畢業(yè)設(shè)計（論文）動態(tài)電壓恢復(fù)器(dvr)的測控回路設(shè)計與仿真

1、 畢業(yè)設(shè)計論文題目名稱：動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的仿真與測控電路的設(shè)計院系名稱：電 子 信 息 學(xué) 院班 級：電 氣 092 班學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 2021 年 5 月 論文編號：202100474231動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的仿真與測控電路設(shè)計The Control circuit design and simulation of the Dynamic Voltage Restorer (DVR)院系名稱：電子信息學(xué)院班 級：電氣類092學(xué) 號：202100474231學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2021年5月 摘要由于現(xiàn)代科技的開展，非線性負載和電力電子裝置應(yīng)用廣泛，它們對電壓擾動極其敏感，幾個

2、周波的電壓擾動可能導(dǎo)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(shè)備正常運行的非常嚴重的動態(tài)電能質(zhì)量問題。本文以動態(tài)電壓恢復(fù)器為研究對象，首先介紹了其工作原理以及根本結(jié)構(gòu)，以及其系統(tǒng)的Matlab仿真，其次又主要從硬件設(shè)計方面對整個控制電路進行了設(shè)計，最后還簡單的介紹了一些軟件算法與控制算法。在硬件方面，設(shè)計電源電路、檢測電路、調(diào)理電路，將截止頻率設(shè)置成500Hz，對電路中元器件的參數(shù)進行設(shè)計，并將電源電路、調(diào)理電路在Multisim的環(huán)境下進行了仿真，制成了電路板，然后對電路的驅(qū)動以及對于光電隔離進行了硬件設(shè)計。在軟件方面，介紹了四種信號檢測算法，

3、并進行分析，介紹PID算法控制，重點講解了軟件編程中SPWM波形的生成算法。關(guān)鍵詞:動態(tài)電壓恢復(fù)器，硬件電路，Multisim仿真，控制算法 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

4、 or even to fail.Among various powerinterruption or disturbance factors,voltage sags are currently the largest cause of disruption inpower supply systems.In this paper, the dynamic voltage restorer as the research object . First , introduced its working principle and basic structure, as well as its

5、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 simple software algorithm and control algorithms. In terms of hardware, I designed the power circuit, detection circuit, conditioning circu

6、it, the cutoff frequency is set to 500Hz, And the components in the circuit design parameters. The power supply circuit, conditioning circuit were simulated in Multisim, And I put them into a circuit board. Then drive on the circuit and optical isolation for the hardware design. On the software side

7、, this paper describes four signal detection algorithms, and it describes PID control algorithm, It focuses on explaining the software programming SPWM waveform generation algorithm. Key words: dynamic voltage restorer, the hardware circuit, Multisim simulation, control algorithm.目錄1 緒論21.1 研究背景與意義2

8、1.1.1 現(xiàn)代電能質(zhì)量問題21.1.2 電壓凹陷問題31.1.3 電壓凹陷的成因3·1.1.4 電壓凹陷的危害41.1.5 電壓凹陷的解決方案41.2 研究現(xiàn)狀52 動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理與結(jié)構(gòu)62.1 動態(tài)電壓恢復(fù)器的根本結(jié)構(gòu)與原理6同相位補償?shù)腗ATLAB仿真與分析73 動態(tài)電壓恢復(fù)器測控電路的設(shè)計與分析103.1 檢測電路10霍爾傳感器10交流電流互感器10電阻分壓103.2 調(diào)理電路123.3 電源電路173.4 過零檢測電路19光隔電路的設(shè)計20驅(qū)動觸發(fā)電路224 電壓信號的檢測方法比照254.1 交直流變換采樣254.2 均方根法25傅里葉分析264.4 基于瞬時無功

9、理論的坐標(biāo)變換275 軟件分析285.1 SPWM的生成285.2 主程序流程圖316 結(jié)論33參考文獻34致謝35附錄361 緒論1.1 研究背景與意義在現(xiàn)代社會工業(yè)開展中，電能已經(jīng)是最主要也是最廣泛的能源形式之一，它具有經(jīng)濟、實用、清潔且容易控制和轉(zhuǎn)換的等特點。電能也在人民生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用，電能質(zhì)量問題也是直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益的因素。上世紀 80 年代以來，隨著高新技術(shù)的開展和應(yīng)用，現(xiàn)代用電設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高。許多用戶設(shè)備中都帶有基于微處理機的控制器和功率電子器件, 它們對各種電磁干擾都非常的敏感。而另一方面具有非線性負荷特征的設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越

10、來越廣泛，這些設(shè)備的運行可能會使電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變越來越嚴重，而且有時還會產(chǎn)生嚴重的電壓波動、電壓閃變和負序分量等電能質(zhì)量問題。為滿足高效的現(xiàn)代化生產(chǎn), 維護用電設(shè)備的正常運行, 越來越多的用戶向供電企業(yè)提出了高質(zhì)量供電的要求。改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的平安、經(jīng)濟運行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實驗結(jié)果，維持人民生活和生產(chǎn)正常進行都有十分重要意義。 現(xiàn)代電能質(zhì)量問題現(xiàn)在對電能質(zhì)量的定義，不同的部門有不同的定義，例如，國際電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE) 采用的是“Power Quality ，他們對電能質(zhì)量給出的定義是：合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均是適合該設(shè)備完

