仿真实验研究
整理实验数据,并与理论比较,撰写论文
指导教师:
沈虹
职称:
副教授2012年12月13日
系级教学单位审批:
年月日
摘要
伴随着经济发展而来的的是我国用电负担逐年增加,电网电压的跌落和电压波形的畸变现象经常发生,这会给许多对电压质量要求很高或是很敏感的电气设备带来困扰。
同时,电力电子器件在生活的各个领域的应用也越来越广泛,为解决电能质量问题的各种电气设备相继问世,对在性能与性价比方面占很大优势的动态电压恢复器(DVR)广泛关注,被认为是最有前景的电能质量调节的电力电子装置。
本文首先介绍了动态电压恢复器的出现与发展,给出了各种电压跌落的介绍,并介绍了DVR的典型结构,详细说明了动态电压恢复器的工作原理,并且对DVR的主要组成部分储能装置、控制装置、滤波装置、逆变装置等做了必要的分析,主要介绍了DVR现有电压补偿策略的工作原理,设计了动态电压恢复器的主电路部分与控制电路部分,然后应用MATLAB建立了单相DVR的仿真模型。
利用仿真模型完成了跌落前电压补偿策略与同相电压补偿策略的仿真,针对电网电压的电压跌落与电压相位偏移做了仿真,最后得出的仿真结果验证了DVR确实能改善负载侧电能质量。
在逆变器的控制方法中有单周期控制、PWM控制等等,本次设计对比了提到的两种控制策略,最后应用了PWM控制主电路。
关键词:
动态电压恢复器;跌落前电压补偿法;同相电压补偿法
Abstract
Alongwitheconomicdevelopmentcomestheburdenofelectricityincreasedyearbyyear.Gridvoltagedropandvoltagewaveformdistortionphenomenonoftenoccurs.Thiswillgivealotofhighqualityrequirementsofthevoltagesensitiveelectricalequipmentorbringtrouble.And,applicationofPowerelectronicdevicesinallareasoflifehasbecomeincreasinglywidespread.Inordertosolvepowerqualityproblemshavecomeoutofthevariouselectricalequipment.Performanceandvalueformoneyinagreatadvantageintermsofbothdynamicvoltagerestorer(DVR)attention,isconsideredthemostpromisingpowerqualityadjustablepowerelectronicdevices.
TheDynamicVoltageRestoreremergenceanddevelopmentisintroducedinthispaper,giventheintroductionofavarietyofvoltagedrop.AnddescribesthetypicalstructureoftheDVR.Adetaileddescriptionofthedynamicvoltagerestorerworks.AndisamajorcomponentoftheDVRstoragedevices,controldevices,thefilterdevice,inverterdevice,andsodothenecessaryanalysis,mainlyontheDVRexistingvoltagecompensationstrategyworks.Designofadynamicvoltagerestorerofthemaincircuitsectionandthecontrolcircuitportion.Thenappliedtoestablishasingle-phaseDVRMATLABsimulationmodel.Usingthesimulationmodelcompletedbeforethevoltagedropcompensationstrategywiththesamephasevoltagecompensationstrategysimulation.Forgridvoltagedropsanddothesimulationphaseshift.FinallythesimulationresultsobtainedDVRcanreallyimprovetheload-sidepowerquality.Theinvertercontrolmethodofasingle-cyclecontrol,PWMcontrolandmore.Thedesigncontrastsmentionedtwocontrolstrategies,thefinalapplicationofthePWMcontrolofthemaincircuit.
