基于H桥级联的电压暂降补偿研究

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摘 要

随着现代科技的进步和国民经济的发展,电能质量问题受到供电部门和用户的普遍关注。其中,由系统故障引起的电压暂降,是导致敏感设备不能正常工作的主要原因,造成了严重的经济损失。电压暂降与短时间中断是近年来日益引起关注的动态电能质量问题之一，是用户对电力部门抱怨和投诉最多的原因。电压暂降和短时间中断会引起用户敏感设备或自动生产线不能正常工作甚至作业中断而造成相当大的经济损失。对于高科技含量的现代工业负荷和商业金融系统，造成的经济损失尤为突出。本文提出了一种动态电压恢复器(DVR)装置,用最小电压法对电压暂降进行补偿。对于装置的拓扑结构、器件选择进行了分析计算，并且在PSCAD/EMTDC仿真软件中做了仿真，提出了一种采用H桥级联多电平拓扑的控制方案，能够有效高精度的抑制系统中的各种电压暂降，使电压波动幅值达到标准的-5%到+5%，保障设备的正常运行。仿真以及实验结果均表明本装置可以有效的模拟各种电流扰动的发生。通过仿真可以为将来研制400V/100kVA实验样机打下理论基础。

关键词： 电压暂降 H桥级联多电平 动态电压恢复器(DVR) 载波移相控制

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Abstract

With modern technology and national economic development, power quality problems by the electricity sector and the user's attention. Among them, system failures caused by the voltage sag, leading to sensitive device is not working the main reason, causing serious economic losses. Voltage dips and short interruption is a growing concern in recent years, the dynamic power quality problem is that users complain about the electricity sector and the cause of most complaints. Voltage dips and short interruption can cause users to sensitive equipment or automatic production line does not work even work interruption caused considerable economic losses. For the high-tech modern industrial and commercial financial system load, resulting in economic losses is particularly prominent. This paper presents a dynamic voltage restorer (DVR) device, with the minimum voltage method to compensate for voltage sag. The device topology, device selection is analyzed and calculated, and PSCAD / EMTDC simulation software to do the simulation, a cascade using multi-level H bridge topology control scheme can effectively suppress high-precision system a variety of voltage sags, the voltage fluctuation amplitude reaches the standard +5% -5% to ensure normal operation of equipment. Simulation and experimental results show that the device can effectively simulate a variety of current disturbances occur. The simulation can be developed 400V/100kVA prototype for the future lay a theoretical foundation

Key words：Harmonic Dynamic Voltage Restorer pwm H bridge

II

目 录

摘 要............................................................................................. I 绪论 .................................................................................................... 1

1.1 课题背景.......................................................................................................... 1 1.2 电压暂降的产生及治理.................................................................................. 3 1.3 电压暂降补偿的发展...................................................................................... 6 1.4 短路电流限制................................................................................................ 10 1.5 小结................................................................................................................ 11

2 控制策略 ....................................................................................... 12

2.1 现有电压暂降的检测方法............................................................................ 12 2.2 瞬时无功功率理论........................................................................................ 14 2.3 对补偿策略的研究........................................................................................ 16 2.4 最小能量法.................................................................................................... 17 2.5 最小电压法.................................................................................................... 18 2.6 控制原理图.................................................................................................... 19 2.7 PQ变换法 ...................................................................................................... 20 2.8 PI调节法 ........................................................................................................ 21 2.9 PWM控制技术 .............................................................................................. 22 2.10 小结.............................................................................................................. 23

3参数设计 ........................................................................................ 24

3.1 主电路拓扑.................................................................................................... 24 3.2 系统电抗及负荷参数设计............................................................................ 25 3.3 IGBT ............................................................................................................... 26 3.4 PWM整流IGBT参数设计........................................................................... 27 3.5 级联H桥IGBT参数设计 ........................................................................... 28 3.6 限流电抗参数设计........................................................................................ 28 3.7 LC低通滤波器的参数设计 .......................................................................... 29 3.9 本章总结........................................................................................................ 30