11、全正常工作的。并認為電能質(zhì)量問題是在供電過程中導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)誤動作或故障損壞的任何異?，F(xiàn)象，如電壓凹陷、過電壓、電流諧波和電氣噪聲等。同時，電能質(zhì)量還應(yīng)包括電力系統(tǒng)的可靠性問題，包括系統(tǒng)的容量儲藏和平安性等。在早期對電能質(zhì)量的認識主要局限在電網(wǎng)頻率和電壓水平，即主要強調(diào)供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的特征，而不考慮其暫態(tài)特征的影響，電力供給企業(yè)對電能質(zhì)量的控制手段主要是依賴于對供電電壓的調(diào)整。 目前雖然傳統(tǒng)的電能質(zhì)量問題如諧波、閃變、三相不對稱等依然存在，而且 嚴重性還在增加。但是近些年來隨著高新技術(shù)的飛速開展，精密機械加工、微型電機、基于微處理器檢測控制用電設(shè)備和各種電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)負荷中占的比例不斷

12、增加，它們對系統(tǒng)干擾比一般機電設(shè)備敏感，對供電質(zhì)量的要求也很高，就是僅僅幾個周期的供電中斷或電壓瞬間凹陷都將影響這些設(shè)備的正常工作，甚至引起生產(chǎn)中斷或者生產(chǎn)報廢品，造成巨大的經(jīng)濟損失。這類電能質(zhì)量問題稱為現(xiàn)代電能質(zhì)量問題，它主要包括暫態(tài)過電壓、電壓凹陷、電壓瞬間上升、供電瞬間中斷問題。 電壓凹陷問題 與其它現(xiàn)代電能質(zhì)量問題一樣，電壓凹陷是近年來才引起關(guān)注的。在國外有調(diào)查說明，對電力用戶影響最大的電能質(zhì)量問題就是電壓凹陷。電壓凹陷容易引起計算機系統(tǒng)混亂、調(diào)速設(shè)備跳閘以及機電設(shè)備誤操作等，它是使敏感設(shè)備不能正常工作的主要原因，已經(jīng)成為影響用電設(shè)備平安穩(wěn)定運行的最主要的電能質(zhì)量問題。電壓凹陷是指電壓

13、有效值在短時間突然下降的，又叫做電壓瞬間跌落、電壓驟降、電壓下凹、電壓暫降等。國外對電壓凹陷也有不同的稱呼，有voltage sag(IEEE) 和 voltage dip(IEC)兩種。在對電壓凹陷進行定義時也存在著差異，根據(jù)國際電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)的定義，電壓凹陷指電力系統(tǒng)中工頻電壓有效值迅速下降到額定 值的 10%90%，持續(xù)時間為半個工頻周期到 1 分鐘，然后上升至正常值附近。而國際電工委員會(IEC)標(biāo)準對電壓凹陷的定義那么是：電力系統(tǒng)中工頻電壓有效值迅速下降到額定值的1%90%，持續(xù)時間為l0ms 到 1 分鐘。電壓凹陷的特征可以用四個量來描述：凹陷幅值、持續(xù)時間、相位

14、跳變和電壓凹陷頻次。 電壓凹陷的成因電壓凹陷產(chǎn)生的原因主要有系統(tǒng)短路故障、雷擊、大功率器件啟動等幾個方面，電力系統(tǒng)中發(fā)生瞬時短路故障是電壓凹陷發(fā)生的主要原因。目前配電系統(tǒng)中的線路主保護是電流保護，但是該保護下線路中大局部區(qū)域上的故障不能無延時地切除。在線路某處發(fā)生短路故障到保護裝置動作將其隔離的這段延遲的時間即內(nèi)會造成很大的損害，故障線路所連母線的其他線路就會出現(xiàn)電壓凹陷。同時由短路故障引起的電壓凹陷可能沿著電網(wǎng)擴散而給大量用戶造成問題。這種原因?qū)е碌碾妷喊枷菔怯晒收项愋秃凸收宵c距離以及繼電保護裝置水平來決定的。雷擊引起的絕緣子閃絡(luò)或線路對地放電也是造成電網(wǎng)電壓凹陷的主要原因，特別是在雷電發(fā)生

15、較多的地區(qū)。因雷擊引起的電壓凹陷持續(xù)時間比瞬時短路故障引起的要長，而且影響的范圍很廣，其特征量與系統(tǒng)的絕緣水平、線路結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境等有關(guān)。大功率電機啟動時也會導(dǎo)致附近區(qū)域電壓的出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。這種電壓凹陷中電壓下降的幅度一般不大，但是持續(xù)時間比前兩種情況都要長。電動機在啟動時，啟動電流遠大于正常時電流，且功率因數(shù)很低，其對附近變電站母線的影響比正常工作時擴大數(shù)倍，因此會造成附近電壓降低，電機在所處線路上所占負荷比重越高，發(fā)生電壓凹陷時情況越嚴重。 電壓凹陷的危害在眾多的電能質(zhì)量問題中，電壓凹陷和電壓短時中斷被認為是影響許多用電設(shè)備正常、平安運行的最主要的電能質(zhì)量問題，其發(fā)生的頻率最高、影響最為嚴