Keywords:
Dynamicvoltagerestorer,beforevoltagedropcompensationmethod,Phasevoltagecompensationmethod
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2动态电压恢复器的出现与发展1
1.3电能质量问题2
1.4国内外研究现状3
1.5本文研究内容:
4
第2章动态电压恢复器工作原理5
2.1DVR典型结构5
2.2DVR的工作原理8
2.3控制方式9
2.4补偿方式10
本章小结:
12
第3章基于MATLAB的DVR仿真模型13
3.1DVR仿真模型13
3.2参数计算14
3.3暂降前电压补偿仿真结果与分析15
3.4同相位电压补偿仿真结果与分析17
3.5暂降前电压补偿闭环仿真分析20
本章小结:
23
第4章系统硬件设计24
结论31
参考文献32
致谢33
附录1---开题报告34
附录2---文献综述38
附录3---中期报告40
附录4---中文译文48
附录5---外文原文63
第1章绪论
1.1课题背景
伴随着经济发展而来的的是我国用电负担逐年增加,电网电压的跌落和电压波形的畸变现象经常发生,这会给许多对电压质量要求很高或是很敏感的电气设备带来困扰。
并且,电力电子器件在生活的各个领域的应用也越来越广泛,为解决电能质量问题的各种电气设备相继问世,动态电压恢复器使其中的佼佼者。
当系统电压受到外界干扰时,会产生类似电压跌落的电能质量问题,这是造成敏感负载出现问题的主要原因,而DVR会在1-2ms之内产生补偿电压,抵消敏感负载所受干扰,使负载正常工作,有助于降低电能质量问题所带来的设备损坏、生产中断、产品质量不合格等等的经济损失,保证了计算机负载与敏感负载的安全可靠运行。
在性能与性价比方面占很大优势的动态电压恢复器(DVR)广泛关注,被认为是最有前景的电能质量调节的电力电子装置。
1.2动态电压恢复器的出现与发展
1996年,美国西屋(Westinghouse)公司首次发表了动态电压恢复器的研究报告和实验结果,标志着动态电压恢复器的诞生。
同年8月,美国西屋公司与美国电力科学院(EPRI)共同研制的功率2MVA的DVR装置成功安装在美国北卡罗来纳州一家叫Duke的电力公司的一个12.47kV系统上,对全厂的电力质量问题进行补偿,运行后起到了良好效果。
1998年,瑞士ABB公司研制的功率4MVA的DVR装置成功在新加坡的一家半导体制造厂投入运行,从安装后实际运行情况来看,此DVR装置很好的完成了对全厂电压跌落、电压突升及三相不平衡的补偿。
1999年,德国西门子(Siemens)公司为美国电力科学院制造的世界上第一台杆上紧凑式动态电压恢复器成功安装在加拿大道森克里克地区的一条12.5kV配电线上,对600kVA的负载提供保护。
2000年,瑞士ABB公司再次生产的两套大容量的DVR装置在以色列一家芯片制造厂投入实际运行,运行后为该厂带来了巨大的经济效益。
1.3电能质量问题
理想的负载电压应该是标准的正弦电压,具有固定的幅值和固定的频率,并且三相对称。
但是由于从发电厂发电、输电网输电、配电厂配电等环节中的各种因素影响,最后施加到负载上的电压幅值、频率中的一项或几项可能出现偏差导致电能质量问题。
电能质量问题主要分为以下几类:
1、电压跌落
电压跌落是指在固定频率下,电网电压的有效值短时间内下降。
电压跌落值一般为0.1-0.9倍额定值,持续时间一般不长。
电压跌落产生的原因主要有电力系统发生故障和负载突增。
2、电压突升
电压突升是指在工频下,电网电压的有效值短时间内上升。
电压突升值一般为1.1-1.8倍额定值,持续时间为一般也不长。
电压突升产生的原因主要有电力系统发生故障和负载突降。
3、供电中断
供电中断是指在一段时间内,系统的一相或多相电压低于0.1倍额定值。
瞬时中断定义为持续时间在0.5个周期到3秒之间的供电中断,短时中断的持续时间在3-60秒之间,而持久停电的持续时间大于60秒。
4、电压不平衡
电网电压不平衡是指三相电压的幅值或相位不对称。
三相电压不平衡的程度用不平衡度来表示,一般三相不平衡是指不平衡度超过2%,短时超过4%。
在电力系统中,各种不对称工业负载以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。
5、谐波
谐波指以工频的整数倍作为频率的电压或电流。
随着电力电子设备的广泛使用,非线性负荷的逐年增加,中、低压配电网中的谐波分量也不断上升。
谐波产生的原因主要是当电流流经非线性负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波。
尽管电能质量问题的种类很多,但在上述所有电能质量问题中,根据统计,电压跌落和持续近1秒的短暂供电中断是工业和事业用户所面临的最为常见和严重的电能质量问题,电压跌落与断电已上升为最重要的电能质量问题之一,应引起足够的重视。
1.4国内外研究现状
