（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）單相動態(tài)電壓恢復器的設計.pdf

肌川大學碩1 ：學位論文( 2 0 0 5 ) d e s i g no fs i n g l e p h a s ed y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r p o w e re l e c t r o n i c sa n de 1 e c t r i cd r i y e s p o s t g r a d u a t e c h e r tz h o u s u p e r v is o r z h a n gd a i r u n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y ，p o w e rc u s t o m e r sh a v em o r e a n dm o r es e v e r e l yr e q u e s t so fp o w e rq u a li t y b u tr e c e ncy e a r s ，a f t e rt h ew i d e l y u s eo fp o w e re l e c t r o n i e se q u i p m e n ta n di n f l u e n c eo fs p e c i a ll o a d ss u c ha se l e c t r i c a r cs t o v ea n de l e c t r i z e dr a i l r o a d ，t h ep o l l u t i o ni np o w e rs y s t e mb e c a m e m u c h s e r i o u st h a nb e f o r e s oi m p r o v ea n dc o n t r o lp o w e rq u a l i t yw a sb e c a m ea ni m p o r t a n t t a s kf o rm o d e r np o w e rs y s t e mi nt h i sc a s e ，an e w t e c h n o l o g yk n o w na sc u s t o mp o w e r c o m ef o r t ha n db e c o m et h em o s ti m p o r t a n ta n de f f e c t i v em e t h o df o ri m p r o v ep o w e r q u a 】i t ya tp l - o s e n t l h em e a n i e go fc u s t o mp o w e isa s i n gm o d e r np o w e re l e c t r o n i e st e e h n o l o g ie s t or e a l iz e t h ec o n t r o lo fp o w e rq u a l i t ya n d t h es e r v eo fs p e c i a lp o w e r f o rc u s t o m e r s t h ed y n a m i cv o lt a g er e s t o r e r ( d v r ) d e s i g n e di nt h i sp a p e rw a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n to fc u s t o mp o w e r t h ise q u i p m e n tc a rc o m p e n s a t et h es a g so rc o u n t e r a c t t h es w e l lso fp o w e rs y s t e mv 0 1c a g et h r o u g ht h es p e c i a lv o lc a g ep r o d u c e db yi t s e l f ， s oitc a ro v e r c o n l et h e b a di n f l u e n c ei m p o s e do nc u s t o m e r sw h i e hc o m e sf r o mt h e f l u e t u a t eo fp o w e rs y s t e mv o l t a g et h ed v rh a sb e e ns t u d i e df r o m1 a s t9 0 s o v e r s e a s a n dm a k i n gu s eo fi tn o w ，b u tw ea r es t u d y i n gi ty e t 1 l h isp a p e rm a d ed e c a l 】e da n a l y s i sa n de x p l a i eo ft h em o s tf a m i l i a rp o w e r q u a l i t yp r o b l e m t h es a g s i n p o w e rs y s t e mf i r s t l y t h e n i n t r o d u e e dt h e c o n f i g u r