16、重、造成的經(jīng)濟損失最大。電壓凹陷會導(dǎo)致邏輯控制器誤動、調(diào)速裝置失靈、使接觸器與輔助繼電器斷開、計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)喪失等，從而造成很大的工業(yè)損失。在國外對電壓凹陷的檢測已經(jīng)很早就開始了，從一些公布的情況中可以看到其嚴重的危害性。加拿大電氣協(xié)會從1991年開始用三年時間對電能質(zhì)量問題進行調(diào)查，在 550個供電點上進行電能質(zhì)量監(jiān)測，測量結(jié)果說明平均每個用戶每月發(fā)生38次電壓凹陷，且?guī)缀跆焯於荚诎l(fā)生，這給工業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重損失。美國的300多個電能質(zhì)量監(jiān)測器的觀測數(shù)據(jù)說明：高達92%的擾動事件是持續(xù)時間不到2秒鐘的電壓凹陷。英國一家造紙公司平均每年要遭受30次電壓凹陷，而每次造成的損失不少于14萬英鎊。

17、可以看出，電壓凹陷已成為威脅現(xiàn)代社會各用電設(shè)備正常、平安工作的主要干擾，是現(xiàn)代電能質(zhì)量問題的重心。因此，解決電壓凹陷問題是十分必要。 電壓凹陷的解決方案由于現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電壓等級也越來越高，所以抑制故障的本錢也很高。而故障去除操作的改良本錢也很高，且只能依靠繼電保護技術(shù)的進步。但這些方法價格昂貴而效率很低，運行時功率損耗也比擬大，補償?shù)木纫膊桓?。所以必須克服上述方法的缺乏，找出本錢低、效果好、能耗低的補償方法是十分有必要的。對于電壓凹陷的危害，可從電力系統(tǒng)和電力用戶兩個方面采取措施來解決：在系統(tǒng)側(cè)的措施主要包括兩種：減少電網(wǎng)故障和改良系統(tǒng)故障去除操作。但是由于在電力用戶側(cè)的措施主要是

18、加裝處理裝置。早期的做法是采用不間斷電源、采用大功率電力電子技術(shù)和配電自動化技術(shù)綜合應(yīng)用，以用戶對電力可靠性和電能質(zhì)量要求為依據(jù)，為用戶配置所需要的電能供給。而動態(tài)電壓恢復(fù)器 (DynamicVoltage Restorer-DVR)是其中的主要產(chǎn)品之一。1.2 研究現(xiàn)狀在目前的DVR的理論研究上主要是集中在主電路結(jié)構(gòu)和控制方法上。在主電路結(jié)構(gòu)上，主要研究不同的三相系統(tǒng)逆變器的結(jié)構(gòu)對故障電壓補償?shù)男Ч系膮^(qū)別。在控制方法上，主要是如何快速準確的捕捉到畸變電壓，并對其進行很好的補償，這其中最主要的是對不平衡的畸變電壓進行的補償，以及在儲能一定的情況下，盡量的延長補償電壓跌落的時間，即能量優(yōu)化的補

19、償。在近幾年里，關(guān)于動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR各種研究以及控制方法的設(shè)計在國內(nèi)外十分的多，因而也有一些公司開發(fā)出來了一些產(chǎn)品，例如美國的GE、瑞士的ABB、德國的西門子還有我們國內(nèi)的一些公司也研發(fā)并生產(chǎn)出了DVR產(chǎn)品。在幾年前清華大學(xué)電機系柔性交流輸電配電系統(tǒng)研究所也獨立研發(fā)并制造出了一臺10KVA/380V的三相DVR樣機。在各個大學(xué)研究所關(guān)于動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR的研究十分的多，這也說明DVR在當(dāng)今社會對電網(wǎng)電能質(zhì)量問題治理的重要性。2 動態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理與結(jié)構(gòu)2.1 動態(tài)電壓恢復(fù)器的根本結(jié)構(gòu)與原理 圖2.1.1 工作原理圖 從上圖中我們我們可以看到，DVR系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)電網(wǎng)中的電壓

20、降低時，連接在敏感型負載前端的檢測模塊其可以檢測到電網(wǎng)中的電壓，檢測到的電壓信號通過調(diào)理電路進入DSP中，調(diào)理電路其中主要是濾波電路和偏置電路組成，其目的是將信號進行濾波進行偏置，是信號變?yōu)榉翟?到3V間的模擬信號。信號通過DSP的IO進入DSP內(nèi)部，DSP通過將檢測到的信號與標(biāo)準的電壓進行比擬，假設(shè)其電壓與標(biāo)準電壓有偏差時，也就是電壓有跌落時，DSP的EV模塊將會產(chǎn)生SPWM來驅(qū)動逆變電路工作，但強弱電之間要有隔離，因而就有一個光隔模塊。當(dāng)SPWM進入逆變模塊后，就會產(chǎn)生所需補償?shù)碾妷?，通過串聯(lián)變壓器進入電網(wǎng)中，這時電網(wǎng)電壓就會恢復(fù)到正常水平左右。濾波電路后端的檢測調(diào)理電路其主要是對逆變器

