動態(tài)電壓恢復(fù)器（dvr）畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　課題背景…………………………………………………………2</p><p>　　課題內(nèi)容概述……………………………………………………5</p><p>　　課題方案設(shè)計……………………………………………………6</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計安排………………………

2、……………………………13</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………14</p><p><b>　　一、課題背景</b></p><p>　　電壓質(zhì)量問題可分為三類：第一類是電壓偏移，包括電壓暫跌、電壓突升、</p><p>　　閃變等；第二類是供電連續(xù)性，包括瞬時斷電、暫時斷電、持

3、續(xù)斷電；第三類</p><p>　　是波形和相移方面，如諧波電壓、三相電壓不對稱等。</p><p>　　目前，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，如諧波，三相不對稱，閃變等仍然存在，而且嚴(yán)重性還在增加。但更值得注意的是：人們逐漸將傳統(tǒng)的供電質(zhì)量問題，諸如供電中斷，電壓長時間偏高或偏低等穩(wěn)態(tài)供電質(zhì)量問題的注意力，轉(zhuǎn)向關(guān)注動態(tài)電壓質(zhì)量問題，如持續(xù)時間甚至為毫秒級的動態(tài)電壓突升，脈沖，電壓暫跌和瞬時供電中斷，

4、這些都是近年來隨著社會信息化的日益廣泛而逐漸暴露出來的新的電能質(zhì)量問題形式。</p><p>　　根據(jù)各國學(xué)者和電力部門的統(tǒng)計和分析，電壓跌落和瞬時供電中斷被認(rèn)為是影響許多用電設(shè)備正常安全運行的最嚴(yán)重的動態(tài)電能質(zhì)量問題。電壓的波動會使電動機轉(zhuǎn)速不均勻，不僅危及電動機的安全運行，而且還影響一些產(chǎn)品的質(zhì)量，會引起照明的閃變，使人眼疲勞而降低工效。當(dāng)電壓跌落到0.7p.u，持續(xù)時間超過6個基波周期將會導(dǎo)致調(diào)速電動機(V

5、SD)被切除；電壓跌落至0.6p.u，持續(xù)時間超過12個基波周期又將會影響計算機設(shè)備的安全運行；在現(xiàn)代工業(yè)中由于任一設(shè)備的作業(yè)中斷都將可能導(dǎo)致整個流水線甚至全廠作業(yè)的中斷，造成的損失非常巨大，因此工業(yè)用戶對供電質(zhì)量的要求比其中單個敏感用電設(shè)備更高。電壓跌落對信息業(yè)的影響也很大，據(jù)估計80％服務(wù)器出現(xiàn)癱瘓以及用戶端45％左右數(shù)據(jù)丟失和出錯均與此有關(guān)。</p><p>　　對于電壓跌落、電壓突升和瞬時中斷等動態(tài)電能質(zhì)

6、量問題，它的特點是突</p><p>　　發(fā)性和不可預(yù)期性即源頭不明時間也不定，我們可以采用重點用戶單獨保護(hù)的</p><p>　　策略。目前大部分用戶使用不間斷電源(UPS)來解決這一問題，使用不見斷電源</p><p>　　可以比較完善的解決用戶端的電壓質(zhì)量問題，但由于其容量一般和用戶端負(fù)載</p><p>　　的容量相當(dāng)，所以成本非常高

7、，尤其在大功率的應(yīng)用場合，其應(yīng)用更是受到了</p><p>　　很大的限制。同時，根據(jù)統(tǒng)計，80％以上的造成破壞的電壓故障為電壓跌落，并</p><p>　　且75％以上的電壓跌落在30％以下。所以有必要針對這一特點研制新型的設(shè)備以</p><p>　　求在補償效果和成本之間達(dá)成統(tǒng)一。</p><p>　　動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic vo

8、ltage Restorer，DVR)就是針對這一特點進(jìn)行研制的。動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)串接在電源和敏感負(fù)荷之間，是一種采用電力電子技術(shù)實現(xiàn)的電壓補償裝置，其主要的補償對象是電壓跌落，同時能夠?qū)χC波、閃變、不對稱等多種電壓質(zhì)量問題提供補償。當(dāng)電壓跌落發(fā)生時，DVR可以在毫秒級內(nèi)將電壓跌落補償成正常值。由于DVR只是在電壓跌落出現(xiàn)時，提供負(fù)荷滿足正常電壓所需的功率消耗，負(fù)荷所需的大部分功率還是由電源提供，因此其容量只需設(shè)計到負(fù)載容量的3

