1、摘 要由于現代科技的發展，非線性負載和電力電子裝置應用廣泛，它們對電壓擾動極其敏感，幾個周波的電壓擾動可能導致它們失靈或徹底損壞。在各種電壓擾動或干擾因素中，電壓跌落尤為明顯，并已成為影響諸多用電設備正常運行的非常嚴重的動態電能質量問題。而且電壓跌落具有不可預見性，影響范圍較大，會造成相當大的經濟損失。因此，利用補償裝置消除瞬時電壓跌落、提高電能質量非常必要。本文以動態電壓恢復器（dynamic voltage restorer,dvr）為研究對象，首先介紹了研究dvr的目的意義和dvr的發展概況，闡述了其主電路結構和工作原理，并對主電路結構的選擇以及參數的設計進行了理論分析。其次，在目前跌落

2、電壓特征量的檢測方法中，基于瞬時無功功率理論的單相dq變換檢測方法應用廣泛，但需要考慮由單相電壓虛構三相電壓的問題。本文討論了hilbert變換檢測法和小波變換檢測法，并通過仿真比較，確定小波變換檢測法具有較好的檢測性能；對比了目前廣泛使用的滯環控制和定時控制兩種跟蹤型pwm控制方式，選取定時控制的瞬時值比較方式作為dvr中pwm逆變器的控制方法。最后，在理論研究的基礎上，應用matlab中的simpowersystems工具箱對dvr進行了建模仿真，對比了電網中發生電壓跌落、電壓上升和電壓跌落并伴有諧波等幾種電能質量問題時dvr的補償性能。仿真結果證明了dvr所采用的檢測方法和控制策略的正確

3、性，且具有較好的補償特性，且能夠同時解決電網中的多種電能質量問題。關鍵詞：電能質量；動態電壓恢復器；電壓跌落；matlab仿真abstractwith the development of modern science and technology,the nonlinear loads and powerelectronics equipment are widely applied.those loads are generally sensitive to electricaldisturbances which may cause them to malfunction or even

4、 to fail.among various powerinterruption or disturbance factors,voltage sags are currently the largest cause of disruption inpower supply systems.voltage sags are unpredictable,this will result in considerableeconomic losses.therefore,its very necessary that the use of compensation devices toelimina

5、te the instantaneous voltage sag and improve power quality.this paper takes the dynamic voltage restorer as the research object.firstly,the background and signification of the research work is introduced,and the domestic andoversea development of dvr is summarized,and then the system configuration a

6、nd basicoperation principle are discussed，the choose of dvr main circuit structure and the design ofthe circuit parameters are analyzed on the theory. secondly,single-phase voltage dq transform detection method based on instantaneousreactive power theory is widely used，but the construction of three-

7、phase voltage bysingle-phase need be considered.the detection method based on hilbert transform andwavelet transform are discussed and simulated to ensure that the latter has better excellentfunction.the two tracing pwm control approaches which have been widely used arediscussed,the timer-control hy

8、steresis pwm control method is fit on the dvr better.finally,the simulation model of the dvr based on the theoretical analysis is built upwith simpowersystems of matlab,and several kinds of voltage sag in the single-phaseand three-phase system are simulated respectively.the simulation results show t

9、hat thedetection method and control strategy which are used in dvr are of a good compensationcharacteristics,and dvr can solve multiple power quality problems in the power systems.key words:power quality,dynamic voltage restorer,voltage sag,matlab simulation目 錄摘 要iiiabstractiii1緒 論11.1 電能質量問題概述11.1.

10、1電能質量概念11.1.2 電能質量問題分類11.2 電壓跌落31.2.1電壓跌落產生的原因31.2.2電壓跌落的危害41.2.3電壓跌落的抑制方式41.3 動態電壓恢復器的研究與應用現狀51.3.1 國外的研究現狀61.3.2 國內的研究現狀61.4 matlab/simulink簡介71.5 本論文的主要工作72 動態電壓恢復器的工作原理與結構92.1 動態電壓恢復器的基本結構與原理92.2 dvr的工作模式92.3 dvr的電壓補償策略103 動態電壓恢復器的主電路參數設計123.1 主電路的結構選擇123.1.1 逆變器的選擇123.1.2 串聯變壓器123.1.3 輸出濾波器133.

11、1.4 直流儲能單元的選取143.2 dvr主電路參數設計143.2.1 dvr容量153.2.2 直流測電壓153.2.3 串聯側濾波電路153.2.4 主電路參數的設定154 動態電壓恢復器的電壓跌落檢測174.1 現有的電壓跌落檢測方法174.1.1 有效值計算法174.1.2 峰值電壓法174.1.3 基于瞬時無功功率理論的dq變換檢測法174.2 基于hilbert變換的電壓跌落檢測方法184.2.1 基于hilbert變換的電壓跌落檢測方法概述184.2.2 基于hilbert變換的電壓跌落檢測原理184.2.3 hilbert變換檢測的仿真模型194.2.4 短時電壓波動的檢測與