21、產(chǎn)生的信號回饋到DSP與標(biāo)準要補償?shù)碾妷哼M行誤差分析，這也是控制上閉環(huán)控制。主電路的過零檢測電路主要是對補償電壓的相位進行控制，使其相位與電網(wǎng)的相位一致，使其到達并網(wǎng)的標(biāo)準。 在現(xiàn)在的補償策略中，主要有完全補償，同相位補償以及最小能量補償三種。對于完全補償，其是指補償電壓與跌落后的電壓相加之后能使網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)到跌落前的電壓，該方法從補償效果上說是最好的，但是由于目前的電力電子技術(shù)水平，以及控制上的不易實現(xiàn)，因而此方法目前一般不用。對于最小能量法，其也叫超前補償法，也就是補償電壓超前網(wǎng)側(cè)電壓一個角度，從可以使補償?shù)墓β室驍?shù)降低，降低補償能量。但是由于本設(shè)計在實驗室中進行實驗與驗證，補償?shù)碾妷悍?/p>

22、也不是太大，因而我們采用的是同相位補償。同相位電壓補償?shù)难a償電壓與瞬時電壓同相位，只能進行幅值的補償，不能補償相角變化，其補償相量圖如圖.1 所示。但當(dāng)電壓出現(xiàn)切痕、突波等陡變時，由于補償電壓只能在此根底上產(chǎn)生，這種補償方式效果不好，甚至可能出現(xiàn)惡化的趨勢。這種補償方式的缺點還在于無法控制DVR 輸出的有功，對于那些對相位波動敏感的負荷顯然無法適用。其優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單，補償速度快，DVR串聯(lián)側(cè)容量較小，可補償?shù)碾妷悍秶畲?，因此在對相位波動不敏感的場合?yīng)用廣泛。 圖同相位補償在仿真中，采用的是可編程電壓源來模擬電網(wǎng)的電壓進行周期性的跌落，設(shè)置正常輸出電壓為380V，設(shè)置跌落時間為0.2到0.6

23、秒跌落，跌落幅值的30%，變壓器變比為1:1，控制上采用閉環(huán)PID控制，PI參數(shù)設(shè)置為1與2，仿真原理圖如下： 圖 MATLAB仿真圖 上圖是MATLAB做的一個同相位補償?shù)姆抡鎴D，控制上我們采用的是PI調(diào)節(jié)，閉環(huán)控制，下面我們看一下仿真結(jié)果： 圖 仿真結(jié)果圖 從仿真記過圖上我們可以看到，在仿真中，我們?yōu)榱嗽谒惴ㄉ系姆奖?，采用的都是?biāo)幺值算法，從結(jié)果上我們可以看到，進過DVR的補償后，主電路的電壓根本上可以保持穩(wěn)定在380V，但是補償時還是有一定的諧波注入到電網(wǎng)中，但經(jīng)過分析比對后，我們可以知道其主電路PHD值沒有超過5%，這就從理論上證明了我們的方案與設(shè)計是合理可行的。3 動態(tài)電壓恢復(fù)器測控

24、電路的設(shè)計與分析3.1 檢測電路 由原理框圖可知，檢測電路就是檢測經(jīng)過電路的電壓、電流信號大小的，電壓、電流經(jīng)過檢測電路到調(diào)理電路再到DSP中進行信號處理，檢測方法有三種：霍爾傳感器、交流電流互感器、電阻分壓。 霍爾傳感器：霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，其工作原理是磁場平衡式的，即原邊電流所產(chǎn)生的磁場，用通過次級線圈的電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，使霍爾元件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。具體工作過程為：當(dāng)原邊回路有一大電流IP流過時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個強的磁場HP，這一磁場被聚磁環(huán)聚集，并感應(yīng)霍爾元件，使其有一個信號輸出Uh，這一信號經(jīng)放大器N放大，再輸入

25、到功率放大器中，這時相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個補償電流Is。由于這一電流要通過很多匝繞組，多匝導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場Hs與原邊電流所產(chǎn)生的磁場Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中總的磁場變小，使霍爾器件的輸出逐漸減小，最后當(dāng)Is與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場Hs與Ip所產(chǎn)生的磁場Hp相等時，到達磁場平衡，Is不再增加，這時霍爾元件就處于零磁通檢測狀態(tài)。上述過程是在非常短的時間內(nèi)完成的，這一平衡的建立所需時間在s之內(nèi)，且是一個動態(tài)平衡過程，即：原邊電流Ip的任何變化都會破壞這一磁場平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾元件就有信號輸出，經(jīng)放大器放大后，立即有相應(yīng)的電流流過次級線圈對其進行補償。 交流電流互感器：原