世界上的第一台DVR装置由美国西屋公司研制成功,并于1997年8月在美国DUKE电力公司投入运行,西门子公司在1999年的IEEE会议上介绍了他们的DVR的运行情况。
ABB公司在2000年IEEE会议上介绍了安装在瑞士4的DVR的运行情况。
在日本,柱上式DVR也已经投入运行。
这些装置的运行目的是为了取得足够的运行经验,以及在实际中检验装置的性能从而加以进一步改善。
除了上述的动态电压调节器实例,世界上还有很多厂家和研究机构正在研制各自的DVR,如美国威斯康欣大学。
在国内,很多高等院校和研究机构也已经在几年前开始开展这方面的研究工作,如清华大学、西安交通大学、华北电力大学、东南大学、中国电力科学研究院等等。
这些研究单位对于DVR的运行原理、电路结构都进行了大量的深入研究并研制了相应的样机,其中东南大学研制出的补偿容量为75kVA的试验样机在国内处于较高的容量水平。
但是与国外相比,我们还没有相应的运行经验,所研制的实验室样机在全压下的实验工作有待进行;实验负载仍然过小,在大功率负载情况下装置的运行情况有待进一步实验,DVR装置串联于系统和负荷之间,其本身的负载特性对于补偿效果也有一定的影响,在这方面也需要进一步的研究。
另外,在容量和电压等级方面,我们的研究成果与国外的还有很大的差距。
一方面是需要投入大量研发资金的问题,但更重要的是某些关键技术我们还没有掌握。
如系统故障条件下,DVR本身承受故障大电流的能力,在雷电过电压或内部过电压下,DVR的绝缘配合问题等。
DVR的系统保护问题的存在,阻碍了我国DVR技术在高压大容量场合的应用,因此有必要对其进行细致的研究。
目前DVR的研究发展主要集中在以下三个方面:
一是储能技术,储能单元是决定DVR系统硬件成本的主要因素之一,储能器件的稳定性和充放电特性直接影响DVR的整体性能;二是检测控制单元,对电压质量问题的准确、快速识别和测量以及对其采取的补偿控制策略直接关系到DVR的动态和稳态性能;三是逆变侧单元,对同一电压等级和容量等级的DVR,逆变器的电路拓扑不同、脉宽调制方式不同、控制策略不同以及与电网的耦合方式不同,装置的硬件成本和性能可能会不同。
1.5本文研究内容:
本章节主要介绍了课题背景、动态电压恢复器的出现与发展、电能质量问题、国内外研究现状。
我们得知电能质量问题的出现原因与分类,还有由于电能质量问题动态电压恢复器随之出现,现在动态电压恢复器发展的还不完善,有许多问题还有待解决。
第2章动态电压恢复器工作原理
2.1DVR典型结构
图2-1DVR结构图
DVR的典型的结构如上图所示,主要包括逆变器,LC滤波器,串联变压器,控制电路部分,储能装置。
下面将对各个单元进详细的分析。
逆变器:
逆变器是DVR的核心,依据逆变电路结构的不同可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。
单相半桥逆变器使用两只开关器件,其器件成本较全桥逆变器节省,但在直流侧需要电容分压,从而存在直流侧两个电容均压的问题。
如果直流侧电容不能很好地均压,逆变器输出电压品质将受到很大的影响。
同时由于直流侧经过了分压,直流侧电压的利用率降低为1/2。
全桥逆变器比半桥逆变器多用两只开关器件,装置的成本提高。
桥式逆变器普遍存在桥臂直通的问题,都需要可靠的桥臂保护手段来防止桥臂直通。
推挽式逆变器不存在桥臂直通的问题,但功率器件的开关集电极电压应为电容电压的两倍。
它的最大优点是在低输入电压时,任何时候最多只有一个开关器件工作,因而在输出功率相同时开关损耗较小,适用于低压输入的大功率变换器。
逆变器输出电压的控制有以下三种基本方案:
(1)可控整流方案
如果电源是交流电源,可通过改变整流器输出到逆变器的直流电压来改变逆变器的输出电压。
(2)斩波调压方案
如果前级是二极管不控整流或电池,则可以通过直流斩波器改变逆变器的直流输入电压来改变逆变器的输出电压。
(3)、逆变器的自身控制方案
采样控制理论中有一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。
PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,调控输出电压中基波电压的大小、增大输出电压中最低次谐波的阶次、并减小其谐波数值,来达到调控其输出基波电压,同时又改善电压波形的目的。
这是目前广泛应用的先进的控制方法。
SPWM法是一种目前使用较广泛的PWM法。
前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
本文设计的实验电路采用SPWM方案。
LC滤波器:
逆变器采用PWM控制方法,输出的电压就是含有高频分量的PWM波,为了得到标准的正弦电压,必须有低通滤波装置。
滤波器可以有以下三种安装位置:
一、逆变器和串联变压器之间
这种方式可以降低串联变压器的设计容量,因为经过滤波器后,高次谐波不会再通过串联变压器,但是滤波器也引起了相移和幅度的衰减。
二、利用串联变压器的漏感作为滤波电感
这种方式利用了串联变压器的漏感作为滤波电感,减少了一个滤波电感,但是高次谐波会通过串联变压器,它的容量必然要增大,滤波效果也不太好。