a t i o na n dp r i n e i p l eo fd v ra n dd e s i g nas i m p l ed v rd e v i c eb a s e do nt h e c o n d i t i o n si ne x c ir i n g f r o mt h er e s a t so fc o m p u t e rs i m u l a t ea n de x p e r i m e n t ，w e c a l ls e et h a tt h ed e v i c ea l t h o u g hh a ss o m es h o r t a g e si nd y n a m i cr e s p o n s es p e e da n d c o m p e n s a t ep r e c i s i o n ，b u ti ti 1 u m i n a t c dt h em e c h a n is mo fd v ra n de m b e d l e di t s a p p l i c a t i o nv a l t i es u r f i c i e n t l yy e t i fm o r e i m p r o v e m e n to f i t sc o n t r o ls y s t e mb e i n g d o n e ，兒s h o u i db e c o m eap r o d u c tw i t hh i g hp r a c t ic a lv a l u e k e yw o r d s ：v o l r a g es a gd y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r i g b tm c u i i 璺型查堂塑主堂堡壘苧：! ! ! 墮1 1 、概述 1 1 現代電力電子技術的發(fā)展與應用o 。 電力電子技術自2 0 世紀后期誕生以后，至今已獲得了迅猛的發(fā)展。應用 電力電子器件和以計算機為代表的控制技術對電能特別是大的電功率迸行處 理和變換，是電力電子技術的主要內容。 電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術為主的傳統電力電子學向以 高頻技術為主的現代電力電子學方向轉變。電力電予技術的發(fā)展先后經歷了整 流器時代、逆變器時代和變頻器時代，促進了電力電子技術在許多領域的應用。 上個世紀八十年代末、九十年代初發(fā)展起來的、以功率m o s f e t 和i g b t 為代表 的、集高頻、高壓和大電流于身的功率半導體復合器件的問世，表明電力電 子技術已經進入現代電力電子時代。 現代電力電子技術的應用十分廣泛，它不僅大量用于電力系統、通信、 交通運輸、計算機系統、新能源系統等，在照明、空調等家用電器等領域中也 有著廣泛的應用。具體可以概括為以下幾個方面： ( 1 ) 直流、交流傳動。直流電動機具有良好的調速性能，因此它首先在= 【： 業(yè)電氣傳動系統及牽引調速系統中得到了廣泛的應用。隨后，由于電 力電子變頻技術的迅速發(fā)展，使得交流調遽技術獲得了大量應用并逐 步占據了主導地位。 ( 2 ) 工業(yè)用直流電源( 電解、電鍍、電弧爐等) 及中頻感應加熱電源、淬 火電源等。 ( 3 ) 高壓直流輸電。高壓直流輸電系統中送電端的整流閥和受電端的逆變 閥等都采用大功率晶閘管為主的變流裝置。 ( 4 ) 電力系統中的無功補償和諧波抑制。先后出現的無功補償和諧波抑制 裝置有晶閘管控制電抗器( t c r ) 、晶聞管投切電容器( t s c ) 、晶閘管 投切濾波器( t s f ) 、無功發(fā)生器( s v 6 ) 、蓄電池儲能( b s e e ) 、有源 電力濾波器( a p f ) 等。 ( 5 ) 其它柔性交流輸電系統裝置。柔性交流輸電系統( f a c t s ) 是綜合電 力電子技術、微處理和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用 于靈活快速控制交流輸電的新技術，它主要通過電力電子裝胃實現對 電力系統中的電能的控制和調節(jié)。其范圍除上述提及的用于電力系統 中的無功補償和諧波抑制裝置外，還包括其他改善電能質量的裝置， 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 如不間斷電源( u p s ) 、動態(tài)電壓恢復器( d v r ) ( 注：d v r 也常用于低 壓配電系統中，因此許多文獻將其歸為用戶電力技術的范疇) 等。 ( 6 ) 各種電子裝置用的高頻開關電源。 1 2 常見的電能質量問題 電能質量是一個十分復雜的問題，由于所處的立場不一樣，人們對這一問 題的認識和理解都不相同。按i e e e 標準化協調委員會所給出的定義，合格的 電能質量是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統是均適合于該設備證 常工作的。表卜1 列出了i e e e 關于電能質量領域中的電磁現象的具體分類。 