26、理同變壓器，起電流變換和隔離兩重作用。原理是電磁感應(yīng)；作用： 隔離危險的較大電流； 比擬精密的互感器接入電度表參與計量； 供工作 維修人員檢查 檢測 分析故障； 供給電磁繼電器做保護 電阻分壓：串聯(lián)一個電阻，用分壓的方法計算電壓、電流值，但方法比擬麻煩，而且沒有上面兩種精確。 三種方法都可以檢測電壓、電流信號，但是霍爾傳感器的檢測速度要快于交流電流互感器，出色的精度、良好的線性度、低溫漂、抗外界干擾能力強、共模抑制比強、反響時間快、頻帶寬，所以我選用的是霍爾傳感器。 下面對電壓霍爾傳感器參數(shù)設(shè)定進行一下設(shè)計分析：假設(shè)采樣電壓有效值220V,可以選擇LEM的LV25-P電壓傳感器測量電壓，轉(zhuǎn)換率

27、為2500:1000，電參數(shù)如下：產(chǎn)品型號：LV25P 原邊額定有效值電流：10mA 原邊額定有效值電壓：10V500V各檔 原邊電流測量范圍：0±14mA 副邊額定有效值電流：25mA 電源電壓±5%：±12VDC 或 ±15VDC 絕緣耐壓原副邊之間：50HZ，1分鐘， 轉(zhuǎn)換率：25001000 電流消耗：24mA測量總精度25：± 線性度：0.8% 零點失調(diào)電流：± 溫度漂移070：±

28、60;響應(yīng)時間：40s didt跟隨精度：50As 頻帶寬度：DC10KHz 環(huán)境操作溫度：1070 環(huán)境貯存溫度：2585采樣電壓有效值220V，該電壓傳感器原邊額定有效值電流為10mA,因此原邊選擇R1=22k的限流電阻；副邊電壓有效值為1V，副邊額定有效值電流為25mA，選擇RM=40歐姆的測量電阻。如下圖： 圖 檢測電路原理圖3.2 調(diào)理電路我們利用DSP內(nèi)部所帶的AD外設(shè)檢測電壓，其內(nèi)部AD的參考電壓為3V。也就是其管腳可以接受的電壓一般為0到3V的單極性信號，而我們通過檢測電路出來的電壓一般為雙極性的正弦信號，因而我們可以把其偏置為0到3V的

29、范圍內(nèi)的信號。由于電磁干擾信號在傳輸?shù)倪^程中還有一些諧波信號，我們采用二階巴特沃斯低通濾波器把這些諧波信號給濾掉，以免其對正常信號產(chǎn)生影響。如下列圖所示，是偏置調(diào)理和濾波的電路圖： 圖 調(diào)理電路原理圖 加法運算電路： 根據(jù)運放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)可知：虛斷： (1)虛短：=0解釋：同相端接地，所以 (2) (3) (4)將(2)、(3)、(4)式帶入(1)式可得：假設(shè)，那么：平衡電阻 由于運放管腳電流不能過大，我們選定51K的電阻。 有源低通濾波電路： 在模電中我們學(xué)過巴特沃斯電路，下面我們對此電路進行一下分析計算。二階有源低通濾波電路如下圖： 圖 二階濾波電路 有圖可見，它是由RC濾波

30、電路和同相比例放大電路組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即。 (5) 在該電路中，我們還要考慮一下傳遞函數(shù)： 在考慮到集成運放的同相輸入端電壓為 (6) 而與的關(guān)系為 (7) 對于節(jié)點A，應(yīng)用KCL可得 由上式可得電路的傳遞函數(shù)為 (8)設(shè) (9) 可得 (10) 上式為二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)式。其中 (9)為特征角頻率，也是3dB截止角頻率，而Q為等效品質(zhì)因數(shù)。 我們上面的推導(dǎo)中可以知道截止頻率的公式，即 (11) ，從而可以電阻值約為10K。下面我們對我們設(shè)計的調(diào)理電路進行Multisim軟件仿真： 圖調(diào)理電路仿真圖 圖偏置結(jié)

31、果 圖調(diào)理結(jié)果 從仿真結(jié)果上我們可以看到，該調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計具體如下： 圖調(diào)理電路最終參數(shù) 在設(shè)計中我們用到的放大器是TL084，其管腳的功能圖如下： 根據(jù)以上的設(shè)定，最終調(diào)理電路的板子管腳連接圖如下： 圖 調(diào)理電路板子連接圖3.3 電源電路在我們設(shè)計的電路中，每個電路都要外加電源使電路工作，我們所要用到的電源主要是+15V與-15V的直流穩(wěn)壓電源，所以我們還要設(shè)計一個電源電路。我們設(shè)計電源電路時，我們選用的是LM7815與LM7915.。這兩個芯片其外部形狀。都是3個管腳，7815可以產(chǎn)生+15V，7915產(chǎn)生-15V。但是7815與7915的管腳功能不是太一樣，其中腳號標(biāo)注方法是按照引腳

