二、课题内容概述……………………………………………………5

三、课题方案设计……………………………………………………6

四、毕业设计安排……………………………………………………13

参考文献………………………………………………………………14

一、课题背景

电压质量问题可分为三类：第一类是电压偏移，包括电压暂跌、电压突升、

闪变等；第二类是供电连续性，包括瞬时断电、暂时断电、持续断电；第三类

是波形和相移方面，如谐波电压、三相电压不对称等。

目前，传统的电能质量问题，如谐波，三相不对称，闪变等仍然存在，而且严重性还在增加。但更值得注意的是：人们逐渐将传统的供电质量问题，诸如供电中断，电压长时间偏高或偏低等稳态供电质量问题的注意力，转向关注动态电压质量问题，如持续时间甚至为毫秒级的动态电压突升，脉冲，电压暂跌和瞬时供电中断，这些都是近年来随着社会信息化的日益广泛而逐渐暴露出来的新的电能质量问题形式。

根据各国学者和电力部门的统计和分析，电压跌落和瞬时供电中断被认为是影响许多用电设备正常安全运行的最严重的动态电能质量问题。电压的波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，会引起照明的闪变，使人眼疲劳而降低工效。当电压跌落到0.7p.u，持续时间超过6个基波周期将会导致调速电动机(VSD)被切除；电压跌落至0.6p.u，持续时间超过12个基波周期又将会影响计算机设备的安全运行；在现代工业中由于任一设备的作业中断都将可能导致整个流水线甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求比其中单个敏感用电设备更高。电压跌落对信息业的影响也很大，据估计80％服务器出现瘫痪以及用户端45％左右数据丢失和出错均与此有关。

对于电压跌落、电压突升和瞬时中断等动态电能质量问题，它的特点是突

发性和不可预期性即源头不明时间也不定，我们可以采用重点用户单独保护的

策略。目前大部分用户使用不间断电源(UPS)来解决这一问题，使用不见断电源

可以比较完善的解决用户端的电压质量问题，但由于其容量一般和用户端负载

的容量相当，所以成本非常高，尤其在大功率的应用场合，其应用更是受到了

很大的。同时，根据统计，80％以上的造成破坏的电压故障为电压跌落，并

且75％以上的电压跌落在30％以下。所以有必要针对这一特点研制新型的设备以

求在补偿效果和成本之间达成统一。

动态电压恢复器(Dynamic voltage Restorer，DVR)就是针对这一特点进行研制的。动态电压恢复器(DVR)串接在电源和敏感负荷之间，是一种采用电力电子技术实现的电压补偿装置，其主要的补偿对象是电压跌落，同时能够对谐波、闪变、不对称等多种电压质量问题提供补偿。当电压跌落发生时，DVR可以在毫秒级内将电压跌落补偿成正常值。由于DVR只是在电压跌落出现时，提供负荷满足正常电压所需的功率消耗，负荷所需的大部分功率还是由电源提供，因此其容量只需设计到负载容量的30—50％之间，使成本得到了降低，因此它是抑制电压跌落的最有效的补偿装置。由于它是一种比较理想的用户端电压电能质量的保护装置，所以已成为国内外的一个研究热点。

目前动态电压恢复器的理论研究主要集中在主电路结构和控制方法上。在

主电路结构方面，主要研究不同的三相系统逆变器结构对故障电压补偿效果的

区别。在控制方法的研究方面，主要的热点是如何快速准确的捕捉畸变电压，

并对其进行很好的补偿，这其中最主要的是对不平衡畸变电压的补偿，和在储

存能量一定的情况下尽量的延长补偿电压跌落的时间，即能量优化的补偿方式。

    供电电压质量问题的日益严重，同时用户端敏感负荷对电压质量要求的渐

趋提高，使得电压质量调节设备的研制显得愈发重要。动态电压恢复器（DVR）是一种新型的用户端电压质量调节装置，它主要的补偿对象是电压的跌落，同时对闪变、谐波等电压问题有较强的抑制作用。在如今这个越来越离不开电的今天，尤其是存在许多对电能质量要求越来越高的敏感负载，设计一个有效的动态电压恢复器具有很现实的意义。这可以提高所用电能质量，避免许多因电能质量问题而引起的负载损害，减少了经济损失，从而为国民经济更健康发展提供保障。

此处，我们的课题研究的是三相对称敏感负载电路中，应用DVR来补偿电压的波动，属于比较基本的DVR研究与设计。当然在此基础上可以研究更多更深入一些，比如考虑谐波影响、考虑不对称负载等，在此处就不再过多研究。

二、课题内容概述

（一）毕业设计题目：动态电压恢复器（DVR）的研究与设计（硬件）

（二）毕业设计任务:对动态电压恢复器（DVR）的理论进行分析与研究。设计一台样机，参数为：容量500VA，电压补偿范围为0-66V，补偿后电压的失真度小于8%。具体要求为：