9、0—50％之間，使成本得到了降低，因此它是抑制電壓跌落的最有效的補償裝置。由于它是一種比較理想的用戶端電壓電能質(zhì)量的保護(hù)裝置，所以已成為國內(nèi)外的一個研究熱點。</p><p>　　目前動態(tài)電壓恢復(fù)器的理論研究主要集中在主電路結(jié)構(gòu)和控制方法上。在</p><p>　　主電路結(jié)構(gòu)方面，主要研究不同的三相系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)對故障電壓補償效果的</p><p>　　區(qū)別。在控制

10、方法的研究方面，主要的熱點是如何快速準(zhǔn)確的捕捉畸變電壓，</p><p>　　并對其進(jìn)行很好的補償，這其中最主要的是對不平衡畸變電壓的補償，和在儲</p><p>　　存能量一定的情況下盡量的延長補償電壓跌落的時間，即能量優(yōu)化的補償方式。</p><p>　　供電電壓質(zhì)量問題的日益嚴(yán)重，同時用戶端敏感負(fù)荷對電壓質(zhì)量要求的漸</p><p>　

11、　趨提高，使得電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)設(shè)備的研制顯得愈發(fā)重要。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是一種新型的用戶端電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，它主要的補償對象是電壓的跌落，同時對閃變、諧波等電壓問題有較強的抑制作用。在如今這個越來越離不開電的今天，尤其是存在許多對電能質(zhì)量要求越來越高的敏感負(fù)載，設(shè)計一個有效的動態(tài)電壓恢復(fù)器具有很現(xiàn)實的意義。這可以提高所用電能質(zhì)量，避免許多因電能質(zhì)量問題而引起的負(fù)載損害，減少了經(jīng)濟損失，從而為國民經(jīng)濟更健康發(fā)展提供保障。</p&g

12、t;<p>　　此處，我們的課題研究的是三相對稱敏感負(fù)載電路中，應(yīng)用DVR來補償電壓的波動，屬于比較基本的DVR研究與設(shè)計。當(dāng)然在此基礎(chǔ)上可以研究更多更深入一些，比如考慮諧波影響、考慮不對稱負(fù)載等，在此處就不再過多研究。</p><p><b>　　二、課題內(nèi)容概述</b></p><p>　　（一）畢業(yè)設(shè)計題目：動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的研究與設(shè)計（硬

13、件）</p><p>　　（二）畢業(yè)設(shè)計任務(wù):對動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的理論進(jìn)行分析與研究。設(shè)計一臺樣機，參數(shù)為：容量500VA，電壓補償范圍為0-66V，補償后電壓的失真度小于8%。具體要求為：</p><p>　　研究動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的理論，并進(jìn)行仿真；</p><p>　　對動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）的主電路、控制電路和檢測電路進(jìn)行設(shè)計計算，選型與調(diào)試

14、； </p><p>　　掌握動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）軟件編程及調(diào)試。</p><p>　　（三）畢業(yè)設(shè)計基本內(nèi)容（主要硬件設(shè)計部分）：</p><p>　　1.查閱資料、分析研究此設(shè)計的基本原理及使用的方法，含硬件電路的設(shè)計以</p><p>　　及DSP軟件編程等。</p><p>　　2.使用MATLAB/SIM

15、ULINK仿真軟件模擬DVR和輸電系統(tǒng)的其他部分，對本次畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行理論論證，并對硬件部分各元器件（電阻、電感等）的參數(shù)進(jìn)行選擇、改進(jìn)，從而達(dá)到最佳效果。</p><p>　　3.按照選定的元器件焊接硬件電路并與軟件編程結(jié)合，調(diào)試直至達(dá)到預(yù)期效果。</p><p><b>　　三、課題方案設(shè)計</b></p><p>　　1、動態(tài)電壓恢復(fù)器（D

