兼具UPS功能的动态电压恢复器研究

中原工学院学报

JOURNAL OF ZHONGYUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vol. 28 No. 3Jun. ,2017

文章编号：1671 — 6906 (2017)03 — 0028 — 05

兼具UPS功能的动态电压恢复器研究

李伟锋，纪志刚，朱菁，陈鹏

(中原工学院，郑州450007)

摘要：针对动态电压恢复器(DVR)不能解决电网系统短时断电问题的情况，设计了一种兼具UPS功能的动态电压 恢复器，当电网系统出现短时断电和电压突升突降时，可以为负载提供稳定的供电环境。该装置不仅在普通动态电压恢 复装置的基础上增加了 UPS功能(用来应对电网短时断电出现的故障），还优化了变压器容量和储能装置的设计参数， 使得投资成本降低、体积减小。采用Matlab/Smmlmk建立了兼具UPS功能的动态电压恢复装置的仿真模型。仿真结 果表明，该装置可以在系统电压突升、突降和短时断电情况下为负荷提供稳定可靠的电能。关键词：动态电压恢复器；UPS功能；电压跌落；电网断电；优化参数中图分类号：

TM713 文献标志码：A DOI:10. 3969/j. issn. 1671 — 6906. 2017. 03. 007

随着现代电力负荷的快速增大，电网的负荷结构 也发生了巨大变化，特别是当一些非线性负荷、冲击性 负荷、非对称性负荷和电力电子设备应用到生活中时， 它们的启动、运行以及停止都会引起电力系统功率因 数下降、电压波动、电压闪变以及电压波形畸变等电能 质量问题，导致电网供电质量渐渐恶化。伴随着一些 由计算机带来的新技术的出现，越来越多的工业生产 设备对电能质量的要求变高，用户愈来愈需要电网给 出稳定可靠的电力能源[1]。电网存在多种问题如断 电、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、电压跌落等， 其中电压跌落危害最大，突然断电也对很多高敏感、高 要求设备造成巨大损伤，因此给敏感负载提供稳定的 电能是十分必要的。目前，为了使负载得到稳定的电

能，行之有效的方法是使用动态电压恢复器(DVR)和 不间断电源（UPS)[2]。

DVR使敏感负荷的安全可靠运行得到了保证，但

境，本文设计了一种兼具UPS功能的DVR。

1系统结构及工作原理

兼具UPS功能的动态电压恢复器拓扑结构如图

1.1系统结构组成

1所示。其系统结构主要包括变压器、接触器、滤波

器、逆变/整流器、DC — DC变换电路、电压检测模块和 直流储能装置。

也存在局限性。当电网电压处于深度跌落或者断电

时，DVR就不能为负荷提供稳定的电能。当电网系统 中的电压出现断电、频率变化、电压波动时，UPS可以 为负载提供稳定的电能环境使其不受干扰。然而，由 于UPS存在运行效率低、损耗大、费用高等缺点，导致 其应用范围受限。因此，为了更好地改善电网电能环

图

1兼具UPS功能的DVR的拓扑图

收稿日期=2017 — 04 — 07

作者简介:李伟锋（1963 —），男，河南郑州人，教授，主要研究方向为智能测控系统与仪器。

第3期李伟锋，等:兼具

UPS功能的动态电压恢复器研究

DC — DC变换电路(如图2所示）的结构主要由一

个桥臂(上下两个全控型器件）和滤波电感组成。

其原理为：若在VT:驱动端施加PWM信号，

VT2驱动端施加截至信号，则DC-DC变换电路可实

现降压斩波(Buck)变换电路功能，即降压变换。变换

电路输出电压方向为正向，输出电压的大小为：

Um = DUs

(1)若在VT2驱动端施加PWM信号，

驱动端施

加截至信号，(Boost)则

DC — DC变换电路可实现升压斩波

变换电路功能，即升压变换。将负载电压升高

后向仄回馈电能。输出电压方向仍为正向，输出电 压的大小为：

US = ^^UAB>UAB (2)

