武大电气动态电压恢复器与备用电源自动投入MATLAB数字仿真实验报告

动态电压恢复器/备用电源自动投入数字仿真实验报告学院：电气工程学院姓名：吕知彼班级：2013级3班学号：2013301610345动态电压恢复器（DVR）的数字仿真实验姓名：吕知彼学号：2013301610345班级：2013级3班动态电压恢复器（DynamicVoltageRestorer，DVR）是一种基于电力电子技术的串联补偿装置，通常安装在电源与敏感负荷之间，其作用在于：保证电网供电质量，补偿供电电网产生的电压跌落、闪变等，其可在电源和敏感负载之间接入幅值和相位受控的电压，以抑制电源电压扰动对敏感负荷的影响。具体参见教材《电力电子学》、《有源电力滤波器》、《自动装置原理》等。1.实验预习清楚动态电压恢复器（DVR）的结构和原理；明确动态电压恢复器的具体控制方式。2.实验目的了解数字仿真软件中DVR的构成及实现；针对系统电源的电压扰动进行动态补偿仿真；解析DVR控制参数的变化对其补偿性能的影响。3.实验步骤（1）将仿真示例copy到电脑。进入MATLAB界面，导入并打开模型DVR.slx;a.梳理DVR.slx模型中的主要元件设备组成，该模型主要包括电源模型（Grid）、DVR模型（涵盖有电力电子元件、控制环节及直流电源）、非线性敏感负荷（NonLinearLoad）；b.熟悉电源模型（Grid）的电气设计参数，主要包括电压、频率，不同时间段的幅度变化特点，其分别对应于电压扰动中的凹陷和突增；c.熟悉DVR模型中饱和变压器、电力电子元件的型式和设计参数，DVRcontrol环节中电压跟踪信号的形成方式，滞环比较器的具体运行特点。d.熟悉非线性敏感负荷的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；e.设置模型配置参数，运行时间为2.5s。图1（2）点击运行DVR.slx算例。4.实验记录DVR.slx的运行结果，包括：a.当电源（Grid）电压的参数变化如下图2所示时，记录动态电压恢复器的补偿效果，包括：电源三相电压、动态电压恢复器的注入电压、敏感负荷上的三相电压，该数据可从图3中读取，并据此计算分析各电压的TotalHarmonicDistortion，THD。图2图30.2s时，电源中出现5次谐波和7次谐波，0.4s时结束，时域波形为：对0.2s以后电源电压波形的一个周期进行傅里叶分析可得：可见0.2s到0.4s内电源中除了含有基波成分外，还含有5次谐波和7次谐波，总谐波畸变率为20.62%。在0.2s附近时段内注入电压的波形为对0.2s以后注入电压波形的一个周期进行傅里叶分析可得：此过程期间负载的电压波形为：对0.2s以后负载电压波形的五个周期（0.2s-0.3s）进行傅里叶分析可得：可知负载电压的总谐波畸变率为0.81%。0.5s时，电源电压幅值减半，一直持续到0.7s结束，电源电压波形为此过程中注入电压波形为负载电压波形为对0.5s以后负载电压波形的五个周期（0.5s-0.6s）进行傅里叶分析可得：可知负载电压的总谐波畸变率为0.79%。1.5s时，电源电压幅值变为原来的1.5倍，一直持续到1.7s结束，电源电压波形为此过程中注入电压波形为负载电压波形为对1.5s以后负载电压波形的五个周期（1.5s-1.6s）进行傅里叶分析可得：可知负载电压的总谐波畸变率为0.77%。b.改变电源（Grid）电压的参数，重点考虑对上升时间、下跌时间、凹陷幅度、上升抖动、电压相位进行调整，再次记录记录动态电压恢复器的补偿效果，包括：电源三相电压、动态电压恢复器的注入电压、敏感负荷上的三相电压，计算分析各电压的THD。