16、VR）的工作原理：</p><p>　　動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)是一種電壓源型電力電子補償裝置，串接于電源和敏感負(fù)荷之間，相當(dāng)于一個受控電壓源，能夠產(chǎn)生任意幅值、相位和波形的電壓。它具有很好的動態(tài)性能，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或凸起時，能在很短的時間(幾個毫秒)內(nèi)將故障處電壓恢復(fù)到正常值。</p><p>　　其在電力系統(tǒng)中的配置如圖1所示。從圖中可以看出，在配電系統(tǒng)正 常供電情況下，DVR工

17、作在備用狀態(tài)，對系統(tǒng)無任何影響。而當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障或者系統(tǒng)中某條支路發(fā)生故障影響其它之路的時候，DVR立即(幾毫秒以內(nèi))向系統(tǒng)注入補償電壓，用以補償故障下的電壓差，使負(fù)荷端感受不到系統(tǒng)電壓的任何變化，始終工作在要求的電壓等級。DVR注入電壓的幅值和相角均可控制，可補償所需的有功和無功，補償時間可以根據(jù)敏感負(fù)荷的要求以及系統(tǒng)故障的特征來預(yù)</p><p>　　先配置，它是目前國際上使用的越來越多的新型電能質(zhì)量補償

18、置。</p><p>　　圖1 DVR在電力系統(tǒng)中的配置圖</p><p>　　2、動態(tài)電壓恢復(fù)器——主電路結(jié)構(gòu)：</p><p>　　動態(tài)電壓恢復(fù)器作為一種補償電壓畸變的電力電子裝置，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知動態(tài)電壓恢復(fù)器是由儲能裝置（整流裝置）、逆變器、無源濾波器、變壓器等組成。下面分別介紹這幾部分的設(shè)計。</p><p>　　圖2

19、動態(tài)電壓恢復(fù)器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1 儲能裝置的設(shè)計：</p><p>　　儲能裝置一方面為逆變器提供直流側(cè)電壓，另一方面當(dāng)動態(tài)電壓恢復(fù)器需</p><p>　　要有功功率輸出時輸出能量，目前主要使用蓄電池或電解電容來實現(xiàn)。現(xiàn)在有些研究機構(gòu)嘗試使用超導(dǎo)線圈、飛輪來代替，由于技術(shù)較為復(fù)雜，成本較高，所以目前應(yīng)用前景不太光明。只是由于在動態(tài)電壓恢復(fù)器的運

20、行中，有時電壓跌落會持續(xù)較長的時間，此時動態(tài)電壓恢復(fù)器就可能需要有大量的有功功率輸出。直流側(cè)僅使用電解電容無法解決這一問題，而使用蓄電池會增加成本。如果為直流側(cè)再加入一個整流電路，它就可保證對40％左右的電壓跌落提供永久的補償。由于動態(tài)電壓恢復(fù)器的設(shè)計容量一般為負(fù)荷容量的30％左右，所以使用這種方法完全可以滿足需求，同時所需成本較低。</p><p>　　對于直流側(cè)的整流電路可以有很多種結(jié)構(gòu)，常用的主要是這三種，

21、用二極管整流橋作為整流電路、升壓斬波電路作整流電路和三相PWM整流電路。其中二極管整流電路有許多缺點，比如直流側(cè)電壓不可控、電壓跌落嚴(yán)重時不能保證直流側(cè)的穩(wěn)定等等。升壓斬波電路作整流電路對動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）進(jìn)行供電時，由于DVR工作時電源電壓處在跌落的情況下，若利用二極管整流電路，當(dāng)電源跌落太大時將不能長時間保證負(fù)載電壓的穩(wěn)定，而升壓斬波電路作整流電路可以解決這一問題，它可以動態(tài)的調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，并且可以在電源電壓下降時保證直流側(cè)

22、電壓穩(wěn)定，從而保證DVR正常工作。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 升壓斬波電路整流部分結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　而此次設(shè)計采用的DVR整流裝置為圖4所示的三相PWM整流電路，這也是目前廣泛采用的整流裝置。用此電路來控制直流母線電容電壓，可以使DVR裝置的有功功率返回電源，因此在發(fā)生電壓突升或跌落等電壓質(zhì)量問題時，直流母線電容上的電壓都可以保持大致不變，實現(xiàn)了DVR裝置四