12、分析194.3 小波變換檢測法224.3.1 小波變換的理論234.3.2 小波函數的選取244.3.3 分解層數的確定244.3.4 應用小波變換模極大值檢測分析暫態電能質量問題254.3.5 短時電壓波動信號的檢測與分析265動態電壓恢復器的控制策略335.1 滯環控制比較方式335.1.1 滯環控制比較方式的原理335.1.2 基于滯環控制的系統仿真346動態電壓恢復器的仿真試驗376.1 單相系統的仿真補償試驗376.1.1 電壓跌落20%的補償試驗376.1.2 電壓跌落50%的補償試驗386.1.3 電壓跌落70%的補償試驗386.2 三相系統的仿真補償試驗396.2.1 三相電壓

13、跌落的補償試驗406.2.2 三相電壓跌落且三相不平衡的補償試驗416.2.3 三相電壓跌落并伴有諧波的補償試驗41結 論43致 謝45參 考 文 獻461緒 論1.1 電能質量問題概述1.1.1電能質量概念所謂電能質量，是指把發電廠發出的電能，看成是一種商品，從而對他的各種技術指標作出規定，以判斷其是否合格。但是由于人們看問題的角度不同，所以迄今為止，對電能質量的技術含義仍存在著不通的認識，還不可能給出一個準確統一的定義。在國外對于“電能質量”這一用詞長期以來都比較混亂直到1968年，一篇關于美國海軍電子設備用電源規范要求的研究論文最先規范使用了“power quality”這一術語，并給出

14、相應的技術定義：“喝個電能質量的概念，是指提供給銘感設備的電力和設置的接地系統是適合于該設備與設備之間的相互作用和影響，以及電源與設備之間的相互作用的影響，并以此為基礎，制定出了一系列相關的電磁兼容標準。電磁兼容術語與電能質量術語有橫打的重疊性。我國一般采用“電能質量”這一術語，對于電能質量也有不同的定義，在眾多的電能質量定義中，將電能質量定義為“導致用電設備故障或不能正常工作的電壓，電流或頻率的偏差”。這個定義比較簡明，也概括了電能質量問題的成因和后果。下面是幾種常用的定義：（1）文獻認為“電能質量”是“任何明顯引起電壓、電流或頻率偏移并由此導致用戶裝置故障或誤動作的電能問題”；（2）iec

15、(1000-2-2/4)標準將“電能質量”定義為“供電裝置正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性”；（3）ieee std.1100-1999將“電能質量”定義為“滿足電子裝置的運行條件，并能夠以一種與主布線系統及其它相關裝置相協調的方式驅動和保護電子裝置”；（4）文獻將“電能質量”簡明的表示為“電壓或電流的幅值、頻率、波形等參量距規定值的偏差”。可以看出上述的定義都主要考慮到電力用戶方，主要是為保證負荷的正常運行。1.1.2 電能質量問題分類理想的供電電壓應該是純正的正弦波形，具有標稱幅值和標稱頻率，并且三相對稱。然而由于從發電到用電各環節中的非離線因素的影響，施加到負載上的電壓幅

16、值、頻率、波形中的一相或幾相可能偏離標稱值或標準狀態。電壓波形、幅值和頻率偏離標稱值達到一定的范圍時，電力用戶和電網的運行就會受到一定程度的影響和損害，這就產生了電能質量為問題。國際電力電子工程師協會ieee根據電壓擾動的頻譜特征、持續時間、幅值變化等將其進行了細分并對供電系統典型的電磁干擾現象進行了特征分類，初步建立了“電能質量”概念體系。電能質量問題主要分為電流質量問題和電壓質量問題。系統是一電壓型電源，只要電網電壓的幅值、頻率在許可范圍之內、電壓的波形為正弦波且三相對稱，就可以認為不存在電能質量問題。本文研究的動態電壓恢復器是針對負載側電壓的動態補償裝置，因此文中所涉及到的電能質量問題主

17、要指電力系統的電壓質量。電能質量包括穩態電能質量和動態電能質量。參照美國電氣和電子工程師協會(ieee)第22標準協調委員會(電能質量)和其他一些國際委員會的推薦，描述電能質量問題的術語主要包括以下幾個：電壓不平衡(volatage unblance)、過電壓(over voltage)、欠電壓(under voltage)、電壓跌落(sag)、電壓驟升(swell)、供電中斷(interruption)、或閃變(flicker)、等。其中，前三種現象一般視為穩態電能質量問題，后者為動態電能質量問題，各種電能質量問題特點如下：(1) 電壓不平衡（voltage unbalance）：是指三項典

18、雅的幅值或相位不對稱。不平衡的程度用不平衡度（電壓負序分量和正序分量的均方根值百分比）來表示，典型的三項不平衡是指不平衡度超過2%，短時超過4%。在電力系統中，各種不平衡工業負荷以及各種接地短路故障都會導致三相電壓的不平衡。(2) 電壓跌落（sags）：電壓有效值降至額定值的10%-90% ,持續時間為0.5-30個周期。(3)電壓中斷 (interruptions) ：在一相或多相線路中完全失去電壓 (低于額定值的10% )一段時間。持續時間0.5個周期至 3為瞬時中斷；持續時間3至60s為暫時中斷；持續時間大于60s為電壓中斷。(4)電壓上升（swells）：電壓或電流有效值升至額定值的1