4电压暂降补偿软件仿真 ................................................................. 31

4.1 仿真软件的选用............................................................................................ 31 4.2 主电路拓扑.................................................................................................... 32 4.3 仿真分析........................................................................................................ 33

5.总结和展望 ................................................................................... 40

5.1 总结................................................................................................................ 40 5.2 展望................................................................................................................ 40

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致 谢........................................................................................... 41 参考文献........................................................................................... 42 附录 .................................................................................................. 42

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绪论

1.1 课题背景

目前，国外已进行了大量的相关研究和统计调查，而国内在这方面的研究和开发才刚刚起步。这一研究工作的开展具有十分重要的现实意义和应用价值。电压暂降是当前业界所面临的代价最大的电能质量问题之一,针对所研究的配电网,建立了可用于监测电压暂降的分布式电能质量在线监测系统。介绍了监测系统的构成、性能参数及监测点的配置方法。应用UNI-PEDE对监测到的各次电压暂降的下凹深度及持续时间进行了统计分析,并根据监测及配电网运行记录对电压暂降发生原因作了分析。研究了电压暂降对研究区域内电力用户的影响,用SARFI-ITIC图对影响用户的电压暂降和短时间中断事件进行了分析。研究结果有助于进一步改善电压暂降并为用户侧解决方案提供依据。

对电力企业来说，开展系统短路故障引起的电压暂降和短时间中断对电力系统安全可靠性影响的研究，所获得的评估结果，是衡量系统安全优质可靠供电能力的指标，是改善电力网设计的依据，是开放电力市场按质定价的前提，是电力用户选址和设备择优的设计条件，是政府招商引资，引进先进生产线以及重大社会活动顺利进行的基本保证。

电压暂降的危害主要有以下几个方面：

1）现今的精密制造设备、电脑，变频器等用电负载对电压暂降均非常敏感，持续16ms的85%至90%电压暂降即可能导致设备停机。

2）电压暂降与短时断电(interruption)的差别在于短时断电时负载一般与供电系统完全断开，而电压暂降发生时负载仍与电源连接，对某些工业用户而言，两者均会造成设备停机，所产生的结果是相同的，但是电压暂降发生的机率远高于断电会发生的机率。

3）随着现代工业及高科技产业的快速发展，基于功率电力电子开关设备的普及与应用，一些新兴电力负荷如变频器供电的工业设备、PLC以及微处理机对电压骤降敏感程度很高，当电压下降到敏感电压门槛值（例如85%标称值）以下，持续时间超过1个周期就会导致设备运行中断，造成巨大的经济损失。

4）现代社会各行各业广泛应用的计算机，电压暂降（幅值下降大于10%，持续时间大于100ms）可引起计算机系统紊乱，数据丢失。

5）对生产电子器件的工厂，在发生电压暂降时，会使制冷机停止工作，而冷却装置是给芯片生产和检测设备提供水源的，会造成生产停止。

电压暂降问题是客观存在的不可避免的，用户为了减少因电压暂降引起的损失，必须采用特定的定制电力设备。动态电压调节器（DVR）是一种静态串联补偿

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器。当系统侧电压偏离了一定的范围，DVR将迅速动作，以补偿电源电压的偏差，快速跟踪并恢复负荷侧的电压波形，满足特殊用户对电能质量的高要求。国外自80年代末，许多公司便开始了定制电力技术的专题研究，并陆续推出了SSTS、DVR、DSTATCOM 等产品化装置。

DVR是改善电压型电能质量问题的最经济、最有效的手段。不过，目前DVR主电路拓扑基本采用两电平、三电平及利用串联变压器的注入模式，在应用上存在一些问题或不足，级联多电平拓扑能有效解决这些问题。有关级联多电平、无注入变压器拓扑的DVR工程研究及设计尚未见到报道，针对中压系统电压暂降治理目标，对级联多电平无注入变压器结构的DVR进行包括主电路拓扑、储能、滤波器、暂降检测及补偿等的系统设计及仿真研究对DVR高压大容量方面的应用具有重要意义。