32、電位從高到底的順序標(biāo)注的。這樣標(biāo)注便于記憶。對于7815，引腳為最高電位，腳為最低電位，腳居中，不管正壓還是負壓，腳均為輸出端。對于LM78*正壓系列，輸入是最高電位，自然是腳，地端為最低電位，即腳，如附圖所示。對與LM79*負壓系列，輸入為最低電位，自然是腳，而地端為最高電位，即腳。知道了7815與7915的管腳輸出，我們根據(jù)其典型運用，設(shè)計了一個電路，并在Multisim的環(huán)境下進行了仿真。 圖 電源電路仿真 圖 仿真結(jié)果 從仿真中我們可以知道，我們設(shè)計的電路，它是可以滿足我們的根本要求的。3.4 過零檢測電路在我們對補償電壓進行并網(wǎng)的時候，為了保證補償電壓的相位與時序，我們通常要做一個過

33、零檢測電路，其電路結(jié)構(gòu)如下：圖 過零檢測電路圖中LM339AJ是一個電壓比擬器，電壓信號接入LM339AJ，過零電路在工作時，電網(wǎng)沒經(jīng)過一次過零點LM339AJ進行一次電平翻轉(zhuǎn)，從而輸出與電網(wǎng)同頻率的方波。遲滯比擬器為雙門限值輸入的比擬器，由于正反響的作用，其門限電壓隨著輸出電壓發(fā)生變化，單門限電壓比擬器雖然電路比擬簡單，靈敏度高，但其抗干擾性能差，當(dāng)輸入電壓含有噪聲和干擾電壓時，其輸出電壓會時而正飽和輸出，時而負飽和輸出，如果控制電機，會頻繁出先啟?，F(xiàn)象。為了提高抗干擾能力，所以采取遲滯比擬器。遲滯比擬器靈敏度雖然低了一些，但抗干擾能力比擬強。令時，求出的輸入Vi就是門限電壓，圖中所示上下門

34、限電壓為：過零電路仿真輸出結(jié)果:圖 仿真結(jié)果3.5光隔電路的設(shè)計對于光電隔離電路來說，在設(shè)計中，我采用的芯片是HCPL-4504，下面我先介紹一下該芯片。對于該芯片是美國安捷倫公司原惠普公司專為IPM等功率器件設(shè)計的光電隔離接口芯片，該芯片內(nèi)部集成了高靈敏度的光傳感器，極短的寄生延時為IPM應(yīng)用中的高速開關(guān)的死區(qū)時間確保了平安，是功率器件接口的很好的一個芯片。對于三菱公司的IPM來說，根本上都會在數(shù)據(jù)手冊上推薦該芯片作為接口芯片。該芯片管腳圖如下：圖HCPL-4504的管腳圖其工作原理圖如下：圖HCPL-4504的原理圖該芯片在應(yīng)用中最大額定值如下表：其電氣特性如下：對于該芯片，其典型運用電路

35、如下： 圖 HCPL-4504的運用電路說明：1IF為輸入的電流信號，假設(shè)為16mA 2為輸出電壓信號 3tPHL，tPLH為輸入輸出延時 4RL的選擇建議在10K到20K之間 5CL的選擇建議早10pF到100pF之間 77管腳與8管腳需要短接3.6驅(qū)動觸發(fā)電路我們都知道，在DSP產(chǎn)生的SPWM信號是比擬小的，就算進過光電隔離電路后，其電壓才能到達5V，這個電壓是不肯能來直接驅(qū)動觸發(fā)我們的IGBT正常的翻開的，所以我們需要設(shè)計驅(qū)動觸發(fā)電路。在我們主電路設(shè)計上，我的同組同學(xué)選定的三菱公司的IPM系列里面的PM100CLA120的IGBT模塊。下面我對這個芯片進行一下介紹： PM100CLA12

36、0芯片圖該芯片是三菱公司開發(fā)的第五代IGBT模塊，其中，它內(nèi)置了驅(qū)動觸發(fā)模塊，可以直接控制IGBT的正常關(guān)斷與導(dǎo)通，其最大通過電流為100A，最大電壓為1200V，開關(guān)頻率為20K。在其內(nèi)置的電路中，還有邏輯保護檢測，短路、過溫、欠電壓保護，其噪聲也比擬小。其工作時，溫度對其影響相比其他的芯片來說也比擬小，其最高工作溫度為125度，因而這個芯片是比擬好的。通過查找該芯片的使用手冊，我們可以知道其典型電路，如圖.2所示： ，結(jié)合本系統(tǒng)的要求具體電路設(shè)計主要包括故障輸出電路、電源電路和光電隔離電路。故障輸出電路如下圖，起作用當(dāng)發(fā)生短路、過溫、欠電壓等故障時通過故障輸出電路輸入到DSP或其他保護電路

37、對系統(tǒng)進行保護。由于逆變橋上下橋臂驅(qū)動電源需要分開單獨供電，本系統(tǒng)電源電路采用4個電源模塊，其中三個分別為上橋臂供電，因下橋臂有公共點，所以三個下橋臂公用一個電源模塊，光電隔離器件采用上節(jié)所述的美國安捷倫公司原惠普公司專為IPM等功率器件設(shè)計的光電隔離接口芯片HCPL4504。電路圖所示：詳細電路設(shè)計見附錄。PM100CLA120的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖3.故障輸出電路圖電源電路和光電隔離電路4 電壓信號的檢測方法比照4.1 交直流變換采樣根據(jù)電工學(xué)上對周期性信號有效值和平均功率的根本定義，并將其離散化可以得到： (1) (2) (3) (4) 為了提高精度，在連續(xù)一個周期內(nèi)取N = 20均勻地對交流