1.研究动态电压恢复器（DVR）的理论，并进行仿真；

2.对动态电压恢复器（DVR）的主电路、控制电路和检测电路进行设计计算，选型与调试； 

3.掌握动态电压恢复器（DVR）软件编程及调试。

（三）毕业设计基本内容（主要硬件设计部分）：

 1.查阅资料、分析研究此设计的基本原理及使用的方法，含硬件电路的设计以

及DSP软件编程等。

 2.使用MATLAB/SIMULINK仿真软件模拟DVR和输电系统的其他部分，对本次毕业设计进行理论论证，并对硬件部分各元器件（电阻、电感等）的参数进行选择、改进，从而达到最佳效果。

3.按照选定的元器件焊接硬件电路并与软件编程结合，调试直至达到预期效果。

三、课题方案设计

1、动态电压恢复器（DVR）的工作原理：

动态电压恢复器(DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和敏感负荷之间，相当于一个受控电压源，能够产生任意幅值、相位和波形的电压。它具有很好的动态性能，当电网电压发生跌落或凸起时，能在很短的时间(几个毫秒)内将故障处电压恢复到正常值。

其在电力系统中的配置如图1所示。从图中可以看出，在配电系统正  常供电情况下，DVR工作在备用状态，对系统无任何影响。而当电网电压发生故障或者系统中某条支路发生故障影响其它之路的时候，DVR立即(几毫秒以内)向系统注入补偿电压，用以补偿故障下的电压差，使负荷端感受不到系统电压的任何变化，始终工作在要求的电压等级。DVR注入电压的幅值和相角均可控制，可补偿所需的有功和无功，补偿时间可以根据敏感负荷的要求以及系统故障的特征来预

先配置，它是目前国际上使用的越来越多的新型电能质量补偿置。

图1 DVR在电力系统中的配置图

2、动态电压恢复器——主电路结构：

动态电压恢复器作为一种补偿电压畸变的电力电子装置，基本结构如图2所示。由图可知动态电压恢复器是由储能装置（整流装置）、逆变器、无源滤波器、变压器等组成。下面分别介绍这几部分的设计。

图2 动态电压恢复器的基本结构

2.1 储能装置的设计：

   储能装置一方面为逆变器提供直流侧电压，另一方面当动态电压恢复器需

要有功功率输出时输出能量，目前主要使用蓄电池或电解电容来实现。现在有些研究机构尝试使用超导线圈、飞轮来代替，由于技术较为复杂，成本较高，所以目前应用前景不太光明。只是由于在动态电压恢复器的运行中，有时电压跌落会持续较长的时间，此时动态电压恢复器就可能需要有大量的有功功率输出。直流侧仅使用电解电容无法解决这一问题，而使用蓄电池会增加成本。如果为直流侧再加入一个整流电路，它就可保证对40％左右的电压跌落提供永久的补偿。由于动态电压恢复器的设计容量一般为负荷容量的30％左右，所以使用这种方法完全可以满足需求，同时所需成本较低。

对于直流侧的整流电路可以有很多种结构，常用的主要是这三种，用二极管整流桥作为整流电路、升压斩波电路作整流电路和三相PWM整流电路。其中二极管整流电路有许多缺点，比如直流侧电压不可控、电压跌落严重时不能保证直流侧的稳定等等。升压斩波电路作整流电路对动态电压恢复器（DVR）进行供电时，由于DVR工作时电源电压处在跌落的情况下，若利用二极管整流电路，当电源跌落太大时将不能长时间保证负载电压的稳定，而升压斩波电路作整流电路可以解决这一问题，它可以动态的调节直流侧电压，并且可以在电源电压下降时保证直流侧电压稳定，从而保证DVR正常工作。其结构图如图3所示。

图3  升压斩波电路整流部分结构图

而此次设计采用的DVR整流装置为图4所示的三相PWM整流电路，这也是目前广泛采用的整流装置。用此电路来控制直流母线电容电压，可以使DVR装置的有功功率返回电源，因此在发生电压突升或跌落等电压质量问题时，直流母线电容上的电压都可以保持大致不变，实现了DVR装置四象限运行的要求。而且将PWM整流电路安装在电网侧时的DVR装置的串联变压器、电压源逆变装置、PWM整流电路所对应的基波容量要比PWM整流电路在负载侧时要小。

图4  三相PWM整流电路

2.2  逆变器结构：

动态电压恢复器的逆变器（DVR）结构有三相全桥、三个单相桥拼成三相全桥等。逆变器采用三个单相桥拼成三相的方式可以方便的适用于三相四线制和三相三线制系统，结构比较灵活，稳定性较强，比较适用于大功率场合，不过需要三个单相共计12个开关管，所以成本较高。而使用三相全桥只需6个开关管，成本较低。普通的三相全桥为三线制，不能对零序进行补偿，如果采用一种改进的三相全桥结构，即从直流侧的中点引出第四根线，就可以解决这一问题。整个结构在不补偿零序时相当于普通的三相全桥，在补偿零序时相当于三个半桥。从而在补偿零序和系统成本方面达到了统一。不过采用这种结构，当其中一个桥臂发生故障时，三相均不能正常工作，所以稳定性较差，比较适合工作在小功率的场合。逆变器的拓扑结构参见图5。