目前，在对电能质量问题的研究中，电压骤降和瞬时供电中断已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题。统计表明，大型电力用户，幅度超过20%的骤降年发生率在10~20次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次电压骤降造成的经济损失达数十万至数百万美元之多。可见，减少或减缓电压波动是提高供电质量的重要内容。传统的方法不能有效地解决动态电能质量问题。随着电力电子技术和大功率开关器件的发展，在提高配电网电能质量和供电可靠性方面出现了一种新方法，即定制电力技术。定制电力技术由Narain G Hingorani提出，其核心内容是电力电子设备在电力系统中的应用。动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)是CP家族中的重要成员，它可以补偿电压的骤降、骤升、不对称、闪变、波动、谐波等，良好的动态性能和容量上的相对优势使其成为治理动态电压问题最经济、有效的手段之一。

动态电压恢复器(DVR) 是解决暂态电能质量问题的一种有效途径。就单相DVR 的电压扰动检测、基于特定谐波消除的软件锁相技术,以及分段式电压补偿策略等问题进行了探讨。引入导数和积分方式来实现快速电压波形鉴别以及噪声消除,通过二次微分消除特定谐波分量,简化锁相滤波,推导了软件锁相初值角的计算方法,提出了分时段电压检测和补偿的模型,并配合实现补偿电压的生成,最后通过DVR 样机的单相电压跌落实验验证了上述算法的可行性。

（1）只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；

（2）只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿； （3） 其滤波特性受系统参数影响较大，且其滤波特性有时很难与调压要求相协调；

（4）重量与体积较大等等

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自美国电力科学研究院提出“柔性交流输电系统”的概念以来，电力电子技术在大功率场合的应用得到了广泛的研究。在有源电力滤波器等大功率场合，电力电子器件的处理功率与开关频率相互矛盾。为此，日本学者 Akira Nabae等人提出了一种中点钳位变流器。在此基础上发展为二极管钳位型多电平变流器。以上两种技术都已进行了较广泛的研究 ，但是都存在一定的不足。

有源电力滤波器是现代滤除电网中谐波及无功电流的新型电力电子装置。有源滤波器工作时要求补偿电流实时跟踪指令电流信号的变化，这种电流跟踪控制是基于反馈控制思想，将从电网检测出的谐波、无功电流信号即指令电流信号与逆变器输出的补偿电流信号相比较，若补偿电流信号大于指令电流信号，则通过逆变器开关器件的动作使之减少，反之，则使之增加，使逆变器输出电流围绕着指令电流信号做锯齿形变化。如果逆变器的开关器件具有足够高的开关频率，则逆变器就能使输出电流得到高品质的动态控制。这种 PWM电压型逆变器和电流控制环节组成电流跟踪型逆变器。有源滤波器的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。

1.2 电压暂降的产生及治理

电压暂降或下跌是指供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复的现象。在电网中这种现象的持续时间大多为0.5～1.5s。国际电气与电子工程师协会（IEEE）将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90％～10％，然后回升至正常值附近；而国际电工委员会（IEC）则将其定义为下降到额定值的90％～1％，持续时间为10ms～1min。 电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量。

当输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机启动和雷击是引起电压暂降的最主要原因。雷击时造成的绝缘子闪络或对地放电会使保护装置动作，从而导致供电电压短时间突然跌落，这种现象影响范围大，持续时间一般超过100ms。电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的500~800％，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降。这种暂降的持续时间较长，但暂降程度较小，一般不会对用户造成严重的影响。短路故障可能会引起系统远端供电电压较为严重的跌落，影响工业生产过程中对电压敏感的电气设备的正常工作，甚至造成严重的经济损失。

随着现代工业及高科技产业的快速发展，基于功率电力电子开关设备的普及与应用，一些新兴电力负荷如变频器供电的工业设备、PLC以及微处理机对电压骤降敏感程度很高，当电压下降到敏感电压门槛值（例如85%标称值）以下，持续时间超过1个周期就会导致设备运行中断，造成巨大的经济损失。现代社会各

