1、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目申報表推 薦 學(xué) 校西安工程大學(xué)項 目 名 稱無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器項 目 類 型創(chuàng)新訓(xùn)練項目項 目 負(fù) 責(zé) 人張 松申 報 日 期2014-3-25陜西省教育廳 制二一四年五月項目名稱無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器項目類型（ ）創(chuàng)新訓(xùn)練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)實踐項目項目實施時間起始時間：2014 年 9 月 完成時間：2015 年 6 月申請人或申請團隊姓名年級學(xué)校所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話E-mail負(fù)責(zé)人張松11級西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣18710564346434744628成 員王海東11級西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電

2、氣187894113961341948639高文龍12級西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣15902953962756339237劉曉龍12級西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院/電氣18309281827993056210指導(dǎo)教師姓名李彥斌研究方向電氣工程年齡39行政職務(wù)/專業(yè)技術(shù)職務(wù)工程師主要成果1.多次指導(dǎo)學(xué)生電子競賽；2.指導(dǎo)大學(xué)生國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目一項，已結(jié)題；3.參與多項橫向、縱向科研項目。一、項目實施的目的、意義電能是推動當(dāng)今社會進步、各國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要能源，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。安全的、可靠的、高質(zhì)量的電力供應(yīng)，是確保各國國民經(jīng)濟高速、可持續(xù)發(fā)展的基本前提。隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)

3、用、智能家用電器的普及、煉鋼電弧爐的發(fā)展等，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性引起電能質(zhì)量的惡化，致使電網(wǎng)的諧波、三相不平衡、電壓波動和電壓閃變等問題日益嚴(yán)重。計算機的普及、IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、微電子控制技術(shù)的應(yīng)用等對電能質(zhì)量的要求越來越高。國內(nèi)外大量統(tǒng)計資料表明，在所有的電能質(zhì)量問題中，電壓暫變的發(fā)生頻率最高、危害最為嚴(yán)重，由此，電壓暫變補償問題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注并亟須解決的問題之一。在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備的接口處裝設(shè)附加設(shè)備，是目前應(yīng)用最廣，抑制電壓暫變問題效果最明顯的措施。其中，動態(tài)補償技術(shù)以其能有效解決電壓質(zhì)量問題，提高供用電電能質(zhì)量等特點，而被廣泛使用。目前常用的動態(tài)補償方式包括串聯(lián)

4、電壓補償方式和并聯(lián)電流補償方式兩種。在相同的電壓暫變條件下，串聯(lián)電壓補償相比于并聯(lián)電流方式，更易于實現(xiàn)。但當(dāng)前國內(nèi)外的串聯(lián)型電壓暫變補償裝置存在可補償電壓跌落深度不夠，可持續(xù)補償時間短等缺點，因此，研究一種可補償電壓跌落深度更高，可持續(xù)補償時間更長，同時體積更小、成本更低廉的自充電串聯(lián)型電壓暫變補償裝置是非常有必要的。二、項目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（1）無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器的原理圖如圖1所示，與動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）相比，無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器無需串聯(lián)變壓器和外加儲能單元，這使得該裝置的體積大大減小，另外，直流母線電容采用在線充電方式，使得其可持續(xù)補償時

5、間不受限制。與動態(tài)電壓校正器（DySC）相比，優(yōu)勢在于無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器的母線電容改由線電壓充電，可以有效提高動態(tài)電壓補償范圍，理論分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓暫低時，無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器能補償三相電網(wǎng)電壓對稱暫低到額定值的37%，或一至兩相暫低到零，而其它相保持額定。圖1 無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器結(jié)構(gòu)圖（2）能量優(yōu)化控制策略是在發(fā)生電壓幅度暫變時，通過控制補償電路輸出特定的電壓，保證負(fù)載電壓幅值額定。同時，在實現(xiàn)負(fù)載電壓額定的同時，保證補償電路輸出的能量最優(yōu)。能量優(yōu)化控制策略是一種新型控制策略，它不需要或只需要很小的有功就能補償電壓暫變，從而減少補償電

