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1、基于三相交流电相位控制基于三相交流电相位控制 PWM 开关自耦开关自耦 变压器的电压骤降补偿器的相角度分析变压器的电压骤降补偿器的相角度分析摘要摘要在电压骤降补偿，提高补偿能力是必不可少的。它涉及到两个主要方面，第一， 下垂的检测技术；第二，电压骤降补偿。许多检测技术已被引入来衡量和检测 电压骤降，如 RMS-Value 评价和峰值评价。不幸的是，大多数的技术要求在检 测凹陷时有一段延时，然后才进行补偿，然而立即凹陷检测是至关重要的瞬态 性能。提出三相 PWM 开关自耦变压器的电压骤降补偿是基于 AC-AC 转换器， 并使用提出的基于角度分析的三相控制器检测技术。这种检测技术的显著优点 是检测
2、时间。它能够检测和补偿电压凹陷没有出现延迟前的时刻。它的有效性 和性能通过了 MATLAB/ Simulink 仿真验证。关键词关键词:电压暂降、电压凹陷检测、电压骤降补偿器、有效值的检测，峰值检测。1 介绍介绍凹陷的检测是非常重要的，因为它决定电压骤降补偿的动态性能。对电压 凹陷检测的研究也在不断增长，是电压骤降补偿器的一个重要组成部分。电压 骤降是指电压的均方根值迅速下降到额定电压的 9010，持续时间通常为 0.5 到 30 周期的现象。电压骤降通常是由于雷击，意外短路电路，连接松动，启动 大电机（或空调），或异常使用交流电源。短期内可能会导致电压骤降敏感的 设备和不可逆转的破坏，从而中
3、断工业生产造成重大经济损失。 降低电压骤降所造成的干扰造成的损失不仅利于生产工作，而且还实用， 增加作为微电子使用清洁能源的需求，在各类设备的处理器中也有增加，如计 算机终端，可编程逻辑，控制器和诊断系统等。这些都是，易受干扰的电源电 压，由于广泛应用的非线性电子设备和电力器材系统，所以波形失真更显著。 现下最流行的一个电压骤降补偿拓扑结构是动态电压复位器（DVR），它 需要一个电压源逆变器（逆变器），使电压先后注入变压器、直流链路。但是， 由于补偿深度和长时间的电压骤降增加的原因，需要更多的能量存储设备，从 而增加了成本。另一个需要考虑的是环境，作为电池储能装置，其电压调节， 直流链接要求使
4、用一个独立的 AC-DC 转换器，这需要一个功率损耗，使规模 日益扩大，成本控制变得更加复杂。储能在 AC-AC 里的凹陷补偿器是不必要的，虽然 AC-AC 变换器的补偿器 下降的交流电压转换调节成可调节的交流电压。这里提出的三相 PWM 开关自 耦变压器的电压骤降补偿技术是基于相角度分析的 AC-AC 转换器和三相控制 器。所推荐的检测技术能够检测到补偿电压骤降的瞬间凹陷，而且不干扰输出 电压信号。 2。电压跌落检测技术。电压跌落检测技术精确和快速的电压检测对于电压骤降补偿是必不可少的。在确定电压骤降开 始和结束以及一个电压骤降发生前发现凹陷的严重性。对于凹陷检测方法，相 继出台包括均方根值
5、（RMS-Value）评价和峰值评价的方法。2.1 RMS-Value 的峰值评估技术的峰值评估技术 在测定多个设备的能量有效性、交流电压、电流测量中，凹陷电压通常用 RMS 计算。即与一个有效值计算，尽管相位和极性信息丢失,只有信号的绝对量。换 句话说，一个 RMS 值是根据以前的平均周期的采样数据来计算的，因此代表 着一个历史平均值的周期，而不是一时的，或一个瞬间的读数。 RMS 值，不断计算输入电压样本的移动窗口，这提供了一个优级进化的便 利措施。因为他们表达信号的能量含量，假设窗口中每个周期（或半周期）包 含 N 个样本。广泛使用的移动窗口 RMS 值计算的数字数据记录如下。每一个 周