1.2系统工作原理

1.2. 1 DVR工作模式

图3为动态电压恢复装置及其电压补偿示意图。

图中：仏为电网侧源电压；厶为导线电阻；ZlOTd为负载 侧存在电阻；

为负载供给的电压；

为动态电压

恢复装置补偿电压与电网提供电压复加后的负载电 压；心为DVR提供的补偿电压；h为负载电流。

图3

动态电压恢复装置及其电压补偿示意图

串联补偿变压器、逆变器、储能装置和滤波电路为

DVR必不可少的部分。DVR工作原理为s首先将测量

的％n6信号送入数字信号处理器(DSP)，然后根据选用 的补偿策略在DSP中产生控制逆变器输出的指令信 号，最后所需补偿电压经滤波器和串联变压器后直接

• 29 •

与咐M叠加，从而可以动态地补偿电压。艮P:

^l〇a(3)

装置中补偿变压器的初级线圈被串联在电网系统 的输电线上，它可以将逆变器输出的电压转换且能够承 受负载侧经过的最大需求电流。滤波器位于变压器的 次级线圈和逆变装置之间，其主要作用是消除由于逆变 器的开关产生的谐波。因为要对电网侧跌落电压进行补 偿，所以需要储能装置为其提供能量，进而实现电压补 偿。现实中常用电容和蓄电池等作为储能设备，或者将 电网视为能源与逆变器相接，从而达到交换能量的目的。 储能侧的要求指标与负载、变压器、最大跌落电压补偿

量、跌落电压持续时间等多方面因素有一定的联系[S\\ 1.2. 2 UPS工作模式

图4所示为装置处于UPS工作模式的原理框图. 其工作原理为：在电网系统出现短时间断电时，直流储

能装置通过DC—DC变换电路升压，然后经过逆变电 路、滤波电路，最后为负载提供所需电能。

直流

储能装置

BO

图4 UPS工作模式原理框图

1.2.3 充电模式

图5所示为装置处于充电模式的原理框图。其工 作原理为：当电网系统正常供电时，由整流电路将交流

电能转化成直流电能，再途经DC — DC变换电路进行 降压，从而实现为直流储能装置充电的目的。

图5充电模式原理框图

检测及控制方法

2.1信号检测

在DVR的算法中使用最频繁的变换就是基于瞬

时无功功率理论的变换。基本原理是：将对应于 ak■坐标系下的三相电压或H相电流做Park变换，使

Me坐标系下的三相电量经过转换，得到相应的dgO

坐标系下的分量，即

Fdq0=PF 如

(4)

• 30 •

中原工学院学报2〇17年第28卷

式中，

_ cos〇; t ■ sina； t

cos (〇; t 一 120°) — sin (a； t — 120°)

2. 42 由上式可以得出电压跌落的基波特征量。

cos (a; t — sin(〇； t

2.42

120°) _120°)

2. 2 控制方法

兼有UPS功能的动态电压恢复器装置在补偿电 压时使用的控制方法如图6所示。首先将三相静止坐 标系a&下的电压量R

转化为两相旋转坐标

(5)

假定A U)=叫十叫是预测电压，其中 A=L/Sin(_+W，而％为含有谐波、电压波动、高频振 荡等成分的畸变分量。坐标系下的基波分量经 过Park变换得到dgO坐标系下的直流分量，然后通过 低通滤波环节得到JgO坐标系下的直流分量，再经过 Park反变换，即

Fabc=P^lFdq{)

系办0下的电压量然后经过低通滤波(LPF) 得出基波电压量，再与负载给定电压值(负载 额定电压值）作比较，得出补偿电压值指令;

在同一时间，也同样使DVR供给的补偿电压量队、 队、R转化为两相旋转坐标系如〇下的电压量山、和山、^分别比较，从而得出补偿电 压值AW、AR，再使用PI调节和d — g反变换得出最 终想要的三相电压量K、队、比。其中，PI调节可以 实时缩小DVR供给补偿电压与跌落电压的相应偏 差，减小不可控整流造成的电压波动影响[4]。

当电网系统正常工作且为本装置充电时采用的控 制策略原理图如图7所示。其工作流程如下：将直流 侧电压给定信号^2和实际的直流侧电压作比较 之后送入PI调节器，电压外环PI调节器的输出信号 是直流电流分量^(其大小反映了交流侧电流幅值的

将

(6)

式中，

COSo; t—sm〇； t42P 1cos(〇； t — —tt)cosCa； t + —tt)

2

—sinCa； t — —. 2

7z)1

42. ^ + —2

—sinCa；71)

1

42(7)