6、路儲能設(shè)備的容量和系統(tǒng)成本，減少直流環(huán)節(jié)輸出能量的壓力，是一種具有潛力的控制方法。如圖2所示，為電網(wǎng)剩余電壓，為補償裝置注入電壓，為負(fù)載電壓，為負(fù)載電壓。如圖(a)所示，當(dāng)剩余網(wǎng)側(cè)電壓較大時，在負(fù)載電壓一定時，通過旋轉(zhuǎn)暫低電源電壓，使得串聯(lián)型補償電路的輸出電壓正好垂直于負(fù)載電流。零有功功率注入模式保證了系統(tǒng)儲能單元零有功輸出，有效控制了儲能電容電壓，緩解了直流電容的儲能壓力。從而使得補償裝置注入電壓與參考負(fù)載電流正交，實現(xiàn)純無功功率補償，其臨界模式如圖(b)所示。當(dāng)剩余電網(wǎng)電壓較小時，如圖(c)所示使得剩余電網(wǎng)電壓與參考負(fù)載電流同相位，實現(xiàn)最小有功功率補償。 (a) (b) (c)圖2能量優(yōu)化

7、控制策略向量圖三、項目研究與實施的基礎(chǔ)條件（1）2013年開始，項目組的成員已經(jīng)開始做無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器方面的相關(guān)研究，掌握了其軟、硬件技術(shù)。（2）項目組成員已經(jīng)開始對于無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器的相關(guān)算法方面做了相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，并發(fā)表了論文“一種電網(wǎng)電壓過零點精確鎖相方法的研究”。（3）項目組的成員已經(jīng)研制了無變壓器無儲能電容串聯(lián)型電壓暫變補償器，為本項目的進一步研究與發(fā)展打下基礎(chǔ)，解決了實驗中的一般問題，取得了必要的前期研究基礎(chǔ)。（4）對于ST公司的STMF103VBT6 微處理器在信號采集和控制應(yīng)用方面有一定的了解，掌握高效地處理采樣數(shù)據(jù)和SPWM的計算。

8、（5）為了提高逆變器啟動的抗干擾能力，在判據(jù)上引入滯環(huán)。如圖3所示，其中f為頻率，要求其范圍是49.5Hz50.5Hz ，Status_Flag為逆變器運行狀態(tài)，Status_Flag=1時表示逆變器運行，Status_Flag=0時表示逆變器停止。Bad_Number為不符合頻率要求的計數(shù)次數(shù)，Bad_Treshold為其閾值。同理，Good_Number為符合頻率要求的計數(shù)次數(shù)，Good_Treshold為其閾值，只有計數(shù)次數(shù)到達閾值時才會發(fā)生逆變器的狀態(tài)改變，但是在逆變器運行卻有不滿足頻率要求時，令f=50Hz繼續(xù)驅(qū)動逆變器。為了滿足電壓暫變補償?shù)目焖傩砸?，本實驗中取Good_Tres

9、hold=1，Bad_Treshold=10，即鎖相成功立即啟動逆變器，鎖相失敗延遲停止逆變器。該方法既保證快速性，有保證了穩(wěn)定性。圖3 逆變器驅(qū)動程序流程圖四、項目實施方案1、硬件測試平臺構(gòu)建硬件實驗平臺如圖4所示。圖4中，是實驗系統(tǒng)的驅(qū)動板，包括6路驅(qū)動放大電路；為實驗系統(tǒng)的控制板；為實驗系統(tǒng)的外加過流保護模塊；為實驗系統(tǒng)的供電電源；為三相整流橋；為實驗系統(tǒng)的逆變電路；為實驗系統(tǒng)的濾波電路和電壓反饋電路；為空氣開關(guān)和斷路器；為阻尼吸收電路；為進線端子和出線端子。主控板主要實現(xiàn)電壓電流檢測，相應(yīng)檢測模塊如圖5所示。ARM芯片根據(jù)ADC采樣結(jié)果進行閉環(huán)控制，輸出0/5V的PWM波，經(jīng)過驅(qū)動放大

10、電路轉(zhuǎn)變?yōu)?10V/15V的PWM信號，用于控制IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。逆變電路包含5個IGBT半橋模塊，其中2塊作為反向串聯(lián)的旁路開關(guān)使用，3塊作為實驗?zāi)孀儤蚴褂?。為了對比本拓?fù)渑cDVR，DySC的區(qū)別，搭建了這樣一個看似“雜亂無章”的實驗平臺。目前在做自充電串聯(lián)型電壓暫變補償裝置實驗時，由于電壓暫變是通過外部變壓器模擬產(chǎn)生的，所以只用到3個IGBT半橋模塊，其中一個用作本文新拓?fù)渲麟娐分械陌霕?，兩個用作模擬旁路開關(guān)。圖5中，是DC-DC隔離電源模塊，作為驅(qū)動電路輸出端電壓給定和電壓檢測、過流保護模塊的強弱電隔離使用；是電流檢測模塊；是電壓檢測模塊。圖4自充電串聯(lián)型電壓暫變補償裝置實驗平