表1 - 1l e e e 電力系統電磁現象的特性及分類 類別 典型頻譜典型持續(xù)時間典型電壓幅值 沖擊 納秒級5 n s 上升 i i n s 現 低頻 5 k h z0 ，3 - 5 0 m s 0 - 4 p u 象 震 蕩 中頻5 - 5 0 0 k h z2 0 u s 0 8 p u 高額o 5 5 m h z) u s 0 - - 4 p u 瞬 間斷0 5 3 0 周 0 1 p u 凹陷( 驟降)05 3 0j 司0i 0 9 p u 間 凸起0 5 3 0 周 1 1 一i 4 p u 短 間斷3 0 周q s l m i n1 1 12 p u 電壓4 i 乎撕穩(wěn)態(tài) 0 5 七 波 直流偏移穩(wěn)態(tài) 0 0 l 形 諧波穩(wěn)態(tài) 0 2 0 畸 間諧波 0 - 6 k h z 穩(wěn)態(tài) 0 - - - 2 陷波穩(wěn)態(tài) 變 噪聲寬帶穩(wěn)態(tài)0 - l 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 根據表1 一l 可知，電力系統中常見的動態(tài)電壓質量問題如下圖所示： 電壓上凸 電力中斷 電壓脈沖 圖1 1電力系統中常見的動態(tài)電壓質量問題 隨著科學技術的發(fā)展，生產的自動化、數字化和集成化程度不斷提高，計 算機、自動流水線設備等敏感負荷的應用使得電力用戶對電能質量的要求越來 越高。以往不會造成重大威脅的動態(tài)電壓質量問題已經直接或間接影響到這些 敏感用戶的生產，并或多或少地降低了用戶的經濟效益。同時，隨著電力用戶 日益多樣化與復雜化以及有特殊要求的用戶的日益增多，使得電能質量本身的 問題也越來越嚴重。 1 3 電壓凹陷”1 根據貝爾實驗室的研究表明，8 7 的電源故障是由電壓凹陷引起的，因此。 電壓質量問題中的電壓凹陷受到了格外的重視。電壓凹陷在電力系統中的頻繁 出現將引起許多電能質量問題，它已經成為最重要的電壓質量問題之一。 1 3 1 電壓凹陷的含義 電壓凹陷又稱電壓跌落( s a g s 或d i p s ) ，是指電壓幅值快速、短時間的降 低。它由電壓跌落的幅值和持續(xù)的時間界定，大體上，電壓均方根值的跌落在 l o 9 0 ，持續(xù)時間在1 0 m s i m i n 。 最近十幾年來，由于敏感負荷的增加，由電壓凹陷造成的經濟損失迅速 增加。這在半導體生產及紡織等行業(yè)尤其明顯。比如，電壓凹陷可能使可編程 邏輯控制器p l c 誤動作，造成工業(yè)生產過程局部或全部停頓；使調速裝露a s p ( a d j u s t a b l es p e e dd r i v e s ) 失靈，導致產品報廢：使接觸器與輔助繼電器 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 跳開以及計算機系統數據丟失等嚴重后果。 1 3 ，2 電壓凹陷的分類 引起電壓凹陷的原因非常多涉及到大量的隨機因素，主要包括以下幾種： 短路類型。三相故障比單相故障造成更大的電壓凹陷。 故障位置。輸電系統故障比配電系統故障更嚴重，造成更大面積影響。 保護裝置的性能。電壓凹陷時間直接與保護裝置性能一故障清除時間 有關。 大氣層放電。觀察顯示大多數電壓凹陷的發(fā)生與大氣層放電有關。 大功率沖擊性負荷的啟動。如電弧爐起弧、大型感應電機啟動等。 由電壓凹陷引起的原因以及凹陷電壓的波形，電壓凹陷大致可以分為如 下幾類： ( 一) 故障引起的電壓凹陷 由故障引起的電壓凹陷可能沿著電網擴散而給大量用戶造成問題。在系 統某個位置電壓凹陷的大小由故障類型和故障點距離決定。電壓凹陷的持續(xù)時 間取決于保護的類型，在半個周期到數秒之問。故障分對稱故障( 三相問和相 地間) 和不對稱故障( 單相或兩相) ，所產生的電壓凹陷可能是對稱的也可能 是不對稱的。 圖1 2 顯示1 l o k v 電網在故障引起的電壓凹陷期削的基波電壓幅值的波 形。由圖中可以看出，基波電壓幅值形成近乎矩形的窗口，各相凹陷幅值不一 樣( 不對稱故障) 。 苦 1 2 0 9 0 0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 t m s 圖1 2 不對稱三桕故障電壓凹陷時基波幅值波形 ( 習大型感應電動機啟動弓f 起的電壓凹陷 型型查蘭堡主蘭堡墮塞! ! ! 唑! 感應電動機啟動時，其啟動電流接近穩(wěn)態(tài)運行時的5 1 0 倍，功率因數很 低。啟動電流造成電壓突然跌落。電壓跌落的深度取決于感應電動機特性和聯 接處的系統短路容量。 圖l _ 3 顯示由感應電動機啟動引起的電壓幅值變化，三相基波電壓的幅值 下降近1 0 ，然后隨電流逐漸上升開始恢復。 3 1 0 2 7 0 05 0i 0 01 5 02 0 0 t 凰 圖1 3 感應電動機啟動時期的基波電壓幅值 多級電壓凹陷 多級電壓凹陷 f v d ( m u l t i s t a g ev o l t a g ed i p s ) 由故障引起。但電壓跌 落過程顯示出不同的幅值。圖1 4 顯示了在ll o k v 電網m v d 時基波電壓幅值的 波形。 備 1 1 0 9 0 01 0 02 0 0 3 0 d 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 t m s 圖1 4 多級電壓凹陷時基波幅值波形 由圖1 4 可見，基波幅值經過多個階段才恢復為正常值。這可能由保護動 作引起系統結構變化或故障本身屬世拐i 起。典型情況如圖1 5 所示的雙回路輸 電系統，設z l 和z ：分別是兩線路阻抗，z 0 是電源點系統阻抗。當短路故障出 現在斷路器嬲和鸛之間 它將線路五分割為p ：( 1 一p ) ，此時籪和斂均 一5 一 型型查蘭堡主堂些墮塞! ! ! 