19、10%以上，典型值為額定值的110% -180% ,持續時間為0.5-30個周期。(5)電壓瞬變(transient)：是指在一定時間內電壓在兩個穩態量之間的變化，電壓瞬變可以是任意極性的單方向脈沖或是第一個峰值為任意極性的衰減振蕩波。(6)過電壓(over-voltages)：電壓為額定值的110%-120%，持續時間大約為1min。(7)欠電壓(under-voltages)：電壓為額定值的80%-90%，持續時間大約為1min。(8)電壓波動(fluctuations)(閃變 )：電壓波動 (閃變 )是指電壓幅值在一定范圍內有規律地或隨機地變化。其電壓幅值的變化通常為額定值的90% -1

20、10%。這種電壓波動常稱為電壓閃變。1.2 電壓跌落電壓跌落（sags，又可稱dips）是指在某一時刻電壓的幅值突然偏離正常工作范圍，經很短的一段時間后又恢復到正常水平的現象。目前，多數文獻都用跌落的幅值和持續時間來作為描述電壓跌落的特征量，但對幅值大小和持續時間的界定范圍還未形成統一的標準。例如，在ieee電能質量標準中對電壓跌落特征量的界定范圍是幅值標么值在0.10.9之間，持續時間為半個周期至1分鐘；而iec標準則用跌落前后電壓的差值與正常電壓的百分比來描述電壓跌落的深度，持續時間限定為半個周期至幾十秒。此外，有的文獻把電壓相位偏移角和發生頻率也作為描述電壓跌落的特征量。也稱為暫降、驟降

21、等。大量的統計數據表明，電壓跌落是發生在頻率最高、影響最嚴重、造成的經濟損失最大的一類動態電能質量問題，美國300多哥電能質量檢測器從1993年到1995年的觀測數據表明，高達92%的擾動事件是電壓跌落，他們的持續時間大多數不到2秒鐘。持續時間在2秒鐘到10分鐘之間的電壓中斷僅占4%，其余的電能質量問題占余下的4%。日本關西電力公司統計結果顯示：大多數電壓跌落為跌幅20%以內、持續時間100ms以內的故障。1.2.1電壓跌落產生的原因實際電力系統中，線路的阻抗不可能為零，因此當電流增加時線路兩端的壓差也隨著增大。正常運行請款下，壓差并不大，但是當線路的電流急劇增大或線路阻抗增加很大時，線路兩端

22、的電壓差將明顯增大，于是就產生了電壓跌落。因此根據電壓跌落引起的原理，可將跌落產生原因分為兩大類：一種是由電流增大引起的；另一種是由系統阻抗增大引起的。其中最常見的是電壓跌落產生原因有兩種： (1) 故障點引起的電壓跌落當輸電網或者配電網中出現電路故障時，電流急劇增大，在公共電壓連接點產生電壓跌落。同時跌落沿著電網擴散而給大量用戶造成問題。電壓跌落的幅值由短路故障類型和故障點距離決定，電壓跌落持續時間則取決于保護的類型，在半個周波到數秒鐘變化。故障分為都城和不對稱故障，因此產生的電壓跌落也可能是對稱的，也可能是不對稱的。(2) 感應電動機啟動引起的電壓跌落感應電機全電壓啟動時，需要聰系統汲取的

23、電流值是滿負荷運行時的5-10倍，這一大電流流經系統阻抗時，會引起電壓的突然下降。這種跌落的深度取決于感應電機特性和連接處的短路容量，跌落持續的時間較長。其他的如：變壓器勵磁涌流、開關操作、電容器組的投切以及上述各種因素的組合都會引起電壓跌落。1.2.2電壓跌落的危害電壓跌落已被認為是影響許多用電設備正常、安全運行的較嚴重的動態電能質量問題。電壓跌落對設備造成最直接的影響就是由于電壓較額定電壓低，當跌落持續時間較長時，設備得不到足夠的能量而無法正常工作；電壓跌落同時會引起一些保護繼電器動作，直接將設備推出運行；對于大多數微機及微電子控制設備，電壓跌落的恢復過程，會引起微機的重新啟動。會造成相當

24、大的經濟損失。電壓跌落對現代社會造成的危害總結為以下四個方面：（1）電壓跌落對人們的日常生活有很大的影響。（2）電壓跌落對信息業有很大的影響。（3）電壓跌落對大型敏感工業用戶造成很大的危害。（4）電壓跌落對現代社會廣泛應用的電子設備影響也很大。1.2.3電壓跌落的抑制方式電壓跌落的抑制可通過供電方和設備制造廠家兩方面來共同解決，對于設備制造廠家來講，要求降低設備對電壓跌落的“敏感度”，也就是提高設備對電壓跌落的“免疫力”，本文對這方面的技術不做詳細討論。對于供電方來講，應該提供給用戶的是合格的電壓，到目前為止，已有若干個產品可用來抑制電壓跌落。隨著電力電子技術、計算機和自動控制技術的迅速發展，