38、信號Uab 、Ia 、Ucb 、Ic采樣20次， 算出有效值及對應(yīng)的有功功率P1 、P2 和無功功率Q1 、Q2，再根據(jù)兩表法的原理，計算出各種交流電的特征參數(shù)。這種測量方法的優(yōu)點是精度高、速度快。測量的有效值和平均功率一次就可以計算出來。其包含了基波和各次諧波的綜合參數(shù)，真實地反響了被測信號的實際情況， 但缺點是無法將基波和其它諧波別離開來，因此不能反映電源的供電質(zhì)量。另外為保證平均功率的精度必須在同一時刻對電壓電流進行采樣，而增加了局部硬件的投資。4.2 均方根法根據(jù)信號分析理論，周期函數(shù)f ( t ) 的傅里葉級數(shù)展開式經(jīng)推導(dǎo)、離散處理可以得出: (5) (6) (7)式中: Akrm

39、、Akxm 、Akm分別是k 次諧波的實部幅值、虛部幅值和正弦波幅值。 平衡測量精度和計算工作量，在連續(xù)一個周期的時間間隔內(nèi)均勻地對交流信號Uab 、Ia 、Ucb 、Ic進行12 次采樣， 可以算出各信號基波的電壓實部Uabrm 、Ucbrm 、電壓虛部Uabxm 和Ucbxm 、電壓幅值Uabm和Ucbm 、電流實部Iarm和Icrm 、電流虛部Iaxm和Icxm 、電流幅值Iam和Icm ，進而可以算出三相有效功率P、無功功率Q 和功率因數(shù)cos: (8) (9) (10) 用同樣的方法可以算出其它諧波的特征參數(shù)。從上面的計算過程可以看出，傅里葉級數(shù)法可以計算出各次諧波的各種特征參數(shù)，計

40、算精度較高。這對電源輸出質(zhì)量的分析是非常有用的。這種采樣方法將交流電流和電壓Uab 、Ia 、Ucb 、Ic先轉(zhuǎn)成直流信號再送A/ D 轉(zhuǎn)換器進行采樣，通過檢測電壓、電流以及兩者之間的相位差，再用公式計算出三相電路的有功功率P、無功功率Q 、功率因數(shù)cos (11) (12) (13)交/ 直流變換采樣計算方法的優(yōu)點是運算簡單、對A/ D 轉(zhuǎn)換器的速度要求低、運算工作量小、對處理器的速度和性能要求也高， 電流電壓測量的穩(wěn)定性好；它的缺點是首先增加了交/ 直流變換環(huán)節(jié)，變換器反響速度慢至少45 周期 且精度不高一般大于0. 2級，所以這種方法測量精度差、反響速度慢。 其次，由于采用過零比擬器，相

41、位差測量比擬容易受到干擾，且不易被濾除。另外，相位差測量要占用較多的資源，使得這種方法不適合用于多路測量。使用商化的功率模塊可以避開測量相位差， 但本錢提高了很多。因此這種方法只適用于要求不高的場合。4.4 基于瞬時無功理論的坐標(biāo)變換其實瞬時無功理論通常也叫做坐標(biāo)變換，是根據(jù)三相VSR一般數(shù)學(xué)模型的一種運算。所謂三相VSR一般數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)三相VSR的拓撲結(jié)構(gòu)，在三相靜止坐標(biāo)系a,b,c中，利用電路根本定律基爾霍夫定律對VSR所建立的一般數(shù)學(xué)模型的描述。對于靜止的對稱坐標(biāo)系(a,b,c)中的VSR一般數(shù)學(xué)模型進行分析，可知這種VSR一般數(shù)學(xué)模型具有物理意義清晰、直觀等特點，但在這種數(shù)學(xué)模型中

42、，VSR交流側(cè)均為時變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)設(shè)計。為此可以通過坐標(biāo)變化把三相靜止的坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娋W(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d,p坐標(biāo)，這樣經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)過的變換后，三相對稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量就轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，從而簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計，三相靜止坐標(biāo)系中三相VSR一般數(shù)學(xué)模型進過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換后，即轉(zhuǎn)換為三相VSRdp 模型，因而瞬時無功理論也叫做dp變換。其公式如下： (14) 坐標(biāo)變換器在監(jiān)測時，瞬時性，快速性，以及準確性都是比擬好的，因而我們采用此方法。 5 軟件分析5.1 SPWM的生成SPWM技術(shù)目前已經(jīng)在實際得到非常普遍的應(yīng)用。經(jīng)過長期的開展，大致可分成電壓SP