墮! 還未打開) 時，在負荷母線處的電壓凹陷值為式( 1 - 1 ) 。 = 麗高愛 ，) 如果將o f , 打開，在負荷母線處的電壓凹陷值變?yōu)槭? 2 ) 。 = 矗黑 小z ， 由式( 卜1 ) 、( 1 2 ) 可知，u 2 u 如，。只有打開q f 2 后，負荷母線電壓 才能恢復正常。 圖1 5 雙回路輸電線路故障等值電路 負載 變壓器激磁涌流引起的電壓凹陷 穩(wěn)態(tài)情況下變壓器具有穩(wěn)定的交變磁通并與交變電壓各點的值對應。但當 變壓器空載投入電網時，可能出現很大的沖擊電流。變壓器空載投入的暫態(tài)主 磁通、穩(wěn)態(tài)最大主磁通以。與投入初相角口的關系近似表達如下： = 丸c o s a + 丸c o s ( 耐+ 口) ( 1 - 3 ) 可以看出，當零初相角投入時，暫態(tài)最大主磁通是穩(wěn)態(tài)時的2 倍?？紤]剩 磁因素，甚至達到2 2 2 3 倍。由于變壓器正常運行時鐵芯已較為飽和使 得激磁電流可達正常值的幾十倍甚至幾百倍( 相當于額定電流的6 8 倍) ，足 以形成電壓凹陷。 1 3 3 電壓凹陷的治理方法 目前，國際上治理電壓凹陷主要有以下方法： 不間斷電源u p s ( u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 。在電壓凹陷期間 能平穩(wěn)移動到u p s 供電而解決電壓穩(wěn)定問題，效率可達9 2 9 7 。缺點是大容 - 6 型型叁堂堡圭堂垡堡蘭! ! ! 塑! 量受限制，而且費用很高。 磁諧振變壓器c v t ( c o n s t a n tv o l t a g et r a n s f o r m e r ) 。在電壓凹陷下 降到正常值的7 0 時仍能提供平穩(wěn)電壓支撐，效率在7 0 7 5 。體積比標準變 壓器稍大，容量通常在2 0 k v a 以下。 靜止開關切換s t s ( s t a t i ct r a n s f e rs w i t c h ) 。負荷由雙電源供電( 一 個備用) 。當一個電源側有電壓凹陷故障時，s t s 使用電力電子開關在一個半周 期內將負荷接至備用電源。 變壓器分接頭調節(jié)器。受變壓器分接頭的調節(jié)范圍限制，僅在一定程 度上減輕電壓凹陷影響。 電動機發(fā)電機組m g ( m o t o r - g e n e r a t o r ) 。利用電動機的慣性在電壓凹 陷時保持發(fā)電機電壓平穩(wěn)并向負荷供電。 動態(tài)電壓恢復器d v r ( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 。由于d v r 只在電 壓凹陷時才提供負荷滿足正常電壓所需的功率消耗，所以效率很高，而且其費 用低于u p s 、c v t 、m g 等裝置，所以它成為了最受歡迎的解決電壓凹陷問題的 電力電子設備。 1 4 本文所做的工作 動態(tài)電壓恢復器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 良好的動態(tài)性能和容量 上的相對優(yōu)勢使其成為治理動態(tài)電壓問題最經濟、有效的手段。第一臺工業(yè)應 用的d v r 由w e s t i n g h o u s e 公司于1 9 9 6 年研制成功，并安裝在d u k e 電力公司 的l 2 4 7 k v 系統上，裝置的容量為2 m v a ，主要用于抑制紡織廠供電電壓的上凸 ( s w e l l ) 和凹陷( s a g ) 。隨后，a b b 、西門子等公司也相繼開發(fā)出自己的d v r 產品。近年來，我國一些科研院校的相關技術人員也玎始了對d v r 的研究和探 索工作。 本文在對d v r 的結構、工作原理等進行詳細分析介紹之后，立足于現有 條件，利用單片機作為核心控制芯片研制了一臺簡易的單相d v r 樣機。從仿真 分析和最終實驗結果可以看出，雖然該樣機在動態(tài)響應速度上還不夠理想，但 也能充分說明d v r 的工作原理和補償效果，并證實了實驗方案的可行性。本文 所做的工作具體包括如下幾方面的內容： ( 1 ) d v r 結構、工作原理的分析說明： ( 2 ) 單相d v r 主電路設計： 7 一 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) ( 3 ) 用鎖相環(huán)產生同步采樣脈沖的方法： ( 4 ) 單片機c 8 0 5 1 f 0 4 0 高壓差分采樣的使用方法； ( 5 ) 不同控制方式的d v r 電路仿真； ( 6 ) 單相d v r 樣機實驗。 8 一 些型查堂塑主堂垡堡塞! ! ! 箜! 2 、d v r 工作原理 現在，電能質量的供需矛盾已經得到了供電和用電方的普遍重視。近年來， 人們不斷地嘗試尋求解決各種電雛質量問題的措旌和辦法。d v r 就是其中極為 重要的方法之一。 第一臺工業(yè)應用的d v r 自w e s t i n g h o u s e 公司1 9 9 6 年研制成功后，幾年柬 在國外獲得了快速的發(fā)展和應用。目前，國外d v r 主要應用于造紙廠、化工廠、 電子及半導體等工業(yè)企業(yè)。 2 1 d v r 的典型結構“2 、”1 2 1 1d v r 的結構框圖 d v r 是串聯在電網和負載之間的提供補償電壓的裝置。