图6控制策略原理框图

大小），将6分别乘以和a、6、c相相电压同相位的正 弦信号，即得到三相交流电流指令的正弦信号G

、

G，然后将交流侧电流的实际值与所得电流指令作比

较，把偏差送入PI调节器，最后将PI调节器输出的信

号和三角波进行比较可得到控制PWM变流器的6个 功率开关管的开关状态的PWM信号[5]。

3仿真分析

采用Matlab/Simulink仿真软件搭建DVR同相位

电压补偿系统控制仿真图，以模拟电网电压出现的短时 跌落、暂升情况。仿真结果如图8所示。0.1〜0.2 s时

第3期李伟锋，等:兼具

UPS功能的动态电压恢复器研究

• 31 *

间段电网侧电压跌落深度为20%，DVR为负载补偿电压后，负载电压迅速恢复正常；〇. 2〜0. 3 S时间段电 网侧电压升高了 2〇K，DVR为负载补偿电压后，负载 电压快速得到稳定。

在Matlab/Simulink中建立兼具UPS功能的

DVR，系统仿真图见图9。它可以模拟电网电压出现

跌落、暂升和断电等情况，仿真结果如图1〇所示。图

_

压\"

_麵

图8

__腿

10中，0. 15〜0. 2 S时间段，电网侧电压跌落了 20 0. 2〜0. 3 s时间段，电网侧电压升高了 20% ; 0. 3〜 0. 35 s时间段，电网侧电压为零，而DVR为负载补偿 电压后，负载电压得到稳定运行a

突升、突降仿真结果图

图9兼具UPS功能的DVR系统仿真图

统出现断电的情况e该装置不仅有效地解决了电网中 存在的电压突升、突降和断电等问题，还优化了变压器容量和储能装置参数。

参考文献：

[1] 巫付专，侯婷婷，韩梁.基于LCL滤波DVR补偿变压器漏

抗的确定[J].电力系统保护与控制，2013(19) : 126 —131.[2]

沈广，陈允平，刘栋，等.应用动态电压恢复器解决电压

跌落问题D].高电压技术，2007(3) :156 —158.

[3] 黄剑涛，陈友勇，谢岳.动态电压恢复装置的电压瞬时跌

图10突升、突降和断电仿真结果图

落补偿技术研究[J].浙江电力，2005(5) :14 —15、26.[4]

侯婷婷.动态电压恢复器的主电路参数研究及系统实现

4

[D].郑州：中原工学院，2014.

结语

本文设计的兼具u

ps

[5] 巫付专，沈虹.电能变换与控制[M].北京：电子工业出版

社，2014.

功能的动态电压恢复器

(DVR)，既保留了普通DVR的功能，又可处理电网系

(责任编辑：姜海芹)

• 32 •

中原工学院学报2017年第28卷

Study on the Dynamic Voltage Restorer with UPS Function

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract For dynamic voltage restorer (DVR) can’t solve the problem of short-time voltage outage in the power grid system, the dynamic voltage restorer with UPS function is put forward that it can provide stable power environment for load when there is voltage sag, voltage swell and short-time voltage outage. The device not only increase the function of UPS that is used to deal with short-term failure in the power grid on the basis of the general DVR, but also decrease the cost of investment and reduce volume by optimizing the design pa­rameters of transformer capacity and energy storage device. Using MATLAB/SIMULINK to establish the sim­ulation model of dynamic voltage restorer with UPS function, simulation results show that the device can give stable and reliable supply of electricity for load under the condition of voltage sag, voltage swell and short-time voltage outage.

Key words dynamic voltage restorer； UPS function； voltage sag； power outage； parameter optimization

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LI Wei-feng, JI Zhi-gang, ZHU Jing, CHEN Peng

(上接第27页）

K77 Reducer Casing Optimization Design and Movement Simulation

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract Traditionally optimizing the reducer casing is always taking center distance as objective func­tion. The casing volume cannot be calculated directly and it is also not applied for reducer with bevel gears. This paper takes K77 reducer casing as the research object, casing wall thickness as objective function, choose reasonable design variables, to meet the box body stiffness, strength, abrasion resistance and other perform­ance requirements, using Matlab toolbox, the obtain the objective function calculated by using the genetic opti­mal solution is obtained. On this basis, using CATIA parameterized modeling, this paper discusses the output shaft and housing, and assembly and simulation.Key words reducer casing； optimization design； parametric modeling；assembly and simulation

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LI Yong, SUN Qian-tao, FU Xiao-li, HU Wen-sheng