23、象限運行的要求。而且將PWM整流電路安裝在電網(wǎng)側(cè)時的DVR裝置的串聯(lián)變壓器、電壓源逆變裝置、PWM整流電路所對應(yīng)的基波容量要比PWM整流電路在負(fù)載側(cè)時要小。</p><p>　　圖4 三相PWM整流電路</p><p>　　2.2 逆變器結(jié)構(gòu)：</p><p>　　動態(tài)電壓恢復(fù)器的逆變器（DVR）結(jié)構(gòu)有三相全橋、三個單相橋拼成三相全橋等。逆變器采用三個單相橋拼成

24、三相的方式可以方便的適用于三相四線制和三相三線制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較靈活，穩(wěn)定性較強，比較適用于大功率場合，不過需要三個單相共計12個開關(guān)管，所以成本較高。而使用三相全橋只需6個開關(guān)管，成本較低。普通的三相全橋為三線制，不能對零序進(jìn)行補償，如果采用一種改進(jìn)的三相全橋結(jié)構(gòu)，即從直流側(cè)的中點引出第四根線，就可以解決這一問題。整個結(jié)構(gòu)在不補償零序時相當(dāng)于普通的三相全橋，在補償零序時相當(dāng)于三個半橋。從而在補償零序和系統(tǒng)成本方面達(dá)到了統(tǒng)一。不過采用這種

25、結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中一個橋臂發(fā)生故障時，三相均不能正常工作，所以穩(wěn)定性較差，比較適合工作在小功率的場合。逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參見圖5。</p><p>　　圖5 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p><b>　　耦合方式：</b></p><p>　　在不同的應(yīng)用場合，DVR與系統(tǒng)的耦合方式主要分為兩種：采用串聯(lián)變壓器</p><p>

26、　　耦合和采用電容器耦合。常用的方式是采用串聯(lián)變壓器耦合，這種方式的好處是可以采用升壓變壓器，從而降低逆變器直流側(cè)電壓等級，在電壓較高的應(yīng)用中，這可以提高裝置的可靠性，同時可以更加靈活地選擇開關(guān)器件。此種耦合方式另一個重要的優(yōu)點是將逆變器和電網(wǎng)隔離了，從而使得直流電容上的能量可以由系統(tǒng)整流得到。在本課題設(shè)計中采用串聯(lián)變壓器耦合的方法。</p><p><b>　　輸出側(cè)濾波器：</b><

27、;/p><p>　　在DVR裝置中，如果采用電容器耦合方式，則逆變器輸出側(cè)加裝電抗器和</p><p>　　藕合電容一起構(gòu)成濾波器。采用串聯(lián)變壓器藕合方式時，就必須加裝額外的濾</p><p>　　波器。濾波器的安裝位置有多種，不同的安裝位置對于DVR的性能和串聯(lián)變壓</p><p>　　器的設(shè)計都有很大的影響。采用串聯(lián)變壓器后，輸出側(cè)濾波器的安

28、裝位置可能</p><p>　　有以下的情況，如圖6中A、B、C所示：</p><p>　　圖6 輸出側(cè)濾波器安裝位置圖</p><p>　　如果在逆變器出口裝設(shè)濾波器(A處)，那么將濾除輸出電壓中的高次諧波(主要是開關(guān)頻率及其整數(shù)倍)，這將降低串聯(lián)變壓器的設(shè)計容量。這種方法最大的問題是濾波器容易帶來補償電壓的相移以及幅度的衰減。因此必須根據(jù)裝置的容量設(shè)計相移小，

29、衰減少的濾波器。同時還要對控制器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，加入一定的補償措施。</p><p>　　如果將濾波器安裝于線路上(C處)，可以利用L2的設(shè)計消除串聯(lián)變壓器漏抗分布參數(shù)的影響。同時由于L2，C2的存在，使測量負(fù)載電流變得容易，從而可以進(jìn)行電流模式控制。但這種方式并沒有解決串聯(lián)變壓器的設(shè)計難題。</p><p>　　如果采用串聯(lián)變壓器跨接電容器濾波的方式(B處)，則可以利用串聯(lián)變壓器的漏