其典型的結構框圖 如圖2 1 所示。它包括直流儲能裝置、逆變器單元、l c 濾波器和串聯變壓器等 幾個部分。其中的串聯變壓器并不是在所有的d v r 中都采用，因其除了會帶來 很多優(yōu)點外，也會帶來一些固有的缺陷( 下文將作詳細分析) 。通常，在電壓 等級較低的應用系統中就省去了這個串聯變壓器，而在直流母線側用一個工頻 電源變壓器將直流母線與電網隔離。這種結構的d v r 框圖如圖2 2 所示。通過 改變工頻變壓器的變比，就可以改變直流側電壓的幅值，以滿足調制比和補償 電壓幅度的要求。本文的設計就采用了這種結構形式。 圖2 1d v r 結構框圖( 一) 一9 一 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 圖2 2d v r 結構框圖( 二) 2 1 2 直流儲能裝置 系統發(fā)生故障時，d v r 須向系統提供有功功率，這些能量均由d v r 的直流 儲能裝置提供。d v r 的儲能單元通常有兩種結構：直接采用儲能元件。當裝 置需要向系統注入有功時，儲能元件可提供能量；采用不控整流濾波方法連 續(xù)提供能量。 儲能元件有電容、蓄電池等。儲能電容的容量決定了d v r 在故障期間可提 供的能量，應根據裝置的運行指標確定。采用蓄電池作為直流儲能單元時，能 量的流動完全可控。 當直流側采用不控整流時，d v r 可連續(xù)獲得能量，系統電壓穩(wěn)態(tài)故障補償 成為可能。當直流側的能量通過從系統整流獲得時，在系統側即使發(fā)生單相故 障，其它兩相仍可提供電能維持d v r 正常運行。 2 13 逆變器單元 d v r 的核心單元是一個基于全控器件的電壓源型p w m 逆變器，通過逆變器 對直流電壓的逆變產生用于補償系統故障電壓的串聯交流電壓。三相d v r 的逆 變器拓撲結構主要有三相橋和三單相橋兩種。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，所以采用三單相橋結構更為合 嬰型查蘭竺主堂些絲苧! ! ! 墮! 適。三單相逆變器每個單相的結構相同，分為半橋和全橋等結構形式。圖2 3 所示為逆變器采用三單相全橋結構的d v r 原理圖。橋式逆變器都存在橋臂直通 問題，所以兩種橋式逆變器都需可靠的橋臂保護手段來防止橋臂直通。 圖2 3 三單相全橋式d v r 原理圖 本設計采用的單相全橋式d v r ，其結構與圖2 3 所示的三單相全橋式d v r 中的一相基本相同。之所以采用全橋結構，是因為單相半橋結構雖然只使用兩 只開關器件，器件成本比全橋結構要節(jié)省，但在宜流側需要電容分壓，從而存 在直流側兩個電容均壓問題。如果直流側電壓不能很好地均壓，則逆變器輸出 電壓品質將受到很大的影響。同時由于直流側經過了分壓，使得直流電壓的 利用率降低了一半。 2 1 4l o 濾波器 在有串聯變壓器的d v r 中，l c 濾波器的位置對d v r 的性能有很大影響。 如果將濾波器放在逆變器側( 圖2 4 中的a 處) ，則可以降低串聯變壓器的設 計容量，這是因為濾波器可以將逆變器輸出補償電壓中的高次諧波濾除。如果 將濾波器放在線路側( 圖2 4 中的b 處) ，則可以利用變壓器漏感作為濾波電 感，從而減少一個濾波電感。缺點是串聯變壓器要處理高次諧波功率，因而容 量必然要增大，濾波效果也沒有放在a 處好。如果將濾波器放在線路側( 圖2 4 型型查蘭堡主堂堡絲塞! ! ! 塑! 中的c 處) ，裝置的結構將進一步演變，該結構的優(yōu)點是可以用濾波電感來消 除串聯變壓器漏感的分布參數的影響，缺點是系統電流中將流過高頻電流成 分。 圖2 4 輸出濾波器位置示意圖 2 1 5 串聯變壓器 d v r 中的串聯變壓器主要有兩方面的優(yōu)點：采用升壓變壓器，可以降低 逆變器直流側電壓等級，在高壓等級場合可以提高裝置的可靠性及選擇開關器 件的靈活性：可提供逆變器和電網的隔離，使逆變器直流母線可以直接由電 網整流得到。但因為變壓器是非線形器件，它的引入不可避免地會帶來很多缺 點，如：逆變器產生的高次諧波使得變壓器的設計容量加大：串聯變壓器 和濾波電感電容互相影響帶來附加的相移和電壓降落，從而影響控制器的性 能；串聯變壓器的短路電抗降低了開環(huán)控制的電壓精度；增加了系統成本。 一般在電壓等級較低的應用中，d v r 采用的是無串聯變壓器結構，其結構 框圖如圖2 2 所示。本文的設計用于2 2 0 v 配電系統中，電壓等級低。而電壓 質量問題比較大，需要較高的補償性能，所以來采用串聯變壓器。 2 2 、d v r 的工作原理 22 1 、d v r 的工作原理簡述“” d v r 的工作原理可以簡述為：通過檢測電源電壓生成指令信號，對逆變器 墮型盔蘭塑主蘭堡壘壅! ! ! ! ! ! 進行控制，產生所需的補償電壓 補償電壓經過濾波后疊加到負載電路中，從 而確保負載電壓的質量。此原理可由圖2 5 表示。 圖2 5d v r 工作原理向量圖 v m s 由圖2 5 可以看出d v r 在補償電壓跌落時，不僅輸出無功，還要輸出有 功功率。早期d v r 上的直流側電壓一般通過儲能裝置( 如蓄電池) 提供，它只 能在短時間內對電壓跌落進行補償。如果電源電壓跌落時剛比較長，就不能實 現完全補償。本文所設計的d v r 的直流側能量是通過整流電路提供的，它可以 持續(xù)對電源側電壓進行補償，解決了d v r 不能補償持續(xù)電壓跌落的問題。 