25、提出了一種新的補償方式，即:基于現代電力電子技術的用戶電力技術(custom power)。用戶電力技術是由美國電力科學研究院(epri)的n.g hingorani博士于1988年提出的,可以解決電壓跌落、上升、瞬時中斷等配電系統擾動所引起的種種問題。用戶電力技術是指把大功率電力電子技術和配電自動化技術綜合起來，以用戶對供電力的可靠性和電能質量要求為依據，為用戶配置所需要的電力。用戶電力技術概念的提出，有力地推動了在提高配電可靠性和優化電能質量方面應用電力電子技術控制設備的研究和實用化工作。作為基于電力電子技術的柔性交流輸電系統(facts)技術已成為改善電能質量的有力工具，該技術的核心器件

26、igbt比gto具有更快的開關頻率，因此dfacts裝置具有更快的響應特性。目前主要的dfacts裝置有：有源濾波器(apf)、動態電壓恢復器、配電系統用靜止無功補償器(d-statcom)、固態斷路器(ssts)等,其中的動態電壓恢復器是本文所要研究的內容。它串接在電源與敏感負荷之間，可以在毫秒時間內將電壓跌落補償到正常值。dvr具有極高的補償效率以及相對低廉的費用，是抑制電壓跌落的有效的補償裝置。常用的方法有:(1)變壓器分接頭調節器。目前該產品可在一個半周波內完成調整，由于受變壓器分接頭的調節范圍限制，僅在一定程度上減輕電壓跌落的影響。(2)磁諧振變壓器ctv(constant volt

27、age transformer)。在電壓跌落下降到正常值的70%時仍能提供平穩電壓支撐，效率在70%-75%，體積比標準變壓器稍大，容量通常咋20kv一下。(3)靜止開關切換sts(static transfer switch)。負荷由雙電源供電（一個備用），當供電電源發生電壓跌落時，sts可以在一個半周波內將故障電源切除，備用電源投入，效率可達99%。缺點就是造價太高，對于重要的要求嚴格的負荷可以采用。(4)不間斷電源ups(uninterruptable power supply)。在減少電壓跌落和電壓中斷影響的裝置中，ups是使用較廣泛的設備，當店員發生電壓跌落或者電壓中斷時，由ups供

28、電，提供給用戶合格的電壓，效率達到92%-97%。缺點是大榮來那個受限制，運行維護費用高。動態電壓恢復器dvr(dynamic voltage restorer)。dvr串接在電源與敏感負荷之間，當電壓跌落發生時，dvr可以在ms級時間內將電壓跌落補償成正常值。由于dvr只是在電壓跌落出現時，提供負荷滿足正常電壓所需的功率消耗，負荷所需的大部分功率還是由電源提供，因而dvr的效率很高，費用低于ups,sts，是抑制電壓跌落最有效的補償裝置。1.3 動態電壓恢復器的研究與應用現狀由于動態電壓恢復器是一種比較理想的用戶端電壓電能質量的保護裝置，所以其研究成為了國內外的一個熱點。尤其是在理論研究方面

29、。目前動態電壓恢復器的理論研究主要集中在主電路拓撲結構、檢測算法、控制方法、補償策略等方面。在主電路拓撲結構方面，主要研究不同的三相系統逆變器結構對故障電壓補償效果的區別，高壓大功率逆變器在dvr中的應用等；在檢測算法方面，主要研究如何快速準確的檢測出電網電壓的幅值，相位以及頻率的變化并生成負載電壓的參考指令；在控制方法的研究方面，主要的熱點是如何快速準確的捕捉畸變電壓，并對其進行很好的補償，保證系統具有良好的動態性能；在補償策略方面，主要研究如何在儲存能量一定的情況下盡量的延長補償電壓跌落的時間，即能量又呼阿德補償方式。動態電壓恢復器不僅在理論研究方面取得了很多的成果，而且有不少產品已經投入

30、使用，并取得了良好的效果。第一臺工業應用的dvr由西屋公司于1996年研制成功，安裝在美國北卡羅里納州duke電力公司靠近一個自動化紡織廠的12.47kv系統上，以便對全廠提供電壓跌落保護。另外在orian rugs(usa)，bonlac foods(australia)，caledonian paper(uk)等公司的網絡中均串入了dvr。如澳大利亞的bonlac食品公司在對dvr試運行后進行的數據統計表明，該公司每年減少了2，453，400澳元的損失；據美國輸配電雜志報道，由abb公司制造的兩臺容量各為22.5mva的dvr于2000年在以色列一家著名的微處理器制造廠投入運行，用以防止因

31、電壓跌落引起全廠跳閘而可能造成以百萬元計的產品成為廢品，它可以彌補500ms的三相電壓跌落的35%和單項電壓跌落的50%。可見，dvr的應用可以大大提高用戶的電壓質量和經濟效益。由此可見，動態電壓恢復器是一種非常有應用前景的電能質量補償裝置，各國的專家學者們已經達成了這樣的共識：動態電壓恢復器是改善電壓型電能質量問題的最經濟，最有效的手段。1.3.1 國外的研究現狀世界上第一臺dvr由westinghouse公司于1996年研制成功，并安裝在duke電力公司的12.47kv系統上，該裝置的容量為2mva，主要用于抑制紡織廠供應電壓的跌落。隨后abb公司研制的22kv/4mva的dvr也成功地應