43、WM，電流SPWM和磁通SPWM。其中電壓和電流SPWM是從電源角度出發(fā)的SPWM，而磁通SPWM那么是從電動機角度出發(fā)的SPWM。 電壓SPWM技術(shù)是通過生成的SPWM波信號來控制逆變器的開關(guān)管，從而實現(xiàn)電動機電源變頻的一種技術(shù)。產(chǎn)生電壓SPWM信號的方法有硬件法和軟件法。其中軟件法是使電路本錢最低的方法，它通過實時計算來生成SPWM波。但是實時計算對控制器的運算速度要求非常高。DSP無疑是能滿足這一要求的最理想的控制器。電壓SPWM 信號實時計算需要數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型的方法很多，有諧波消去法、等面積法、采樣型SPWM法以及由它們派生出的各種方法。對稱規(guī)那么采樣法的數(shù)學(xué)模型非常簡單，但是

44、由于每個載波周期只采樣一次，因此所形成的階梯波與正弦波的逼近程度仍然存在較大的誤差。如果既在三角波的頂點對稱軸采樣，又在三角波的底點對稱軸位置采樣，也就是每個載波周期采樣兩次，這樣所形成的階梯波的逼近程度會大大提高。由于這樣采樣所形成的階梯波與三角波的交點并不對稱，因此稱其為不對稱規(guī)那么采樣法。與規(guī)那么采樣法相比每個載波周期采樣兩次，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會大大提高。由于采用了內(nèi)存大運算速度高的DSP，軟件控制算法選用不對稱規(guī)那么采樣法。不對稱規(guī)那么采樣法生成SPWM波如下圖：由于采用不對稱規(guī)那么的算法，要用到正弦函數(shù)、浮點數(shù)的計算，單獨用匯編語言實現(xiàn)較為麻煩，同時為提高運行速度，

45、故采用C語言與匯編混合編程實現(xiàn)。 圖 不對稱規(guī)那么采樣法生成SPWM波當(dāng)在三角波的頂點對稱軸位置t1時刻采樣時，那么有 (1)當(dāng)在三角波的底點位置t2時刻采樣時，那么有 (2)將三角形相似關(guān)系式 (3) 代入上面兩個式子得： (4)生成 SPWM波的脈寬為： (5)由于每個載波周期采樣兩次，所以 (6) (7) (8) 式中k為偶數(shù)時代表頂點采樣，k為奇數(shù)時底點采樣。不對稱規(guī)那么采樣法的數(shù)學(xué)模型盡管略微復(fù)雜一些，但由于其階梯波更接近于正弦波，所以諧波分量的幅值更小，在實際中得到更多的使用。 以上是單相SPWM波生成的數(shù)學(xué)模型。如果要生成三相SPWM波，必須使用三條正弦波和同一條三角波求交點。三

46、條正弦相差120度，即： (9)如果使用不對稱規(guī)那么采樣法，那么頂點采樣時有： (10)底點采樣時有： (11) (12)5.2 主程序流程圖本次程序的設(shè)計思路是盡量少的使用中斷，因為中斷太多可能會導(dǎo)致程序亂跑，因此在能使用查詢的程序局部盡量的使用查詢，比方捕獲單元。圖 主程序流程圖 圖 定時器下溢中斷流程圖 圖5.2.3 AD子程序流程圖 6 結(jié)論 動態(tài)電壓恢復(fù)器是近幾年新興和開展起來的一類補償裝置，它可有效解決電壓凹陷、電壓短時中斷等動態(tài)電壓質(zhì)量問題。本文的工作主要是圍繞動態(tài)電壓恢復(fù)器的檢測方法和補償策略，以在硬件條件一定的前提下提高DVR的性能。通過理論分析和仿真分析，本文主要有以下結(jié)論

47、： 首先是基于加法電路與巴特沃斯濾波電路組成的調(diào)理電路可以很好的對信號進行調(diào)理，使信號符合進入DSP的要求?；贚M7815與LM7915的電源電路也可以產(chǎn)生比擬穩(wěn)定的穩(wěn)壓電壓。 其次，對于整個系統(tǒng)的補償控制上，產(chǎn)用同相位補償也可以很有效的對電壓進行補償，到達補償要求。 還有一點就是對于SPWM的生成，現(xiàn)在來說有甚多中方法，但一般都是通過軟件來實現(xiàn)，這里的簡單分析其算法也可看出其軟件生成時的根本情況。 隨著電力電子技術(shù)的開展、新器件的產(chǎn)生、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的開展，DVR裝置的性能會得到進一步的加強，同時本錢得到降低，必將在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。由于個人能力和工作時間的原因，關(guān)于動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究工作還不很完善，還有不少環(huán)節(jié)需要進一步深入地分析和研究，主要在以下幾個方面：對電壓凹陷本身特點的研究還有待進一步深入，目前掌握的數(shù)據(jù)都是國外的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)量很少，國內(nèi)相關(guān)單位對此的監(jiān)測數(shù)據(jù)還沒看到，臨近饋線短路時目前電壓凹陷的最主要原因，對這一過程好需要深入研究。正確全面地掌握應(yīng)用對象才能更好地開展動態(tài)電壓恢復(fù)器的相關(guān)環(huán)節(jié)的研究。參考文獻1 王兆安, 楊君等. 諧波抑制和無功功率補償M.