6、期对波形的的采样数都为平方值，然后求平方和。计算总的平方根，绘制单 个值。图 1：使用移动窗口评价 RMS 幅度 其基本思路是按照电压幅值的不断变化，尽可能靠近真实值。图 1 表示通过 移动窗口均方根值的评估过程。 使用更多的 RMS 值计算，能越接近真实值， 尤其是非矩形网络变化。（a）（b）图 2：（一）理想的电压骤降（二）波形的 RMS 凹陷图 2（a）显示了理想的电压凹陷，转变发生在过零点，在凹陷时并没有失真。 该凹陷具有 50%深度和持续了大约 6 个循环周期。图 2（b）显示根据图 2（a）应用移动窗口 RMS 计算技术得到的 RMS 图。该图显示在 0.5P . U 前 就达到了
7、一个周期的转换，和一个周期起到恢复。缓慢的过渡是由于在计算时 移动窗口保留几乎一个周期的历史信息。2.2。峰值评价技术。峰值评价技术(7、8、9)图 3 显示了用峰值检测得到的电压值方框图。如图 3 所示的 Vmeasure，表 示单相线到中性点电压。电压偏移了 90，是用一个 90 移获得的余弦值。假设供电频率是 50hz，90 偏移值可以由模拟电路或数字信号处理获得。将所有的 电压值的平方求和得到 Vp2。峰值由 Vp2 的平方根获得。 同其他方法相比峰 值电压估计的明显优点是它仅需要单相值。图 3:框图的峰值检测能力技术图四:峰值检测信号和 Vinput 与时间。图 4 显示了峰值检测模
8、块的输出值和输入值。比较验证该方法的能力在检测输 入信号的峰值可能的最少时间。检测占用了至少四分之一个周期。相角分析电压凹陷检测相角分析电压凹陷检测RMS 的价值评估和峰值价值评估需要一个周期和四分之一个周期，分别检测 并补偿电压骤降。原因是在使用电压控制器时检测需要在电压凹陷信息至少一 个周期的四分之一的时间内。 作者发现这里不必保留电压凹陷信息这么长时间，其证明如下：图 5 表示半 个周期的峰值为 100V 的正弦电压，80、90、70、60和 50的电压骤降。 L6 是所有正弦波形在 90的垂线。在电压幅度之间的差异清楚地显示 了各种电压骤降。 L5，L4，L3 和 L2 是与正弦波形相
9、交的垂直线，相位角在72，54，36，18，分别从 L5 到 L2，各种电压骤降的电压振幅差异也很显著。因此检测电压骤降至观察到电压骤降现象并不需要太多的时间，也不 用太多的时间去确认事件发生或不发生凹陷。 “不同的电压振幅的电压骤降在9相角也显著。因此，9的信息足以表明电压凹陷。图 5:一半正弦周期在不同的电压振幅在此基础上，新的电压凹陷检测基于相位角分析技术依这种方式介绍。它提供 即时检测和补偿电压骤降。换句话说，新技术可以检测和补偿凹陷那一刻发生 的电压幅值。经测定这项技术是通过 10V (k) V sin(kw T) m = (1)其中 V（K）是在样品 电压，V 是峰值，w 是电压，
10、k 是样本的数字运算，w 是基本频率和 T 为采样时间。 例如，如果正弦波的一个周期的采样率 K =200，基本波形正弦频率设定在 50Hz 和 V =100V，然后进行采样时间计算，(2)usT10020010203 正常电压的大小 5th 样品,相当于 9相位角,计算如下:V (5) = 100sin(5)(2 )(50)(100 ) (3)= 15.64V (4)如果允许压降小于 10%,因此,如果如果下降到低于 14.076 V 电压暂降必须得到补偿。现在让我们计算电压陷落(电压骤降大小的 70% 5th 样品(9),在 Vm = 70 V,V (5) = 70sin(5)(2 )(5
11、0)(100 )= 10.95V (5)比较(5)与(4)，发现：(6)%30%10064.1595.1064.15这意味电压降至额定电压的 30%。这个值是和在 90相位计算的电压降百分比是一样的。图 6:新电压骤降探测技术的流程该技术与其他技术比较具有更少的计算。图 6 显示了新的电压骤降检测技术的 流程。实际上将电压与参考电压进行比较，做基于相角电压凹陷检测分析，以 确定凹陷发生与否。如果没有电压骤降，那么判定模块将波形分为正面和负面 的周期波形。晶闸管 1 和晶闸管 2 的门极信号产生，并在同一时间关闭绝缘栅 双极晶体管。如果检测到电压骤降，根据凹陷的严重性电压控制器产生相应占 空比的