32、用于半導體生產廠的故障電壓恢復，它可在系統電壓發生跌落時迅速地(幾毫秒內)提供補償電壓以維持負荷電壓恒定。此外abb公司還推出了基于igct的dvr，由于igct結合了gto和igbt的優點，這種動態電壓恢復器性能優越，逆變器可靠性高，效率和安全性也很。由abb公司制造的兩套dvr(單套容量均為22.5mva)，于2000年在以色列一家著名的微處理器制造廠投入運行，用以防止因電壓跌落引起全廠跳閘而造成數百萬美元的產品成為廢品的巨大經濟損失。該dvr可補償持續時間達500ms的三相電壓下跌35%和單相電壓下跌50%的電壓跌落。德國siemens公司的sipcon-s系列產品采用的是串聯補償的原理

33、可以補償電網電壓波動和諧波。根據西門子1998年的產品資料，可以總結出以下特點。（1）系統因故障電網電壓降到額定值的50時，sipcon-s仍能正常工作；（2）一般情況下sipcon-s的容量為負載的2050；（3）系統電壓的過沖或跌落的補償可在23ms之內完成；（4）可以補償電網電壓不平衡；（5）sipcon-s產品的容量為幾十kva到1mva，可以對6mva的負載進行補償。除了上述的動態電壓恢復器實例，世界上還有很多廠家和研究機構正在研究各自的dvr，如日本的柱上式，美國威斯康欣大學等。1.3.2 國內的研究現狀國內對電能質量補償裝置的研究總的來說還處于剛起步的階段。1998年，我國國內的

34、高等學校和科研單位才開始對動態電壓恢復器進行研究。目前，研究仍然處于理論研究和樣機研制階段，也取得了一些成果，清華大學，華北電力大學，西安交通大學，東南大學，中國科學院電工研究所等都對dvr進行了大量的研究實驗并研制出dvr的試驗樣機，所研制的dvr樣機還有待于工業環境的檢驗。但與國外相比還有很大的差距,主要是在容量和電壓等級方面，目前針對dvr的研究集中在如下幾方面：（1）能量存儲單元的充放電技術。（2）不同電壓等級下(特別是高電壓等級)主電路結構的選擇。（3）電壓跌落檢測算法以及補償指令的產生。（4）dvr補償電壓跌落的動態控制方法。1.4 matlab/simulink簡介計算機仿真是進

35、行現代科學研究的一種重要手段，在電力電子技術方面，計算機輔助分析和設計方法已成為一種公認的經濟、有效的設計方法。計算機仿真可以建立一個模擬的實驗環境，構造出復雜并且精確的電路模型。通過仿真，對其進行各方面性能的檢驗，而不需要冒著損壞器件的風險，降低了開發成本。目前，matlab及其simulink可視化仿真平臺在控制系統中應用非常廣泛，simulink是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統，也支持具有多種采樣頻率的系統。在simulink環境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建

36、模的圖形接口，采用這種結構畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有模塊化、可封裝、結構圖編程以及高度可視化等特性，使仿真建模大大簡化使用matlab軟件進行電力系統數字仿真，具有三個突出的優勢：（1）電力系統仿真工具箱功能強大，工具箱內部的元件庫提供了經常使用的各種電力元件的數學模型，并且提供了通過自己編程的方式來創建適合的元件模型的手段。（2）matlab采用scope模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結果。除此之外，用戶還可以在改變參數后來迅速觀看系統中發生的變化情況。仿真的結果還可以存放到matlab的工作空間里事后處理。

37、（3）友好的界面。模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、matlab的許多工具及matlab的應用工具箱。由于matlab和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。1.5 本論文的主要工作本文以動態電壓恢復器為研究對象，在了解動態電壓恢復器研究現狀和工作原理的基礎上，對其主電路結構的選擇、電壓跌落的檢測方法及補償電壓發生電路的控制方式做了較深入的理論分析，并用仿真軟件matlab/simulink對各部分進行建模和仿真。本文的主要內容和章節安排如下:第一章介紹了電壓跌落的定義、分類和起因，分析了電壓跌落的危害，討論了動態電壓恢復器國內外的研

38、究現狀和發展趨勢，明確了本文研究的主要內容。第二章介紹動態電壓恢復器的基本工作原理和主電路結構，對其工作模式和補償策略也進行了簡要的介紹。第三章討論了動態電壓恢復器主電路結構的選擇，并對主電路參數進行設計。第四章介紹了現有的電壓跌落檢測方法，由于它們的不足和缺陷，采用hilbert 變換與后差分相結合的方法和基于小波變換的檢測方法，并分別搭建仿真模型，通過仿真試驗校驗其檢測效果。第五章給出了目前廣泛使用的滯環控制和定時控制兩種跟蹤型pwm控制方式，通過仿真對比分析了兩種控制方法應用于動態電壓恢復器的正確性和可行性。第六章在仿真軟件matlab/simulink平臺上構建dvr仿真模型，包括dv

