基于SimPowerSystems的DVR电压暂降补偿系统仿真

资 源 简 介

本项目在MATLAB环境下的SimPowerSystems工具箱内构建了一个完整的动态电压恢复器（DVR）仿真模型，致力于解决配电网中的电能质量问题，特别是电压暂降（Voltage Sag）和电压暂升（Voltage Swell）的消除。系统的核心功能是通过实时监控供电侧电压，在检测到电压偏离额定值时，利用逆变器产生一个补偿电压，并借由串联变压器将该电压注入到线路中，从而确保敏感负载端的电压维持在恒定水平。实现方法采用了先进的同步旋转坐标系算法（dq坐标变换），能够将三相定子静止坐标系下的电压信号转换为直

详 情 说 明

基于SimPowerSystems逻辑的动态电压恢复器(DVR)电压暂降补偿系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的动态电压恢复器（DVR）仿真系统。该系统旨在模拟并解决配电网中常见的电能质量问题，如电压暂降（Voltage Sag）和电压暂升（Voltage Swell）。虽然项目基于SimPowerSystems的物理逻辑，但核心算法通过高度集成的MATLAB代码实现，完整模拟了从扰动检测、相位锁定到电压注入补偿的全过程。该系统能够确保在电网发生各种电压波动时，负载侧的电压始终维持在额定幅值和相位，保障敏感设备的正常运行。

核心功能特性

• 动态极速补偿：能够实时检测电压波动并在毫秒级内产生补偿电压。
• 多类型故障模拟：支持单相及三相平衡电压暂降（下降40%）与电压暂升（上升30%）的仿真。
• 高精度同步逻辑：内置锁相环（PLL）技术，确保补偿电压与电网电压在频率和相位上严格同步。
• 数字化控制架构：采用了基于dq0坐标变换的PI闭环控制策略，将交流信号转化为直流量进行处理，消除静差。
• 注入电压限值保护：模拟了电压源逆变器（VSC）的直流侧电压限制，增强了仿真的工程实践性。
• 全面的综合分析：提供负载端电压的总谐波失真（THD）分析、有功功率监测以及多维度的可视化波形输出。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 可选工具箱：虽然主要逻辑由代码实现，但建议安装 Control System Toolbox 以获得最佳兼容性。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含主程序的脚本文件设置为当前工作目录或添加到MATLAB路径中。
3. 在命令行窗口输入主函数名称并回车运行。
4. 程序将自动执行仿真循环，计算各时刻的电压分量。
5. 仿真结束后，系统会自动弹出包含电源侧电压、DVR注入电压、负载侧恢复电压以及实时功率的四路对比图表，并在命令行输出THD分析结果。

系统逻辑与实现细节说明分析

1. 系统参数初始化

程序首先设定了采样频率（20kHz）和额定电气参数（50Hz, 220V有效值）。通过预设故障时间窗口（0.1s-0.25s为暂降，0.35s-0.5s为暂升），确立了仿真中电压波动的动态过程。

2. 电网扰动生成逻辑

利用正弦函数合成三相电压平衡系统。通过幅值调节因子（mag_factor），模拟电网在特定时间窗口内的电压骤降或骤升。该模块作为整个补偿系统的输入扰动源。

3. 关键算法：锁相环 (PLL) 实现

系统采用基于dq变换的软件锁相环：

• Clark变换：将三相静止电压（abc）转换为两相静止坐标系（alpha/beta）。
• Park变换与PI反馈：提取q轴电压分量作为误差信号，通过PI控制器调节估计频率，使其强制跟踪电网相位。
• 相位累加：通过对调节后的角速度进行积分，获得实时相位theta，为后续的坐标变换提供基准。

4. 关键算法：dq0变换与误差检测

为了实现高性能控制，系统将采集的三相电压实时转换到同步旋转坐标系（dq0）：

• d轴分量代表电压的幅值（直流化）。
• q轴分量在正常运行且相位锁定时应趋于0。
• 通过将目标额定电压峰值作为d轴参考值，系统可以精确计算出瞬时电压亏欠量或过剩量。

5. PI控制器与注入电压生成

电压外环控制器接收dq坐标系下的电压偏差，通过比例-积分（PI）运算产生DVR需要注入的指令电压。随后，利用逆Park变换将dq指令转回abc三相坐标系，模拟VSC输出。

6. 物理约束与等效模拟

模型考虑了电压源逆变器（VSC）的物理限制：

• 限幅环节：注入电压被限制在直流母线电压（800V）的物理范围之内，真实模拟了逆变器的输出能力上限。
• 串联叠加：补偿后的负载电压被定义为电网电压与DVR注入电压的矢量和。

7. 后处理指标计算

• 功率计算：假设纯电阻负载，计算三相瞬时总功率，用以观察补偿前后的功率波动情况。
• THD分析：利用快速傅里叶变换（FFT）提取故障期负载电压的基波分量与谐波分量，定量评估补偿后电压的电能质量水平。

仿真结果说明

• 电源侧波形：展示了0.1s和0.35s附近发生的电压跌落和升高现象。
• 注入电压波形：展示了DVR在故障发生瞬间迅速产生反向或正向电压的过程。
• 负载侧波形：证明了即便电源侧存在大幅波动，负载侧电压始终保持平滑、恒定的正弦特性。
• THD数据：系统控制下的负载电压谐波成分极低，体现了控制算法的有效性。