图4改变电压凹陷过程中电源电压的上升时间如下图所示：则电源电压波形为负载电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的负载电压总谐波畸变率为0.78%；改变电压凹陷过程中电源电压的下跌时间如下图所示：则电源电压波形为负载电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的负载电压总谐波畸变率为0.79%；改变电压凹陷幅度，如下图所示：则电源电压波形为负载电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的负载电压总谐波畸变率为0.81%；改变上升过程中的电压抖动，如下图所示：则电源电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的电源电压总谐波畸变率为20.18%；注入电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的注入电压总谐波畸变率为24.84%；负载电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的负载电压总谐波畸变率为0.80%；改变电源电压相位，如下图所示：则电源电压波形为负载电压波形为经FFT分析得0.5s到0.7s之间的负载电压总谐波畸变率为2.47%c.改变动态电压恢复器中DC电压的幅度（如图4，调整范围：300V~1000V），至少选择五组电压数据（例如：300V、400V、500V、700V、900V），记录不同直流电压的情况下，DVR交流侧注入电压的运行特性，计算分析注入电压的THD。从0.5s开始，截取电压凹陷期间的注入电压波形（0.5s-0.7s）进行FFT分析，得到注入电压的THD。直流侧电压值注入电压波形注入电压THD300V1.91%400V1.18%500V1.41%700V1.59%900V1.80%d.改变DCcontrol中滞环比较器的运行参数（滞环比较器见如图5所示，参数更改主要针对前两项），至少选择三组参数（例如：1、-1；1.5、-1.5；0.8、-0.8），记录不同控制参数的情况下，DVR交流侧注入电压的运行特性，计算分析注入电压的THD。图5图6从0.5s开始，截取电压凹陷期间的注入电压波形（0.5s-0.7s）进行FFT分析，得到注入电压的THD。注入电压波形注入电压THD1、-11.59%1.5、-1.51.98%0.8、-0.81.44%5.实验分析a.DVR的动作响应时间？答：由图可知，DVR的动作响应时间大约为0.002s。b.DVR安装后是否对THD产生影响？答：理论上讲加装DVR这种带有换流装置的非线性模块会给系统带来些许谐波，但是由于没有产生严重的谐波放大，对系统影响也几乎可以忽略。而当电源中出现谐波分量时，DVR也可以对其进行补偿，从仿真中也可以看出，DVR补偿了电源中的5次谐波和7次谐波，减小了负载的THD。c.DVR中直流电源电压的作用，其参数设计的特点是？答：DVR中直流电源电压的作用是为电力电子器件提供输入电压，从而通过逆变电路，为电网提供补偿电压，从而得到使电网电压达到稳定。由实验c的仿真结果可以看出，直流电源电压参数设计的特点是当直流侧电压与电网电压接近时，可使负载的THD值最小，获得最佳补偿效果。d.滞环比较器在DVR控制中的具体作用，其参数设计的差异对控制性能会造成哪些影响？答：滞环比较器在DVR控制中的作用是稳定电网电压在期望值附近，具体过程为将标准电压与负载电压进行比较，从而得到电力电子器件的控制信号，从而达到调压的目的。由实验d可以看出，减小环宽可以提高对负载电压的跟踪精度，明显减小注入电压的THD，降低电网中的谐波含量。e.动态补偿在t=0.7s时为何会出现电压抖动？答：由于电路中包含有电感和电容这类储能元件，导致电网电压的变化是一个暂态过程，不能突变，需要一定的过渡时间，因此会出现电压抖动。6.进一步思考（1）观察DVR的电压补偿效果，如何进一步抑制补偿中存在的谐波成分？答：可以调整直流侧电压电压，减小滞环比较器的环宽，或者可以加装一个APF试试。（2）当前模型算例中的电压波动主要定位于对称性变化，且属于一种计划内的电压扰动。若发生计划外的电压扰动，如出现非对称性短路故障，电网系统中会出现非周期分量，DVR的电压补偿效果是否会受到影响，怎样应对？答：在上述模型中，由于三相电压都是靠一个DVR的输出来补偿，出现非对称性短路故障时DVR的电压补偿效果必然会受到影响。如上图所示，实际中的DVR系统主要由变压器、储能单元、电压源逆变器、输出滤波器及控制系统等组成。