39、r主電路模型、dvr檢測模塊和dvr控制模塊等，結合本文所采用的檢測方法，利用該模型對不同程度的單相電壓跌落和幾種三相電壓跌落問題進行仿真補償試驗。第七章對本文所做的工作進行總結。2 動態電壓恢復器的工作原理與結構2.1 動態電壓恢復器的基本結構與原理動態電壓恢復器（dvr）是面向電力負載的串聯動態電能質量調節裝置，它相當于一個串聯在電力系統和電力負荷之間動態受控的電壓源。在配電系統正常供電情況下，dvr工作在備用狀態，其損耗是相當低的。當電網發生某種電壓質量問題時，會在幾毫秒之內向系統注入電網正常狀態和故障狀態下的電壓差，使得伏在上的電壓保持很定不變。圖2.1.1是dvr和系統連接及工作原理

40、示意圖。圖2.1dvr與系統連接及工作原理示意圖從圖中可以看出，典型的dvr大致可以分為以下幾部分：一是檢測控制單元；二是直流單元，包括直流電壓變換裝置和儲能元件；三是逆變側單元，包括逆變器、濾波器及串聯變壓器。在dvr中，每一個單元雖然在功能上相對獨立，但互有關聯，不可分割，在設計和控制上需要協調一致。2.2 dvr的工作模式本文討論的dvr有三種工作模式。圖2-2為三種工作模式的運行工作圖，分別稱為旁路模式、自檢模式和運行模式。為了簡便起見，圖中只畫出了一相。在旁路模式中，j1合上，j2j3斷開，線路電流通過j1流入負載。在這種工作模式dvr主回路不工作。自檢模式中，j3斷開，j1j2均合

41、上，線路電流仍然通過j1流入負載，主電路工作在空載狀態。運行模式中，j1斷開，j2j3合上，線路電流通過j2、串聯變壓器、j3流入負載，此時，負載側電壓經過dvr得到補償。(a）旁路模式 (b)自檢模式(c)運行模式圖2.2 dvr的工作模式合理的安排這三種工作模式，可以保證dvr安全、可靠的運行。當dvr串入線路中時，首先，應當進入旁路工作模式；然后，通過控制使其進入自檢模式，檢測串聯變壓器靠近負載側的電壓正常，再發出運行信號，使dvr投入運行，否則就對dvr進行檢查，以保證dvr是在正常的情況下投入運行的。在dvr運行過程中，如果需要檢修、負載側出現短路或者dvr本身出現故障，則應當回到旁

42、路工作狀態，以保證dvr主回路不工作，負載也不會斷電，從而保證串入dvr后并不降低供電可靠性。本文的研究側重于理論與仿真試驗，可以將工作模式簡化為退出模式和運行模式兩種，模式的轉換通過旁路開關的投切來完成。2.3 dvr的電壓補償策略在dvr的電壓補償策略選取時，一般主要考慮兩個方面:一是電壓補償能力，即在相同的直流側電壓的條件下，最大幅度的補償電壓跌落的問題；二是能量補償能力，即在相同直流電壓和儲能電容的條件下，獲得最長的補償時間。目前常采用缺損電壓補償法、同相電壓補償法和最小有功注入補償法三種電壓補償策略來對電壓跌落進行補償。缺損電壓補償法，是以跌落前的電壓相量作為參考量，注入補償電壓使負

43、荷側電壓相量的幅值和相位都不發生改變。這種算法最簡單，而且從負荷的角度來看，由于負荷側電壓相量的幅值和相位都不發生變化，因此補償的效果最好。3 動態電壓恢復器的主電路參數設計前面介紹了dvr的主電路的構成、工作模式、補償策略，這章需要考慮的是dvr的主電路結構。因為不同的主電路結構和參數會有不同的補償效果和不同的性價比。3.1 主電路的結構選擇3.1.1 逆變器的選擇dvr的核心單元是一個基于全控器件的電壓源型逆變器，用于補償故障電壓的串聯注入交流電壓就是通過逆變器對直流電壓的逆變產生的。針對dvr的逆變器拓撲結構，主要有兩種結構形式，分別為三相全橋結構和三單相橋結構。三相全橋的結構如圖3.1

44、所示。它適用于三相三線制的系統，逆變器使用三組共6只功率開關器件。控制方式上，當跌落發生時，驅動三組逆變器同時動作，對系統電壓進行補償。 圖3.1三相全橋逆變器 圖3.2單相全橋逆變器三單相全橋的結構，采用三組單相全橋的逆變器結構，各相結構相同，均如圖3.2所示。控制方式上，三組相互獨立，分別補償各相發生的電壓跌落現象，同時，三相基準參考信號的相位相隔120，保證三相的對稱性。由于我國大部分中低壓電網都采用三相四線制結構，三相電壓不平衡的情況很常見，所以我們將選用三單相橋結構。采用三單相橋的結構能方便的補償電壓不平衡。在研究三相dvr的工作原理時可簡化為討論單相的dvr,而且控制比較簡單。缺點

