电压暂变补偿装置项目申报表-李彦斌

1大学生创新创业训练计划项目申报表推荐学校西安工程大学项目名称无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器项目类型创新训练项目项目负责人张松申报日期2014-3-25陕西省教育厅制二○一四年五月2项目名称无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器项目类型（√）创新训练项目（）创业训练项目（）创业实践项目项目实施时间起始时间：2014年9月完成时间：2015年6月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail负责人张松11级西安工程大学电子信息学院/电气[e-mail]成员王海东11级西安工程大学电子信息学院/电气[e-mail]高文龙12级西安工程大学电子信息学院/电气[e-mail]刘晓龙12级西安工程大学电子信息学院/电气[e-mail]指导教师姓名李彦斌研究方向电气工程年龄39行政职务/专业技术职务工程师主要成果1.多次指导学生电子竞赛；2.指导大学生国家级大学生创新创业项目一项，已结题；3.参与多项横向、纵向科研项目。3一、项目实施的目的、意义电能是推动当今社会进步、各国经济可持续发展的主要能源，被广泛应用于各行各业。安全的、可靠的、高质量的电力供应，是确保各国国民经济高速、可持续发展的基本前提。随着电力电子技术的广泛应用、智能家用电器的普及、炼钢电弧炉的发展等，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性引起电能质量的恶化，致使电网的谐波、三相不平衡、电压波动和电压闪变等问题日益严重。计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术的应用等对电能质量的要求越来越高。国内外大量统计资料表明，在所有的电能质量问题中，电压暂变的发生频率最高、危害最为严重，由此，电压暂变补偿问题已成为人们日益关注并亟须解决的问题之一。在供电系统与用电设备的接口处装设附加设备，是目前应用最广，抑制电压暂变问题效果最明显的措施。其中，动态补偿技术以其能有效解决电压质量问题，提高供用电电能质量等特点，而被广泛使用。目前常用的动态补偿方式包括串联电压补偿方式和并联电流补偿方式两种。在相同的电压暂变条件下，串联电压补偿相比于并联电流方式，更易于实现。但当前国内外的串联型电压暂变补偿装置存在可补偿电压跌落深度不够，可持续补偿时间短等缺点，因此，研究一种可补偿电压跌落深度更高，可持续补偿时间更长，同时体积更小、成本更低廉的自充电串联型电压暂变补偿装置是非常有必要的。4二、项目研究内容和拟解决的关键问题（1）无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器的原理图如图1所示，与动态电压恢复器（DVR）相比，无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器无需串联变压器和外加储能单元，这使得该装置的体积大大减小，另外，直流母线电容采用在线充电方式，使得其可持续补偿时间不受限制。与动态电压校正器（DySC）相比，优势在于无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器的母线电容改由线电压充电，可以有效提高动态电压补偿范围，理论分析发现，当电压暂低时，无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器能补偿三相电网电压对称暂低到额定值的37%，或一至两相暂低到零，而其它相保持额定。GT1GT2C1+C2+LfVT1VT2VD1VD2GD1GD2CfLoadD1D3D2D4UaUbUc图1无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器结构图5（2）能量优化控制策略是在发生电压幅度暂变时，通过控制补偿电路输出特定的电压，保证负载电压幅值额定。同时，在实现负载电压额定的同时，保证补偿电路输出的能量最优。