30、抗作為濾波電感，但串聯(lián)變壓器仍然要承受高次諧波，同時這種方式濾波效果也不是很好。</p><p>　　綜合考慮設(shè)計的難度和裝置應(yīng)用的范圍，我們采用在圖中A處裝設(shè)LC濾波器的設(shè)計方案。</p><p>　　3、動態(tài)電壓恢復(fù)器——控制電路的結(jié)構(gòu)：</p><p>　　動態(tài)電壓恢復(fù)器作為動態(tài)電壓質(zhì)量補償裝置，其基本功能是動態(tài)補償電壓凹陷，同時也應(yīng)該能夠補償如電壓諧波，不平

31、衡等穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題。DVR要想實現(xiàn)上述功能，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是能快速、無偏差地測出所需補償?shù)幕冸妷悍至?。因為只有把畸變電壓分量?zhǔn)確地檢測出來才能實現(xiàn)對畸變電壓的補償。</p><p>　　本課題中使用的DVR輔助電路包括以下大部分：檢測電路、調(diào)理電路、DSP</p><p>　　模塊、驅(qū)動電路，如圖7所示。</p><p>　　圖7 DVR控制模塊</p

32、><p>　　其具體的控制過程是：檢測量電壓經(jīng)過電壓霍爾傳感器后變成弱電信號，經(jīng)信號處理電路變成DSP模塊輸入要求的0～3V信號。同時為了保證同一時刻對輸入信號進(jìn)行采樣和避免頻率變化引起采樣信號出現(xiàn)的誤差，需要同步信號首先通過電壓霍爾元件實現(xiàn)控制電路與主電路的隔離。這樣能夠避免主電路中大電流流過時帶來的干擾。霍爾元件具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點。互感器把電壓信號變成了電

33、流信號送入控制板，先經(jīng)過電阻變成電壓信號，再經(jīng)過有源二階低通濾波。這個過程中用到調(diào)理電路，將電壓信號最大幅值：-1.5V～1.5V變?yōu)樽畲蠓禐?～3V，并通過二階低通濾波。之后得到的電壓信號輸入到DSP模塊中用來啟動A／D采樣和轉(zhuǎn)換。信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后，通過軟件編程，檢測算法進(jìn)行運算，計算出電壓補償量的大小，最后通過計算產(chǎn)生PWM脈沖信號，送往IGBT驅(qū)動保護(hù)電路以驅(qū)動IGBT工作產(chǎn)生所需要的補償信號。</p><

34、;p>　　這里要注意一些硬件設(shè)計的接線問題。比如電壓霍爾傳感器的輸入端接地應(yīng)與220V輸電線路接地相同，而其輸出端的低壓信號電路的接地不允許與前者相同。對于其中的一些電阻值得選取必須保證DSP模塊的輸入最大電壓幅值為0～3V，這在該課題以后的設(shè)計過程中必須注意到。</p><p>　　關(guān)于硬件部分的具體電路設(shè)計會是本課題以后研究的重點任務(wù)，包括主電路以及輔助電路的設(shè)計。而對于軟件編程部分在此處不做重點討論，

35、由另一位同學(xué)完成。</p><p>　　4、綜合上面的討論可得到本次畢業(yè)設(shè)計的總的框圖，如圖8所示。由圖可以清楚的看見，對于硬件設(shè)計部分，</p><p>　　圖8 DVR總體設(shè)計框圖</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計安排</b></p><p>　　上學(xué)期8---13周 譯文、查找資料、熟悉文獻(xiàn)</p

36、><p>　　上學(xué)期14—19周 設(shè)計思路、方案選擇確定</p><p>　　下學(xué)期1－2周 畢業(yè)設(shè)計開題、畢業(yè)實習(xí)</p><p>　　下學(xué)期3--7周 硬件設(shè)計、軟件編程并用MATLAB/SIMULINK軟件仿真，確定并修改元件參數(shù)</p><p>　　下學(xué)期8--9周 中期答辯</p><p>

37、;　　下學(xué)期10-12周 焊接硬件電路</p><p>　　下學(xué)期13周 結(jié)合程序進(jìn)行實際調(diào)試直至達(dá)到預(yù)期效果</p><p>　　下學(xué)期14-15周 完善畢業(yè)設(shè)計論文 參加終期答辯</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北

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