12、 PWM 信号，在这一刻，晶闸管 1 和 2 都被关闭。4。相角分析与其他电压凹陷检测技术的比较。相角分析与其他电压凹陷检测技术的比较图 2（b）描述由 RMS 需要的时间价值评估技术检测到的理想的 50电压骤降。显然，有效值曲线在一个周期内从 1p.u 下降到 0.5pu。也就是说，这种技术需要一个周期来检测电压骤降的那一刻凹陷的出现，或者检测时间延迟一个周期。峰值评价技术提高了一个周期延迟时间内显示 RMS 价值评估，该技术通过减少延迟时间来达到更好的效果。图 4。所示的周期是基于相位角分析技术，从电压下降的百分比，例如 50的凹陷，在如前所述，任何相位角是相同的。因此，压降可检测。如图
13、7 所示图 7：拟议的电压骤降的占空比检测技术和 Vinput（凹陷的 50）与时间图 7 显示了当电压下降到 50额定电压时的输入电压的波形和凹陷检测曲线的 相位角。观察到凹陷在第一凹陷周期的开始和那一刻凹陷消失时被立即检测到。 图 7 可以看到波形的实时变化从而理想的显示出凹陷的实际严重性。它表明了 凹陷的持续时间，以及开始和的凹陷结束。5。电压骤降补偿器。电压骤降补偿器在这项工作中，在开发单相电压骤降补偿时可以参考文献11中提到提到的 单相电压补偿器；如图 8 所示。它包括 2 晶闸管，旁路开关，一个 PWM 绝缘栅双极桥配置中的晶体管（IGBT）开关，两个输出过滤器，自耦变压器， 输
14、出滤波器组成陷波滤波器和电容低通滤波器，以减少在电力系统中输出电压的 谐波成分，使其小于 5的总谐波失真的要求。 对于补偿工作，只需几秒钟保 持在关闭状态，其大部分工作时间都是断开状态。其工作原理可描述如下：正 常情况下，旁路开关（晶闸管 1 和 2）保持开启。如果检测电路检测超过 10 的电压骤降，旁路开关立即关闭电压控制器，在这同时，指挥 IGBT 启动 PWM 开关，使输出电压调节和补偿回到正常电压。一旦输入电压有更多的凹陷或低 于 10的凹陷，电压控制器命令 IGBT 转转向对晶闸管的控制。为了抑制关闭 时高峰电压，每一个开关使用一个 RC 缓冲器，所以电流转接到缓冲器，每次 当在电流
15、通路中储存的能量倒入缓冲电容器时，则交换机关闭。在这里，一个 N1，N2= 1:1 的自耦变压器可以提升 50的电压骤降。图 8：单相电压骤降补偿器 图 9 是改进的三相电压骤降补偿器的配置。仿真结果表明：补偿器产生最好的 输出电压在没有过滤器的条件下。对于低通滤波器和陷波滤波器解释，通过模 拟被丢弃。图 9：三相电压骤降补偿器没有过滤器6。结果和讨论。结果和讨论MATLAB / Simulink 的使用。图 10 是三相补偿的仿真模块。RC-用于旁路 开关的缓冲值 r =100 和 C =1nF，用于 IGBT 时，r =7 和 R=20F。如前所述， 三相补偿器和单相补偿器在滤波方面是不同
16、的11。 IGBT 的开关用于 PWM 开关频率为 1.5kHz。凹陷模拟为 50，单相凹陷和三相凹陷持续 4 个周期 （相当于 0.08s）。为了在凹陷发生的那一刻验证上述凹陷检测技术的有效性。 在不同的电压骤降相位角进行了模拟。图 10：三相块模拟的 PWM 切换自耦变压器的电压骤降补偿 图 11 是三相 100V 峰值输入电压的一相（A 相） ，峰值下降到额定电压的 50相 角为 0。对于正常的电压凹陷是非常容易得到控制，可以立即从图 12 看出。图 11：单相电压骤降（50）与时间 0 相角图 12：补偿输出电压为单 0 相角相电压骤降。 图 13 显示了另一个凹陷状态：三相在同时凹陷，A 相在 0 发生凹陷，