能量优化控制策略是一种新型控制策略，它不需要或只需要很小的有功就能补偿电压暂变，从而减少补偿电路储能设备的容量和系统成本，减少直流环节输出能量的压力，是一种具有潜力的控制方法。如图2所示，1V为电网剩余电压，injectV为补偿装置注入电压，2V为负载电压，I为负载电压。如图(a)所示，当剩余网侧电压较大时，在负载电压2V一定时，通过旋转暂低电源电压1V，使得串联型补偿电路的输出电压injectV正好垂直于负载电流I。零有功功率注入模式保证了系统储能单元零有功输出，有效控制了储能电容电压，缓解了直流电容的储能压力。从而使得补偿装置注入电压与参考负载电流正交，实现纯无功功率补偿，其临界模式如图(b)所示。当剩余电网电压较小时，如图(c)所示使得剩余电网电压与参考负载电流同相位，实现最小有功功率补偿。IV2VinjectV1IV2VinjectV1IV2VinjectV1(a)(b)(c)图2能量优化控制策略向量图6三、项目研究与实施的基础条件（1）2013年开始，项目组的成员已经开始做无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器方面的相关研究，掌握了其软、硬件技术。（2）项目组成员已经开始对于无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器的相关算法方面做了相应的准备工作，并发表了论文“一种电网电压过零点精确锁相方法的研究”。（3）项目组的成员已经研制了无变压器无储能电容串联型电压暂变补偿器，为本项目的进一步研究与发展打下基础，解决了实验中的一般问题，取得了必要的前期研究基础。（4）对于ST公司的STMF103VBT6微处理器在信号采集和控制应用方面有一定的了解，掌握高效地处理采样数据和SPWM的计算。（5）为了提高逆变器启动的抗干扰能力，在判据上引入滞环。如图3所示，其中f为频率，要求其范围是49.5Hz~50.5Hz，Status_Flag为逆变器运行状态，Status_Flag==1时表示逆变器运行，Status_Flag==0时表示逆变器停止。Bad_Number为不符合频率要求的计数次数，Bad_Treshold为其阈值。同理，Good_Number为符合频率要求的计数次数，Good_Treshold为其阈值，只有计数次数到达阈值时才会发生逆变器的状态改变，但是在逆变器运行却有不满足频率要求时，令f=50Hz继续驱动逆变器。为了满足电压暂变补偿的快速性要求，本实验中取Good_Treshold=1，Bad_Treshold=10，即锁相成功立即启动逆变器，锁相失败延迟停止逆变器。该方法既保证快速性，有保证了稳定性。7开始Status_Flag==1?Bad_Number==Bad_Threshold?Good_Number==Good_Threshold?49.5Hzf50.5Hz49.5Hzf50.5HzBad_Number=0更新fBad_Number++f=50HzBad_Number=0Good_Number=0Good_Number++Good_Number=0更新fStatus_Flag=1Status_Flag=1Status_Flag=0Status_Flag=0Status_Flag=0Status_Flag=1停止逆变器启动逆变器YNYYYYNNNN启动逆变器停止逆变器停止逆变器启动逆变器图3逆变器驱动程序流程图8四、项目实施方案1、硬件测试平台构建硬件实验平台如图4所示。图4中，①是实验系统的驱动板，包括6路驱动放大电路；②为实验系统的控制板；③为实验系统的外加过流保护模块；④为实验系统的供电电源；⑤为三相整流桥；⑥为实验系统的逆变电路；⑦为实验系统的滤波电路和电压反馈电路；⑧为空气开关和断路器；⑨为阻尼吸收电路；⑩为进线端子和出线端子。主控板②主要实现电压电流检测，相应检测模块如图5所示。ARM芯片根据ADC采样结果进行闭环控制，输出0/5V的PWM波，经过驱动放大电路①转变为-10V/15V的PWM信号，用于控制IGBT开关管的导通与关断。逆变电路⑥包含5个IGBT半桥模块，其中2块作为反向串联的旁路开关使用，3块作为实验逆变桥使用。