图5  逆变器拓扑结构

2.3耦合方式：

在不同的应用场合，DVR与系统的耦合方式主要分为两种：采用串联变压器

耦合和采用电容器耦合。常用的方式是采用串联变压器耦合，这种方式的好处是可以采用升压变压器，从而降低逆变器直流侧电压等级，在电压较高的应用中，这可以提高装置的可靠性，同时可以更加灵活地选择开关器件。此种耦合方式另一个重要的优点是将逆变器和电网隔离了，从而使得直流电容上的能量可以由系统整流得到。在本课题设计中采用串联变压器耦合的方法。

2.3输出侧滤波器：

    在DVR装置中，如果采用电容器耦合方式，则逆变器输出侧加装电抗器和

藕合电容一起构成滤波器。采用串联变压器藕合方式时，就必须加装额外的滤

波器。滤波器的安装位置有多种，不同的安装位置对于DVR的性能和串联变压

器的设计都有很大的影响。采用串联变压器后，输出侧滤波器的安装位置可能

有以下的情况，如图6中A、B、C所示：

图6  输出侧滤波器安装位置图

如果在逆变器出口装设滤波器(A处)，那么将滤除输出电压中的高次谐波(主要是开关频率及其整数倍)，这将降低串联变压器的设计容量。这种方法最大的问题是滤波器容易带来补偿电压的相移以及幅度的衰减。因此必须根据装置的容量设计相移小，衰减少的滤波器。同时还要对控制器的参数进行优化设计，加入一定的补偿措施。

如果将滤波器安装于线路上(C处)，可以利用L2的设计消除串联变压器漏抗分布参数的影响。同时由于L2，C2的存在，使测量负载电流变得容易，从而可以进行电流模式控制。但这种方式并没有解决串联变压器的设计难题。

如果采用串联变压器跨接电容器滤波的方式(B处)，则可以利用串联变压器的漏抗作为滤波电感，但串联变压器仍然要承受高次谐波，同时这种方式滤波效果也不是很好。

综合考虑设计的难度和装置应用的范围，我们采用在图中A处装设LC滤波器的设计方案。

3、动态电压恢复器——控制电路的结构：

动态电压恢复器作为动态电压质量补偿装置，其基本功能是动态补偿电压凹陷，同时也应该能够补偿如电压谐波，不平衡等稳态电压质量问题。DVR要想实现上述功能，其关键技术之一就是能快速、无偏差地测出所需补偿的畸变电压分量。因为只有把畸变电压分量准确地检测出来才能实现对畸变电压的补偿。

本课题中使用的DVR辅助电路包括以下大部分：检测电路、调理电路、DSP

模块、驱动电路，如图7所示。

图7  DVR控制模块

其具体的控制过程是：检测量电压经过电压霍尔传感器后变成弱电信号，经信号处理电路变成DSP模块输入要求的0～3V信号。同时为了保证同一时刻对输入信号进行采样和避免频率变化引起采样信号出现的误差，需要同步信号首先通过电压霍尔元件实现控制电路与主电路的隔离。这样能够避免主电路中大电流流过时带来的干扰。霍尔元件具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。互感器把电压信号变成了电流信号送入控制板，先经过电阻变成电压信号，再经过有源二阶低通滤波。这个过程中用到调理电路，将电压信号最大幅值：-1.5V～1.5V变为最大幅值为0～3V，并通过二阶低通滤波。之后得到的电压信号输入到DSP模块中用来启动A／D采样和转换。信号经过A／D转换后，通过软件编程，检测算法进行运算，计算出电压补偿量的大小，最后通过计算产生PWM脉冲信号，送往IGBT驱动保护电路以驱动IGBT工作产生所需要的补偿信号。

这里要注意一些硬件设计的接线问题。比如电压霍尔传感器的输入端接地应与220V输电线路接地相同，而其输出端的低压信号电路的接地不允许与前者相同。对于其中的一些电阻值得选取必须保证DSP模块的输入最大电压幅值为0～3V，这在该课题以后的设计过程中必须注意到。

关于硬件部分的具体电路设计会是本课题以后研究的重点任务，包括主电路以及辅助电路的设计。而对于软件编程部分在此处不做重点讨论，由另一位同学完成。

4、综合上面的讨论可得到本次毕业设计的总的框图，如图8所示。由图可以清楚的看见，对于硬件设计部分，

图8  DVR总体设计框图

毕业设计安排

上学期8---13周    译文、查找资料、熟悉文献

上学期14—19周    设计思路、方案选择确定

下学期1－2周    毕业设计开题、毕业实习

下学期3--7周    硬件设计、软件编程并用MATLAB/SIMULINK软件仿真，确定并修改元件参数

下学期8--9周    中期答辩

下学期10-12周    焊接硬件电路

下学期13周    结合程序进行实际调试直至达到预期效果

下学期14-15周     完善毕业设计论文 参加终期答辩

参考文献

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