2 2 2d v r 的電壓注入方式”“”1 d v r 的電壓注入方式需要考慮兩個問題：是電壓補償能力，即在相同的 直流側電壓璣情況下，如何補償更大幅度的電壓跌落問題；二是能量補償能 力，即在相同直流側電壓u 。，和儲能電容c 的條件下，在電壓跌落深度固定時 如何獲得更長的補償時間問題。這兩個問題是相互關聯的，一般可通過實時檢 測輸入電壓幅值和相位，以及通過求取電壓有效值或瞬時值并與基準值比較的 方式確定電壓跌落的幅度。再通過檢測負載正序電流分量得到負載電流的相 位。裝置則通過改變注入電壓的相位和幅值控制輸出電壓的情況。 本設計中直流儲能側能量是由整流電路提供，故可以持續(xù)提供電壓補償。 因為不需考慮能量補償能力，故采用了同相補償方式，即始終保持補償電壓與 系統電壓同相位，即圖2 5 中的以，。與略同相。在同相補償方式下，注入電壓 的幅度最小，輸出電壓沒有相位偏移，也沒有輸出功率的波動。但是，在不同 的功率因數角的情況下，補償裝置提供的有功分量并不是最小的。 22 3 逆變器的控制方式。2 3 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 逆變器的控制方式有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種。 開環(huán)控制是指將系統電壓與基準電壓的差值進行計算，計算結果用于控制 逆變器的輸出。由于沒有對負載端電壓進行反饋控制，因而稱為開環(huán)控制。實 際上，純粹的開環(huán)控制是很難達到系統要求的。 閉環(huán)控制是通過對負載端電壓( 系統電壓與補償電壓之和) 的直接控制來 保證逆變器的輸出電壓質量，故可以提供更加精確的控制結果。由于可以對輸 出電壓進行精確控制這種控制方式更加適合于長期在線工作的電壓質量調節(jié) 裝置。逆變器的閉環(huán)控制框圖如圖2 6 所示。 圖2 6 逆變器閉環(huán)控制框圖 采用這種控制方法，須使參考的標準負載電壓( 本設計中已儲存在單片機 中) 與電源電壓同步，因此鎖相是個關鍵。 有關鎖相的內容詳見4 2 節(jié)。 2 3s p w m 波形的生成方法“刪 本文設計的d v r 的核心是一個基于全控器件的電壓源型s p w m 逆變器，通 過控制逆變器對直流電壓的逆變產生用于補償系統故障電壓所需的串聯交流 電壓。因此，這里有必要對s p w m 波形的生成方法作一簡單介紹。 產生s p w i 波形的方法很多，主要有模擬電路產生、專有集成芯片產生和 軟件編程產生等方法。 模擬電路產生方法是采用模擬電路來產生三角波載波和正弦調制波，再通 過比較器來確定它們的交點，由這一系列的交點就可以構成對功率開關器件進 行通斷控制s p w m 脈沖波形。模擬電路產生法雖然技術簡單易行，但其電路結 予 鹵一 挈一 凸一 嬰型查蘭塑主堂堡墮苧! ! ! 塑! 構卻較復雜，難以實現精確的控制。 專有集成芯片產生方法是對一些專有集成芯片( 如h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 、 z p s 1 0 1 等) 進行一些適當的外圍連接即可產生所需的s p w m 脈沖波形。采用此 方法生成s p w m 波形可以簡化硬件電路，降低成本，提高可靠性。其缺點是不 易進行適時調節(jié)。 軟件編程產生方法是隨著微機控制技術的快速發(fā)展而流行起來的。近年 來，隨著微機和計算機語言的普及，用軟件編程來產生s p w m 波形已成為十分 受人青睞的新方法。采用軟件生成s p w m 波形的基本算法有自然采樣法、規(guī)則 采樣法和低次諧波消去法等。下面對這幾種基本算法作一大致介紹。 ( 1 ) 自然采樣法 圖2 7 給出了用自然采樣法生成s p w m 波形的方法。圖中取三角波的相鄰 兩個正峰值之i 日j 為一個周期為了簡化計算，可設三角波峰值為標么值1 ，正 弦調制波為： “，= a s i n o d ，f ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，a 為調制比，e o d 1 ；甜，為正弦調制信號的角頻率。從 圖2 7 中可以看出，在三角波載波的一個周期t 內，其下降段和上升段各和正 弦調制波有一個交點，圖中的交點分別為a 和b 。這里以正弦波上升段的過零 點為時間起始點，并設4 和b 所對應的時刻分別為f 。和f 。 一 。森桷 l l 1 擴vj iv | | r 1 叫r it l - |“ 。 圖27 生成s p 嗍波形的自然采樣法 一1 5 一 璺型查蘭堡主蘭壘堡苧! ! ! ! ! ! 在同步調制方式中，如圖2 7 所示。使正弦調制波上升段的過零點和三角 波下降段過零點重合并把該時刻作為零時刻。同時，把該點所在的三角波周期 作為正弦調制波一周期內的第一個三角波周期，則第n 個周期的三角波方程可 表示如下： f 珂一三k l4 。 ， f 胛一三 l4 ( 2 2 ) 這樣，正弦調制波和第 個周期三角波的交點時刻和可以由下式求得 砉 一( 盯一； t = 口s i n 甜， c z s ， 一t + 曇 r 。一( 甩一三) t = d s i n ，。 c z t ， 給定t 和玎后，求解上面兩式即可求得，。和，。脈沖寬度6 可由下式求出 占= 8 一 ( 2 - 5 ) 式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 都是超越方程，求解時需要花費較多的計算時間，因而難 以在實時控制中在線計算。 ( 2 ) 規(guī)則采樣法 自然采樣法是最基本的s p w m 波形生成法，它以s p w m 控制的基本原理為 出發(fā)點，可以準確地計算出功率丌關器件的通斷時刻，所得的波形很接近正弦 波。但是這種方法計算量過大，因而在工程上實際使用并不多，規(guī)則采樣法是 一種應用較廣的工程實用方法，它的效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然 采樣法小得多。 規(guī)則采樣法有用鋸齒波作為載波，也有用三角波作為載波的。鋸齒波是 非對稱的波形，用鋸齒波作為載波時只控制脈沖的上升或下降時刻中的一個。 這種調制方式稱為單邊調制，而用三角波作為載波信號時稱為雙邊調制。單邊 調制比雙邊調制計算量小，但其輸出波形中含有偶次諧波，總的諧波分量也比 雙邊調制時大。因此，實際應用較多的還是采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法。 圖2 8 說明了采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法。 ， 一 一 i l 嚴外砂 5 4 一 一 ” n ，l ， lij i k 嚴外到 5 4 一 一 門 ，r ，弋卜-爿o l 一 、 四川大學碗士學位論文( 2 0 0 5 ) 。- ，糸_ “p - 朋鍘| l f 嗽 1 一 l i l f 霸 i |j _ i r _ 。 j 一 圖2 8 采用三角波載波的規(guī)則采樣法 在自然采樣法中，每個脈沖的中點并不和三角波中點( 即負峰點) 重合。 規(guī)則采樣法則使兩者重合，即使每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對 稱，這樣就使計算大為簡化。如圖2 8 所示，在三角波的負峰時刻，。對正弦調 制波采樣而得到d 點，過d 點作一水平直線和三角波分別交于a 點和b 點，在 a 點的時刻和b 點的時刻控制功率開關器件的通斷。可以看出，用這種規(guī) 則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。 從圖2 8 可得到如下關系式 學寺 6 ) 占r 7 22 因此可得 d = 冬( 1 + a s i n c o ，b ) ( 2 7 ) 在三角波一周期內，脈沖兩邊的問隙寬度為 占+ = 吉( t j ) = 等( 1 - a s i n r - o r l d ) ( 2 - 8 ) 7 一 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) ( 3 ) 低次諧波消去法 為了使s p w m 波形中不包含次數較低的諧波分量且不增加功率器件的開關 頻率，以減少開關損耗，出現了低次諧波消去法。低次諧波消去法就是適當安 排開關管的開關角，在滿足輸出基波電壓的條件下，消除不希望的諧波分量。 假定單相橋式逆變器輸出s p w m 波形具有基波四分之一周期對稱關系，將該 s p w m 電壓脈沖序列展開成傅立葉級數，則級數中只含有奇次諧波分量，負載電 壓虬可表示為各次諧波電壓之和，即 “。= 葉s i n ( r e x ) ，2 1 驢舯c o s 婦叫 ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) 公式中“，為y 次諧波電壓幅值，a 。為電壓脈沖前沿或后沿與c o t 坐標的交 點，以電角度表示，是在9 0 0 范圍之內的口，個數，通過v 個聯立方程求解 它們的值，用得到的個a 角，就可以消除一1 種諧波。采用這種方法的時 候，如果所需要消掉的諧波次數較高，則方程組的數量會很大，這個方程組將 難以求解。 在用微機控制生成s p l v m 波形時，通常有查表法和實時計算法兩種方法。 查表法是根據不同的和國，先離線計算出各開關器件的通斷時刻，把計算結果 存于e p r o m 中，運行時查表讀出所需要的數據進行實時控制。這種方法適用于 計算量較大、在線計算困難的場合，但所需內存容量往往較大。實時計算法是 不進行離線計算，而是運行時進行在線計算求得所需的數據。這種方法適用于 計算量不大的場合。實際所用的方法往往是上述兩種方法的結合。即先離線進 行必要的計算存入內存，運行時再進行較為簡單的在線計算。這樣既可保證快 速性，又不會占用大量的內存。 自然采樣法和低次諧波消計算量大，一般采用查表法。規(guī)則采樣法通常事 先存入正弦函數表和不同載波頻率時的c 2 ，運行時根據所要求的z 、口和， 等進行乘法和加法運算即可求出開關器件的通斷時刻。 四川大學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) 3 、單相d v r 主電路的設計 d v r 的工作原理在第2 部分中已作了詳細的敘述，這里不再贅述。 3 1 主電路結構 實驗設計的單相d v r 的主電路如圖3 1 所示，包括三相隔離變壓器、三相 整流橋、直流濾波電容、單相逆變橋、l c 濾波器和負載等部分。直流側電壓由 三相整流產生，這樣即使電閼三相電壓中某一、兩相發(fā)生凹陷故障時，正常的 那( 兩) 相依然能夠提供d v r 正常工作所需的直流電壓。 圖3 1 單相d v r 主電路結構圖 逆變橋中的開關管選用的是i g b t 模塊，型號為c m i o o d y 一2 4 n f ，其最大集 射極間電壓為1 2 0 0 v ，集電極允許通過額定直流電流為i o o a 。