1、 毕业设计 （ 论文 ） 题目名称：动态电压恢复器（ DVR）的仿真与测控电路的设计 院系名称：电 子 信 息 学 院 班 级：电 气 092 班 学 号： 200900474231 学生姓名：王 尚 飞 指导老师：巫 付 专 2013 年 5 月 中原工学院毕业设计（论文） 动态电压恢复器（ DVR）的仿真与测控电路设计 The Control 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 092 学 号： 200900474231 学生姓名： 王 尚 飞 指导教
2、师 ： 巫 付 专 2013 年 5 月 论文编号 ： 200900474231 中原工学院毕业设计（论文） 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。 本文以动态电压恢复器为研究对象，首先介绍了其工作原理以及基本结构，以及其系统的 Matlab 仿真，其次又主要从硬件设计方面对整个控制电路进行了设计，最后还简单的介绍了一些软件算法与控制算法。 在硬件方面，设计电源电路、检测电路、调理电路，将截止频
3、率设置成 500Hz，对电路中元器件的参数进行设计， 并将电源电路、调理电路在 Multisim 的环境下进行了仿真，制成了电路板，然后对电路的驱动以及对于光电隔离进行了硬件设 计。 在软件方面，介绍了四种信号检测算法，并进行分析，介绍 PID 算法控制，重点讲解了软件编程中 SPWM 波形的生成算法。 关键词 :动态电压恢复器，硬件电路， Multisim 仿真，控制算法 中原工学院毕业设计（论文） Abstract With the development of modern science and technology,the nonlinear loads and powerelect
4、ronics equipment are widely applied.Those loads are generally sensitive to electricaldisturbances which may cause them to malfunction or even to fail.Among various powerinterruption or disturbance factors,voltage sags are currently the largest cause of disruption inpower supply systems. In this pape
5、r, the dynamic voltage restorer as the research object . First , introduced its working principle and basic structure, as well as its system Matlab simulation, and secondly from the hardware design of the main aspects of the entire control circuit has been designed, and finally introduces some simpl
6、e software algorithm and control algorithms. In terms of hardware, I designed the power circuit, detection circuit, conditioning circuit, the cutoff frequency is set to 500Hz, And the components in the circuit design parameters. The power supply circuit, conditioning circuit were simulated in Multis
7、im, And I put them into a circuit board. Then drive on the circuit and optical isolation for the hardware design. On the software side, this paper describes four signal detection algorithms, and it describes PID control algorithm, It focuses on explaining the software programming SPWM waveform gener
8、ation algorithm. Key words: dynamic voltage restorer, the hardware circuit, Multisim simulation, control algorithm. 1 目录 1 绪论 . 2 1.1 研究背景与意义 . 2 1.1.1 现代电能质量问题 . 2 1.1.2 电压凹陷问题 . 3 1.1.3 电压凹陷的成因 . 3 1.1.4 电压凹陷的危害 . 4 1.1.5 电压凹陷的解决方案 . 4 1.2 研究现状 . 5 2 动态电压恢复器的工作原理与结构 . 6 2.1 动态电压恢复器的基本结构与原理 . 6 2.2
9、 同相位补偿的 MATLAB 仿真与分析 . 7 3 动态电压恢复器测控电路的设计与分析 . 10 3.1 检测电路 . 10 霍尔传感器 . 10 交流电流互感器 . 10 电阻分压 . 10 3.2 调理电路 . 12 3.3 电源电路 . 17 3.4 过零检测电路 . 19 3.5 光隔电路的设计 . 20 3.6 驱动触发电路 . 22 4 电压信号的检测方法对比 . 26 4.1 交直流变换采样 . 26 4.2 均方根法 . 26 4.3 傅里叶分析 . 27 4.4 基于瞬时无功理论的坐标变换 . 28 5 软件分析 . 29 5.1 SPWM 的生成 . 29 5.2 主程序
10、流程图 . 32 6 结论 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 36 附录 . 37 2 1 绪论 1.1 研究背景与意义 在现代社会工业发展中， 电能 已经 是最主要也是最广泛的能源形式 之一 ， 它具有经济、实用、清洁且容易控制和转换的等特点。电能 也 在人民生活和工业生产中有着举足轻重的作用，电能质量 问题也是 直接关系到国民经济的总体效益 的因素 。上世纪 80 年代以来，随着高新技术的发展和应用，现代用电设备对电能质量的要求 越来越高 。许多用户设备中都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件 , 它们对各种电磁干扰都 非常的 敏感。而另一方面具有 非线性负荷特征的设备在电力系统中
11、 的 应用 也越来越广泛 ，这些设备的运行 可能会 使电网中电压和电流波形畸变越来越严重，而且 有时 还会产生严重的电压波动、电压闪变和负序分量等电能质量问题。 为满足高效 的现代化 生产 , 维护用电设备的正常运行 , 越来越多的用户向供电企业提出了高质量供电的要求。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验结果，维持人民生活和生产正常进行 都 有 十分 重要意义。 1.1.1 现代电能质量问题 现在对电能质量的定义，不同的部门有不同的定义 ， 例如， 国际电气与电子工程师协会 (IEEE) 采用的是 “Power Quality” ， 他们 对电能质量给出的定义