11、臺圖5 檢測模塊和DC-DC電源隔離模塊2、系統(tǒng)仿真物理模型仿真平臺如圖6所示，三相電壓峰值都為120V，指令電壓為200V，指令電壓超前A相電壓26°，開關(guān)管死區(qū)時間，采用PID調(diào)節(jié)器。圖6 物理模型仿真平臺仿真波形如圖7所示，其中紅色為電網(wǎng)波形，青色為指令電壓波形，藍色為負(fù)載電壓波形。從該圖中可以明顯看到仿真的補償效果很高。圖7 物理模型仿真波形3、軟件設(shè)計根據(jù)自充電串聯(lián)型電壓暫變補償裝置的工作原理，ARM程序應(yīng)包含兩種工作模式，即正常工作模式和待機模式。其中，當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓正常時，系統(tǒng)工作在待機模式，該模式下軟件程序要實現(xiàn)的功能是：啟動時，關(guān)閉旁路開關(guān)和逆變器開關(guān)管，電網(wǎng)電壓

12、經(jīng)過母線電容、逆變器開關(guān)管反向并聯(lián)的續(xù)流二極管以及負(fù)載給上下母線電容充電，當(dāng)上下母線電壓充電至指定范圍內(nèi)時，控制旁路開關(guān)導(dǎo)通，電網(wǎng)電壓直接給負(fù)載供電。當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生暫變，并且暫變幅度在指定的范圍時，系統(tǒng)工作在正常工作模式。該模式下軟件程序要實現(xiàn)的功能是：封鎖旁路開關(guān)，啟動補償裝置工作，利用能量優(yōu)化控制策略，控制補償裝置注入電壓與剩余電網(wǎng)電壓共同作用于負(fù)載，實現(xiàn)負(fù)載的正常運行。下面結(jié)合流程圖對ARM控制器的兩種工作模式進行詳細介紹，具體包括主程序設(shè)計和中斷服務(wù)程序設(shè)計。圖8是主程序流程圖，圖9是TIM1周期中斷服務(wù)子程序流程圖，圖10是 DMA中斷服務(wù)子程序流程圖圖8 主程序流程圖圖9 T

13、IM1周期中斷服務(wù)子程序流程圖圖10 DMA中斷服務(wù)子程序流程圖五、學(xué)?？梢蕴峁┑臈l件該項目依托電信學(xué)院電力系統(tǒng)實驗教學(xué)中心，硬件和軟件方面均有保證研究的條件。常用高性能實驗儀器齊全，實驗條件能滿足研究要求。在設(shè)備上只需補充相應(yīng)的專用實驗設(shè)備，該專用設(shè)備在實驗儀器中占比例很小，可用正常的費用即可準(zhǔn)備就緒。六、預(yù)期成果（1）通過所開發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的電壓暫現(xiàn)象進行快速并且穩(wěn)定的補償。(2) 開發(fā)出實用的補償裝置針對特定的負(fù)載，利用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)設(shè)計思路進行了仿真驗證，以ARM為核心處理單元，搭建了數(shù)字實驗平臺，仿真和實驗結(jié)果證明本文提出的串聯(lián)型動態(tài)電壓補償裝置具有良好的

14、動靜態(tài)特性，能滿足對常見電壓暫變故障動態(tài)補償?shù)男枰?3) 發(fā)表1篇串聯(lián)型電壓補償裝置方面的學(xué)術(shù)論文。(4) 申報串聯(lián)型電壓補償裝置方面專利1項。七、經(jīng)費預(yù)算1、設(shè)備購置費 0.4萬2、能源材料費 0.05萬3、資料印刷費 0.05萬4、差旅、會議費 0.25萬5、租賃費 0.05萬6、鑒定驗收費 0.05萬7、管理費 0.05萬8、其他 0.1萬經(jīng)費合計：1.0萬八、導(dǎo)師推薦意見電力網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)出各種各樣的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，諸如電壓跌落、電壓瞬變等電能質(zhì)量問題造成用電設(shè)備工作異常、跳閘甚至停機等情況越來越多，已經(jīng)成為當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)不可忽略的問題。此外，計算機的普及、微電子控制技術(shù)、變頻調(diào)速設(shè)備、精密數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線等的廣泛應(yīng)用，對供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求，這些設(shè)備和計算機系