45、是與三相全橋逆變器相比其器件成本相對較高。3.1.2 串聯變壓器串聯變壓器對裝置的補償性能有很大影響，從電路拓撲圖上看，dvr可以不用串聯變壓器而將逆變器輸出的補償電壓經濾波后串入系統。串聯變壓器的設計與dvr的主電路結構以及系統參數等有很大的關系。是否采用串聯變壓器作為補償電壓的注入方式有兩種思路:一種是使用串聯變壓器，補償電壓通過串聯變壓器耦合到電網中去。另一種是不使用串聯變壓器，而是將補償電壓通過濾波電容直接耦合到電網中去。串聯變壓器的優點主要有兩個：一個是降低逆變器直流側電壓等級，串聯變壓器變比的引入可以減小開關器件的管壓降；另一個是電氣隔離，通過串聯變壓器，dvr可以與電網隔離。同時

46、使用串聯變壓器存在一系列的缺點:（1）逆變器產生高次諧波給變壓器設計帶來困難，使得變壓器的容量上升；（2）串聯變壓器和濾波電感、電容相互影響帶來附加的相移和電壓跌落，從而影響控制器的性能；（3）使用串聯變壓器增加了成本，而且占地面積較大。不使用串聯變壓器時，濾波電容將直接耦合在線路中。這種方案的優點是:省了變壓器，結構簡單，降低了成本，但由于沒有變壓器的降壓與隔離作用，系統電壓將通過電容直接作用于逆變器的橋臂，為了安全運行，必須提高逆變器的耐高壓等級，因此將增加了裝置的成本。由于本文研究的dvr工作于低壓電網中，電壓等級比較低，因此使用無串聯變壓器的耦合方式，可以解決變壓器所帶來的一系列問題，

47、例如逆變器橋臂所承受的整個補償電壓等，而且儲能單元的三相獨立，可以防止逆變橋各橋臂的短路。3.1.3 輸出濾波器圖3.3給出了濾波器在dvr裝置中可能的安裝位置。濾波器的位置對dvr的性能影響很大，如果將濾波器放置在逆變器側(a處)，則可以降低串聯變壓器的設計容量，這主要是濾波器可以將逆變器開關的高次諧波去掉，同時，濾波器也會引起相移和幅度的衰減，給濾波器和控制器的設計帶來了難度。如果把濾波器放置在線路側(b處)，則可以利用變壓器的漏感作為濾波電感，從而減少了一個濾波電感。其缺點在于串聯變壓器要處理高次諧波功率，它的容量必然要增大，同時濾波效果也不好。如果將濾波器放在線路側(c處)，該結構的優

48、點是可以用電感來消除串聯變壓器漏感的分布參數的影響。在控制上可以使控制器方便的取樣電感或電容電流，進行電流模式控制。因此本課題將濾波器置于a點。圖3-3濾波器放置位置示意圖3.1.4 直流儲能單元的選取系統發生故障時，dvr須向系統提供有功功率，這些能量均由dvr的直流儲能單元提供。得到有功功率的方法有以下四種方式:（1）利用大電容儲能的方式當系統未發生電壓跌落時，系統通過逆變器給電容器充電，電容器被充電到一定的數值；當系統發生電壓跌落時，逆變器向系統輸出功率，在電容電壓跌落到一定數值前，可以基本維持用戶電壓不變。因此，儲能電容器的容量決定了dvr在故障期間可以提供的能量。這種方案的優點是使d

49、vr的結構簡單、造價低、容易實現，缺點是只能提供有限的能量，限制了dvr的補償能力。隨著超級電容的出現，這種儲能方式的應用前景將更為廣泛。（2）采用不控整流方式當直流側采用不控整流時，dvr可連續獲得能量，可以補償因故障造成的穩態電壓擾動。當直流側的能量從系統整流獲得時，在系統側即使發生單相故障，其它兩相仍可提供電能維持dvr正常運行。這種方案的優點是增加了一個不控整流橋，降低了電容器的容量，成本上沒有增加多少，而且可以提供持續的能量,缺點是直流側會產生100hz的低頻紋，能量只能從系統向逆變器單方向流動。（3）采用pwm整流的方式和不控整流橋相比較，pwm整流采用的是全控型電力電子器件，控制

50、方式采用脈寬調制技術(pwm)。這種方案的優點是由于采用全控型器件，可以保證電容電壓的恒定，同時能量可以雙向流動，從而解決了電壓浪涌的問題,缺點是增加了成本，而且電路控制比較復雜。（4）超導儲能(smes)超導儲能是將能量以電磁能的形式儲存在超導線圈中的一種快速、高效的儲能裝置。這種方案的優點是具有儲存能量大、轉換效率高、響應迅速、對環境無污染、控制方便、使用靈活等優點，在電力系統中有著廣泛的應用前景。但由于超導材料的研究進展、超導部件制造水平的限制和smes運行性能的制約，超導技術目前還無法在電力系統中廣泛應用。本文研究的動態電壓恢復器主要是用于治理電壓跌落的問題，在直流儲能單元的選取上，需