12、是：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备完全正常工作的。并认为电能质量问题是在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、电流谐波和电气噪声等。同时，电能质量还应包括电力系统的可靠性问题，包括系统的容量储备和安全性等。在 早期对电能质量的认识主要局限在电网频率和电压水 平， 即主要强调供电系统稳态的特征，而不考虑其暂态特征的影响，电力供应企业对电能质量的控制手段主要 是 依赖于对 供电电压的调整。 目前虽然传统的电能质量问题如谐波、闪变、三相不对称等依然存在，而且 严重性还在增加。但是近些年来随着高新技术 的 飞速发展，精密机械
13、加工、微型电机、基于微处理器检测控制用电设备和各种电力电子设备在电力系统负荷中占的比例 不断 增加， 它 们对系统干扰比一般机电设备敏感，对供电质量的要求 也很中原工学院毕业设计（论文） 3 高 ， 就是 仅仅几个周期的供电中断或电压瞬间凹陷都将影响这些设备的正常工作，甚至引起生产中断或者生产报废品，造成巨大的经济损失。这类电能质量问题称为现代电能质量问题， 它 主要包括暂态过电压、电压凹陷、电压瞬间上 升、供电瞬间中断问题。 1.1.2 电压凹陷问题 与 其它现代电能质量问题一样，电压凹陷是近年来才引起关注的。在国外有调查表明，对电力用户影响最大的电能质量问题就是电压凹陷。电压凹陷容易引起计
14、算机系统混乱、调速设备跳闸以及机电设备误操作等， 它 是使敏感设备不能正常工作的主要原因，已经成为影响用电设备安全稳定运行的最 主 要 的 电能质量问题。电压凹陷是指电压有效值在短时间突然下降的，又 叫做 电压瞬间跌落、电压骤降、电压下凹、电压暂降等。 国外对电压凹陷也有不同的称呼，有 voltage sag(IEEE) 和 voltage dip(IEC)两种。在对电压凹陷进行定义时也存在 着 差别，根据国际电气与电子工程师协会 (IEEE)的定义，电压凹陷指电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定 值的 10% 90%，持续时间为半个工频周期到 1 分钟，然后回升至正常值附近。而国际电工委员
15、会 (IEC)标准对电压凹陷的定义则是：电力系统中工频电压有效值迅速下降到额定值的 1% 90%，持续时间为 l0ms 到 1 分钟。电压凹陷的特征可以用四个量来描述：凹陷幅值、持续时间、相位跳变和电压凹陷频次 。 1.1.3 电压凹陷的成因 电压凹陷产生的原因主 要有系统短路故障、雷击、大功率器件启动等几个方面 ， 电力系统中发生瞬时短路故障是电压凹陷发生的主要原因。目前配电系统中的线路主保护是电流保护，但是该保护下线路中大部分区域上的故障不能无延时地切除。在线路某处发生短路故障到保护装置动作将其隔离的这段延迟的时间即内会造成 很大的损害， 故障线路所连母线的其他线路 就会 出现电压凹陷。同
16、时由短路故障引起的电压凹陷可能沿着电网扩散而给大量用户造成问题。这种原因导致的电压凹陷是由故障类型和故障点距离以及继电保护装置水平来决定的。雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电也是造成电网电压 凹陷的主要原因，特别是在雷电发生较多的地区。因雷击引起的电压凹陷持续时间比瞬时短路故障引起的要长，而且影响的范围很广，其特征量与系统的绝缘水平、线路结构、所处环境等有关。大功率电机启动时也会导致附近区域电压的出现凹陷现象。这种电压凹陷中电压下降的幅度一般不大，但是持续时间比前两种情况都要长。电动机在启动中原工学院毕业设计（论文） 4 时，启动电流远大于正常时电流，且功率因数很低，其对附近变电站母线的影响比
17、正常工作时扩大数倍，因此会造成附近电压降低，电机在所处线路上所占负荷比重越高，发生电压凹陷时情况越严重。 1.1.4 电压凹陷的危害 在 众多的电能质量问题中 ， 电压凹陷和电压短时中断被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最主要的电能质量问题，其发生的频率最高、影响最为严重、造成的经济损失最大。电压凹陷会导致逻辑控制器误动、调速装置失灵、使接触器与辅助继电器断开、计算机系统的数据丢失等，从而造成很大的工业损失。在国外对电压凹陷的检测已经很早就开始了，从一些公布的情况中可以看到其严重的危害性。加拿大电气协会从 1991 年开始用三年时间对电能质量问题进行调查，在 550 个供电点上进行电能质
18、量监测，测量结果表明平均每个用户每月发生 38 次电压凹陷，且几 乎 天 天都 在 发生， 这 给工业生产造成了严重损失。美国的 300 多个电能质量监测器的观测数据表明：高达 92%的扰动事件是持续时间不到 2 秒钟的电压凹陷。英国一家造纸公司平均每年要遭受 30 次电压凹陷，而每次造成的损失不少于 14 万英镑。 可以看出，电压凹陷已成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰，是现代电能质量问题的重心。因此，解决电压凹陷问题 是十分 必要 。 1.1.5 电压凹陷的解决方案 由 于现代电网规模越来越大，电压等级也越来越高，所以抑制故障的成本也很 高。而故障清除操作的改进成本也很高，
19、且只能依靠继电保护 技术的进步。但这些方法价格昂贵而效率很低，运行时功率损耗也比较大，补偿的精度也不高。所以必须克服上述方法的不足，找出成本低、效果好、能耗低的补偿方法 是十分有必要的 。 对于电压凹陷的危害，可从电力系统和电力用户两个方面采取措施来解决：在系统侧的措施主要包括两种：减少电网故障和改进系统故障清除操作。但是由于 在电力用户侧的措施主要是加装处理装置。早期的做法是采用不间断电源、采用大功率电力电子技术和配电自动化技术综合 应用 ，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电能供应。 而 动态电压恢复器 (DynamicVoltage Restorer-DVR)是其
20、中的主要产品之一。 中原工学院毕业设计（论文） 5 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
21、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。 中原工学院毕业设计（论文） 6 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 图 2.1.1 工作原理图 从上图中我们 我们可以看到， DVR 系统的工作原理如下： 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，检测到的电压信号通过调理电路进入 DSP 中，调理电路其
22、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。