为了应对非对称性短路故障，可在三相线路中的每一相单独装设参数结构相同的DVR设备。由于每相的参数和结构完全相同，所以上图中仅给出了三相单独补偿中的一相结构。采用这种拓扑结构的优点为三相之间的DVR相互独立，当电网出现故障时，各相DVR补偿对应各相的电压，控制起来比较简单，相互不受影响。备用电源自动投入的数字仿真实验姓名：吕知彼学号：2013301610345班级：2013级3班备用电源自动投入装置（以下简称备自投）在主电源正常运行时作为后备，在主电源故障时投入以保证负荷供电的稳定性。备自投是电力部门为保证用户连续可靠供电的重要手段。具体概念及原理参见教材《电力系统保护》、《电力系统继电保护原理》等。1.实验预习清楚备自投的概念和原理；明确备自投对于保障负荷稳定供电的作用及意义。2.实验目的了解数字仿真软件中低压备自投的构成及实现方式；模拟仿真备自投在系统主电源故障下的运行特性。3.实验步骤（1）将仿真示例copy到电脑。进入MATLAB界面，导入并打开模型power_project.slx;a.梳理power_project.slx模型中的主要元件设备组成，该模型包括多级电压网络，涵盖输电压级和中低压配电网络；备自投装置封装为“EmergencySystem”，其通过“By-passsystem”模块接入至低压配电系统；b.熟悉不同电压等级的电源模型参数及断路器配置情况；c.熟悉备自投装置“EmergencySystem”模型中二极管整流桥、直流电容及IGBT半桥逆变器的组成形式和工作原理，掌握离散PWM发生器的信号触发特点。d.熟悉“By-passsystem”模块的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；e.设置模型配置参数，运行时间为0.2s。图1（2）点击运行power_project.slx算例。4.实验记录power_project.slx的运行结果，包括：a.点击模型中的“fault”模块，展开如图2所示，设置故障发生的时刻（如图3），记录“GenerationUnit10MVA,15KV”、“15KV-6.6KVSystem”、“6.6KV-400VSystem”、“EmergencySystem”、“By-PassSystem”中的三相电压数据及断路器动作特性。图2图31、GenerationUnit10MVA,15KV2、15KV-6.6KVSystem3、6.6KV-400VSystem4、EmergencySystem注：本报告所测三相交流电压均为线电压，例如EmergencySystem模块中滤波后输出电压的测量电路为：5、By-PassSystemb.改变故障发生的时刻（请做两组），重新记录“GenerationUnit10MVA,15KV”、“15KV-6.6KVSystem”、“6.6KV-400VSystem”、“EmergencySystem”、“By-PassSystem”中的三相电压数据及断路器动作特性。重新设置故障发生的时刻：仿真结果为：1、GenerationUnit10MVA,15KV2、15KV-6.6KVSystem3、6.6KV-400VSystem4、EmergencySystem注：上图为原波形放大后一个周期内的结果。5、By-PassSystemc.以某组故障时刻为例，记录备自投“EmergencySystem”中DC电容电压的充放电特性及脉冲发生器的输出波形（见图4）；记录备自投“EmergencySystem”中二极管整流桥及IGBT半桥逆变器的输入输出电流特性。DC电容电压的充放电特性：脉冲发生器的输出波形（选取一个周期内）：“EmergencySystem”中二极管整流桥的输入输出电流特性：“EmergencySystem”中IGBT半桥逆变器的输入输出电流特性：IGBT半桥逆变器的输入输出电流特性选取一个周期放大后：d.以某组故障时刻为例，调整备自投“EmergencySystem”中DC电容的原有设计参数（三组为例，建议成倍数比例提高或降低现有的电容设计参数），仿真记录不同电容值下的DC充放