該模塊內部集成 了兩個i g b t 單元，因此單相全橋逆變電路共需兩個模塊。 i g b t ( i n s u a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ：絕緣柵雙極晶體管) 是g t r 與電力m o s f e t 的復合器件。g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ：電力晶體管) 的特點是 耐壓高，通過電流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復 雜。電力m o s f e t ( p o w e rm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf e t ：絕緣柵型電力場 效應晶體管) 的特點是開關速度快、工作頻率高、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好， 并且驅動電路簡單，需要的驅動功率小。將兩者結合，優(yōu)勢互補，使得i g b t 具有了開關速度高、開關損耗小，耐壓高，通態(tài)壓降小，驅動電路簡單、驅動 功耗小等顯著優(yōu)點。因此，i g b t 自1 9 8 6 年投入市場，就迅速擴展了其應用領 璺型奎堂堡主蘭堡壘苧! ! 塑! ! 域，目前己取代了g t r 和部分的電力m o s f e t ，成為了中小功率電力電子設備的 主導器件。 3 2 濾波l 、c 參數的計算?！?由仿真和實驗波形可知，逆變器的輸出電壓在濾波前是s p w m 調制波，其 中既有5 0 h z 基波，又有各種高次諧波，只有在通過濾波器后才能得到所需的 5 0 h z 交流正弦波形。 濾波器是一種具有選擇性的四端網絡，它允許某些特定頻率的信號通過。 允許通過的信號頻率范圍稱為通帶，不允許通過的信號頻率范圍稱為阻帶，通 帶與阻帶交界的頻率廠r 稱為截止頻率。根據濾波器通帶和阻帶的位置關系 濾波器可分為：低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等。本設計中逆變橋輸 出采用了如圖3 1 所示的r 型低通濾波器。 r 型低通濾波器的電抗曲線如圖3 2 所示。其中x ，= r a l = 2 刀紀，它隨著 頻率升高而變大；x c 。壺。丟i ，它隨著頻率升高而減小。 x 、 規(guī)， 一 圈32 r 型低通濾波器的電抗曲線圖 f 。 c o l = 形c 所對應的頻率即為截止頻率厶。矗與厶f 的關系如下： r a c l = ，c ( 3 - i ) ：= 比c ( 3 - 2 ) 四川人學碩士學位論文( 2 0 0 5 ) _ 、= 赤 3 ) 本文所設計的逆變器輸出電壓中基波頻率為工= 5 0 h ：，最低次諧波頻率 、乓i = 2 5 0 0 h ：( 由第5 部分仿真可知) 。設截止頻率正= 5 0 0 h 。 由于；( ( 厶- 故q 工( ( 嘉，所以q 對基波信號阻力很小，幣i 對 基波信號分流很小，因此允許基波信號通過。由于厶) ) 五，故應) 。l ) ) ， o ) k i l 甜。l 對最低次諧波信號阻力很大，毛對最低次諧波信號分流很大，因此濾 o ) k i l 波器不允許最低次諧波信號通過。對于其它高次諧波- ，同樣滿足_ ) ) 六， 甜。三) ) ，因此濾波器更不允許這些高次諧波信號通過。 抽l 由式( 3 - 1 ) ( 3 - 3 ) 可以得到厶f 的計算公式?，F推導如下： ， 1 , l c - ，r 麗2 百丁 令p = 歷( 特性阻抗) ，則有： ：生( 3 - 4 ) 2 而 又因為尸2 = ，所以有： c - 砉= 赤 濘 由式( 3 - 4 ) 、( 3 - 5 ) 可知，只要知道了五、p 的值，就可以計算出、c o 對于截止頻率廠c ，它與最低次諧波頻率厶。滿足如下關系： 厶= 量c h b c l t o 塑型查堂堡圭蘭堡絲苧! 墊塑! 式中b 稱為濾波器的衰減系數，它是濾波器的諧波輸入電壓與諧波輸出電 ，r 壓的比值的對數，即b = i n 蘭坐。 u h ， 對于特性阻抗p ，它與負載阻抗r 。的關系是：p = ( o 5 o 8 ) 也。 有了、f 的計算公式，若知道逆變器輸出的最低次諧波頻率、諧波電壓 幅值以及設計要求的輸出諧波電壓值，就可以確定厶f 的值了。 從本設計的逆變器輸出電壓的仿真結果圖5 h 可以看出，輸出電壓中晟 低次諧波頻率厶= 2 5 0 0 h ：，最低次諧波電壓幅值為1 1 0 v ，如果要求輸出的最 低次諧波電壓為1 0 v 。則有 b ：i n 盟：l n1 1 _ 0 ：2 瑚 u m 1 0 c h 扣翌蘭：5 5 2 丘：奄：2 5 0 0 ：4 5 4 5 ( h z ) j 一c 肋5 5 “ 設r = 1 0 0 1 1 ，則p = ( o 5 0 8 ) r l = 5 0 8 0 ( q ) 取p = 6 0 n 所以 上：p 一墜：2 1 ( m h ) 2 礬2 z x 4 5 4 5 c ：j 一j ：5 8 4 ( “f ) 2 礬p 2 z x4 5 4 。5 6 0 。 實際應用電路中，可以在此理論計算值的基礎上進行適當的調整，以保證 濾波效果為調整的依據。 凹型查堂堡主蘭堡簍苧! ! 竺墮1 4 、單相d v r 控制電路的設計 4 1 核心控制芯片單片機0 8 0 5 1 f 0 4 0 簡介口” 美國c y g n a l 公司近年推出的c 8 0 5 1 f 0 4 0 是