三、串联变压器和负载之间
这种方式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,但是这样系统电流中会包含高频电流成分,串联变压器的容量也要增大。
储能装置:
直流侧储能装置主要有以下几种形式:
一、大电容储能
当系统电压正常时,通过整流装置给电容器充电,充电到一定数值时,从系统切除DVR。
当系统电压波动时,通过逆变器补偿系统电压,电容器的容量决定了DVR的可以提供的能量。
整流电路共用直流母线电容器的方式被广泛采用,电容器分为普通电容器,无极性电容器和超级电容器。
普通电容器的成本较低,使用方便,但是它的能量密度小,而且寿命有限。
超级电容器的能量密度比较高,可快速充放电,而寿命时间长,但是成本高昂,而且现在技术不是很成熟,实现起来比较困难。
因此目前大多数直流测储能装置还是使用普通电容器。
二、蓄电池储能
采用蓄电池供电,不但能够提供无功调节,而且能够在供电中断的情况下短时供电。
但是蓄电池的容量也是有限的,不能长时间工作,而且蓄电池的价格比较昂贵,维护也不方便。
三、其余的储能方式
超导储能由于能量密度大、转换效率高、充放电快等优点受到广泛关注,但是成本较高,限制了它的应用。
相信随着对超导储能系统研究的进一步深入,成本会大幅度下降,应用会越来越广泛。
飞轮储能系统的关键部分是轴承,摩擦小的轴承的储能系统的效率高,现有的电磁轴承摩擦小、寿命长,但是用来稳定和定位飞轮的控制系统比较复杂。
通过以上的分析,决定选用整流电路共用直流母线电容器的方式,电容器为电解电容。
2.2DVR的工作原理
系统侧电压经过整流桥变换为直流电能,通过直流侧电容为PWM逆变器供电,或由其他直流储能元件为逆变器供电。
通过控制逆变器开关将直流侧的电压转换为输出端的交流电压,调节逆变器的输出改变DVR补偿电压的幅度与相位。
补偿电压经过滤波器和串联变压器注入系统电网。
由于DVR利用由线路交流电源经整流得到的直流电压作为逆变器直流侧的电源,即便在系统侧电压长期低落时也可通过插入补偿电压使负载侧电压恢复正常。
如果在直流侧电容两端并联蓄电池,或采用大容量的电容储能的话,该装置还可起到UPS的作用,即在系统侧短期发生电压中断故障时仍可向负荷提供一定时间的能量。
此外如果采用适当的控制方法,该装置还可以起到有源滤波器的作用,以确保负载侧的供电电压为正弦信号。
所以DVR可以起到维持电压,补偿有功和无功,平衡相间功率,有源滤波等功能,能够综合地解决电压质量问题。
动态电压调节器的基本思想是通过串联变压器在用户线路中插入一个动态受控的电压,使负载上电压基本稳定。
首先检测电路检测出电压量;随后通过控制电路产生补偿信号;再经过PWM电路形成PWM驱动信号;然后由驱动电路去控制逆变器功率器件的开通和关断;最后经LC滤波器滤除高次谐波,从而在串联变压器上产生与补偿指令相同的补偿电压来消除电网电压中的跳变量,达到给负载提供高质量电能的目标。
装置的核心部分是基于全控器件的一个逆变器,DVR输出的电压幅值和相位是可以调节的,与此对应DVR所需的无功和有功也是变化的。
通过控制动态电压调节器输出电压的幅值和相位,我们可以调节负载的端电压。
然而对于不同的补偿方式,幅值和相位的可调程度是不同的。
对于没有储能单元的动态电压调节器,只能使用无功补偿方式,此时动态电压调节器不向系统注入任何有功能量;带有储能单元的动态电压调节器可以采用无功或有功补偿方式,在一定范围内灵活调节注入电压的幅值和相位。
而无功或有功补偿方式又可以分为同相补偿和完全补偿,最小能量补偿三种方式种方式。
2.3控制方式
前馈控制:
图2-2前馈控制图
前馈控制如图2-2所示,前馈控制以系统侧电压作为输入信号,控制器通过比较系统电压与参考电压的差值来提供补偿电压,前馈控制模式具有响应速度快,稳定性高,控制方法简单,易于工程实现等优点,因此使用相当广泛。
前馈控制的具体过程为利用传感器检测电路检测出系统侧电压,然后计算出系统电压与基准参考电压信号的差值,然后通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号,再由驱动电路控制逆变器的功率器件开关,最后由滤波器滤除高次谐波,输出与补偿指令相同的补偿电压来补偿电网电压的畸变。
但是补偿电压从串联变压器原边输出到副边时,由于内阻和漏感的影响,副边输出的电压幅值和相位都会偏移,当负载变化时,在内阻和漏感上产生的压降会使输出电压也随之变化,从而影响补偿精度。
反馈控制:
图2-3反馈控制图
反馈控制如图2-3所示,反馈控制以负载电压作为输入信号,控制器通过比较负载电压与参考电压的差值来提供补偿电压,反馈控制对负载电压进行直接控制,输出电压精度高,对负载变化的适应性也相对较好。
反馈控制的具体过程为标准正弦波与实时采集的负载电压相减得到电压差
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 动态电压恢复器DVR策略研究仿真与硬件搭建包括文献翻译与原文 精品 动态 电压 恢复 DVR 策略 研究 仿真 硬件 搭建 包括 文献 翻译 原文