51、要考慮能量的連續性，裝置的經濟性，以及控制的簡便性，因此。綜合起來，選用控制簡單、成本低的不控整流作為直流能源。同時，逆變器環節若采用一定的控制策略，可以極大的消除不控整流帶來的影響。3.2 dvr主電路參數設計dvr工作時，不僅要求故障時對故障電壓的檢測精度高，還要求其動態響應快。除了控制方法外，主電路的參數對補償性能的影響也很大。如果這些參數選取不當，會使dvr達不到滿意的補償效果，同時會提高dvr的造價。3.2.1 dvr容量dvr裝置的容量，要根據補償對象進行計算。如果負載的額定工作電流為,需要補償的電壓有效值為，負載的電壓為，負荷的功率為。為電壓變化率，則裝置的容量s為: （3.1）

52、動態電壓恢復器串聯側容量的選取決定于電網電壓變化率和負荷容量兩個因素，對于給定的負荷，dvr串聯側容量主要取決于電壓變化率。3.2.2 直流測電壓dvr是通過逆變器產生所需要的補償電壓，于是逆變器直流側電壓的大小將影響它的補償性能和補償效果。對于三相電路而言，一般要求pwm逆變器交流側相電壓大于要產生的補償電壓的峰值，即 （3.2）變壓器的副邊電壓等于原邊電壓的n倍，即 （3.3）于是有:而逆變器交流側電壓的絕對值分別為: （3.4）考慮到dvr的動態性能，一般選擇進行計算。3.2.3 串聯側濾波電路濾波器參數設計的原則是逆變器輸出的基波電壓應無衰減地通過濾波器，而其它高次諧波應受到極大的衰減

53、。取，為濾波器的截止頻率，對于不同的，濾波器對高次諧波的抑制作用也不同。理想情況下濾波器中電容和電感的選取公式： （3.5）3.2.4 主電路參數的設定基準相電壓有效值：基波頻率：負載容量：電壓跌落和上升最大的變化范圍：0.11.8逆變器使用igbt，開關頻率選取為負載相電流等效為補償電壓有效值的最大值為2200.9=198v，逆變器產生的基波電壓有效值,即,可得。取。串聯側濾波器濾除13次以上的諧波，即，為留有一定的裕度，并防止對某次諧波的共振，取，根據經驗公式可得 4 動態電壓恢復器的電壓跌落檢測dvr的功能主要是動態的補償電壓跌落，前提是必須快速、準確的檢測出電壓跌落的特征量。本章首先對

54、現有的電壓跌落檢測方法進行概述，然后著重介紹基于hilbert變換的電壓跌落檢測方法和基于小波變換的檢測方法，并對其進行相應的仿真研究。4.1 現有的電壓跌落檢測方法4.1.1 有效值計算法根據連續電壓信號有效值的定義，v(t)有效值的表達式為： （4.1）式（4.1）中，t為信號的周期。采用離散數字化的形式，對時間域內一個周期的數字量進行均方根運算： （4.2）式（4.2）中，n為一個周期或半個周期的采樣點數。有效值計算中常采用滑動平均值，即實時采集一個周期的信號，然后用一個周期的滑動平均值法進行均方根運算可求出一個新的有效值，并保持每個采樣瞬間得到新有效值。該方法計算中由于需要半個周期整數

55、倍的歷史數據，跌落發生的過渡過程緩慢，而且無法準確的求出跌落的起止時刻，因此該方法不能滿足實時性的要求。4.1.2 峰值電壓法峰值電壓法是利用在一個周期中對信號求最大值的方法，由式（4.3）計算： （4.3）式中，u(t)是采樣電壓波形，t為周期。4.1.3 基于瞬時無功功率理論的dq變換檢測法1984年，日本學者akagi h等提出瞬時無功功率理論，根據此理論可以得到瞬時有功功率和瞬時無功功率，將其分解為交流和直流，其交流部分對應于擾動電壓，由此可以計算擾動分量。由于此理論基于三相三線制電路，對于單相電路，必須首先構建三相電路才能進行擾動電壓特征量的檢測，這種方法的優點是當電網電壓對稱且無畸

56、變時，各電壓的特征量檢測比較簡單，實時性好，并且延時小，但所需硬件多，花費大。以上介紹的電壓跌落檢測方法，都存在一定的不足，只能對電壓跌落三個特征量的一個或兩個進行有效檢測，不能滿足dvr對電壓跌落檢測的快速、準確的要求，因此必須考慮新的電壓跌落檢測方法。4.2 基于hilbert變換的電壓跌落檢測方法4.2.1 基于hilbert變換的電壓跌落檢測方法概述有快速、準確的檢測出電壓跌落的幅值、相位、跳變時刻，才能及時對電壓進行很好的補償，這里采用一種hilbert變換和后差分相結合的方法，快速定位暫態電能質量擾動。該方法首先利用hilbert變換提取暫態電能質量擾動信號的包絡，然后在提取包絡的基礎上采用向后差分方法定位擾動信號。用此方法分別對電