为了对比本拓扑与DVR，DySC的区别，搭建了这样一个看似“杂乱无章”的实验平台。目前在做自充电串联型电压暂变补偿装置实验时，由于电压暂变是通过外部变压器模拟产生的，所以只用到3个IGBT半桥模块，其中一个用作本文新拓扑主电路中的半桥，两个用作模拟旁路开关。图5中，①是DC-DC隔离电源模块，作为驱动电路输出端电压给定和电压检测、过流保护模块的强弱电隔离使用；②是电流检测模块；③是电压检测模块。9①①①①①①①①①①①图4自充电串联型电压暂变补偿装置实验平台①①①图5检测模块和DC-DC电源隔离模块102、系统仿真物理模型仿真平台如图6所示，三相电压峰值都为120V，指令电压为200V，指令电压超前A相电压26°，开关管死区时间μS1，采用PID调节器。图6物理模型仿真平台仿真波形如图7所示，其中红色为电网波形，青色为指令电压波形，蓝色为负载电压波形。从该图中可以明显看到仿真的补偿效果很高。图7物理模型仿真波形113、软件设计根据自充电串联型电压暂变补偿装置的工作原理，ARM程序应包含两种工作模式，即正常工作模式和待机模式。其中，当检测到电网电压正常时，系统工作在待机模式，该模式下软件程序要实现的功能是：启动时，关闭旁路开关和逆变器开关管，电网电压经过母线电容、逆变器开关管反向并联的续流二极管以及负载给上下母线电容充电，当上下母线电压充电至指定范围内时，控制旁路开关导通，电网电压直接给负载供电。当检测到电网电压发生暂变，并且暂变幅度在指定的范围时，系统工作在正常工作模式。该模式下软件程序要实现的功能是：封锁旁路开关，启动补偿装置工作，利用能量优化控制策略，控制补偿装置注入电压与剩余电网电压共同作用于负载，实现负载的正常运行。下面结合流程图对ARM控制器的两种工作模式进行详细介绍，具体包括主程序设计和中断服务程序设计。图8是主程序流程图，图9是TIM1周期中断服务子程序流程图，图10是DMA中断服务子程序流程图BeginEnd模块结构体定义变量初始化系统时钟配置定时器配置A/D转换配置DMA配置通用I/O口配置中断配置驱动程序初始化图8主程序流程图12中断返回启动A/D转换开始调节器离散化启动DMA生成电压、电流指令读取正弦表锁相成功？电网电压正常？封锁旁路开关更新TIM1_CCRx值产生PWM驱动信号封锁旁路开关封锁TIM1_PWM输出I/O输出置低N开启旁路开关封锁TIM1_PWM输出YNY图9TIM1周期中断服务子程序流程图中断响应提取ADC采样结果PQ滤波去除直流分量更新峰值电压Um计算tb、?tx、tx2正向过零点?负向过零点?正向过零点标志位置1负向过零点标志位置1中断返回YYNN捕捉采样时刻tx1TIM3_CCR1=tx2图10DMA中断服务子程序流程图13五、学校可以提供的条件该项目依托电信学院电力系统实验教学中心，硬件和软件方面均有保证研究的条件。常用高性能实验仪器齐全，实验条件能满足研究要求。在设备上只需补充相应的专用实验设备，该专用设备在实验仪器中占比例很小，可用正常的费用即可准备就绪。14六、预期成果（1）通过所开发的系统能够对电网中的电压暂现象进行快速并且稳定的补偿。(2)开发出实用的补偿装置针对特定的负载，利用MATLAB/Simulink对系统设计思路进行了仿真验证，以ARM为核心处理单元，搭建了数字实验平台，仿真和实验结果证明本文提出的串联型动态电压补偿装置具有良好的动静态特性，能满足对常见电压暂变故障动态补偿的需要。(3)发表1篇串联型电压补偿装置方面的学术论文。(4)申报串联型电压补偿装置方面专利1项。15七、经费预算1、设备购置费0.4万2、能源材料费0.05万3、资料印刷费0.05万4、差旅、会议费0.25万5、租赁费0.05万6、鉴定验收费0.05万7、管理费0.05万8、其他0.1万经费合计：1.0万16八、导师推荐意见电力网络中呈现出各种各样的电磁暂态现象，诸如电压跌落、电压瞬变等电能质量问题造成用电设备工作异常、跳闸甚至停机等情况越来越多，已经成为当前电网系统不可忽略的问题。此外，计算机的普及、微电子控制技术、变频调速设备、精密数控机床、自动化生产线等的广泛应用，对供电可靠性和电能质量提出了更加严格的要求，这些设备和计算机系统对电网的波动和各种干扰十分