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行各业广泛应用的计算机，电压暂降（幅值下降大于10%，持续时间大于100ms）可引起计算机系统紊乱，数据丢失。对生产电子器件的工厂，在发生电压暂降时，会使制冷机停止工作，而冷却装置是给芯片生产和检测设备提供水源的，会造成生产停止。塑料挤压生产过程的自动化程度很高，降低到额定值的88%时，挤压机就不能正常工作。据统计，塑料生产过程中每次电压暂降事件可带来的损失平均为一万美元，而每个工厂要经历20-25次电压暂降事件。

电压暂降的产生原因主要由如下：

(1)短路引起的电压暂降：路处相当于在那儿加了一个功耗非常非常大的设备，既相当与在此处并联了一个非常小的电阻，由于供电输出的功率是固定的负载大了P=UI其中P不变I变大了当然U会变小，线路供电跟不上所以电压下降。 (2)雷击引起的电压暂降：雷的产生就是极强电场的放电现象，当这种放电直接加在输电线路上，会远远超出线路上的电压，这应该就是所谓的过电压；超强放电势必产生超强的电磁感应，当超强的磁场作用在输电线路时，势必严重干扰线路周围的磁场，磁场变化当然也干扰了线路中的电流电压，这就会产生电压跌失，就是所谓的电压暂降。

(3)感应电动机启动引起的电压暂降：由于刚启动的时候转差率为1，也就是转子处于堵转状态，这时候由于转差率太大， 也就是说转子导条和定子磁场的相对速度很高，这时候就会在转子导条的两端产生一个比较高的感应电压，由于转子导条处于短路状态，所以肯定会产生一个很大的启动电流，如果结合变压器来考虑的话，那么电动机转子就相当于变压器的负载侧，负载侧短路就相当于原边短路，所以转子的电流变化势必会表现在定子上面，这就会造成定子绕组输入电流达到额定电流的4到7倍，一旦转子转动起来以后，转差率变小，感应到转子上面的电压也会降低，这样转子电流就会降低，转子电流的变化同样也会表现在定子绕组上，这样等电动机启动结束以后其实感应到转子上卖弄的电压是比较低的。

(4)变压器投切引起的电压暂降：变压器投切时，由于铁心的饱和特性，会产生数倍于额定电流的励磁电流，涌流的大小与电压初相角铁心的饱和程度有关。如果在合闸瞬间电压为最大值，此时磁通瞬时值为零，变压器投切不会产生励磁涌流；相反，在合闸瞬间电压为零，则涌流最大，暂降程度也最深。由于三相电压存在120度的相角差，故三相电压幅值始终不平衡。线圈铜损使电压暂降的恢复是一个逐渐恢复的过程，变压器容量大小对恢复时间有较大影响。 (5)感应电动机引起的电压暂降：感应电动机启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的5至8倍。引起电压的突然下降，感应电动机启动引起的电压暂降

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持续时间长，但暂降幅值一般不大。由于是衡负荷，故三相电压在暂降结束过程中基本平衡。感应电动机引起的电压暂降有如下特点：1.电压暂降持续时间较长，暂降程度一般较小；2.电压暂降逐渐恢复，暂降结束时没有突变；3.三相电压基本均衡。

目前常用的电压暂降补偿方法有最小能量法和最小电压法。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

（一）最小能量法

由于DVR的输出功率与UDVR和IL的夹角有关,当夹角越接近90°时,DVR输出的有功越小。因此可以通过改变UDVR和IL之间的夹角,使DVR输出的有功最小。DVR输出的有功应满足PDVR=PL-PS,其中,PL为负荷有功,PS为系统侧有功。从上式可以看出,要减少DVR的有功输出,在负荷有功PL一定的前提下,增加PS就可达到。在图3中,US的初始运行点在A点,如果逆时针向C点旋转US,US与IL的夹角增大,系统输出的有功减少,UDVR与IL的夹角减小,DVR输出的有功增加。US旋转到C点,系统输出的有功最小,DVR输出的有功最大。如果顺时针向B点旋转US,情况则相反,DVR输出的有功减小。US旋转到B点时,系统输出的有功最大,DVR输出的有功最小。 最小能量补偿法的优点:

最小能量补偿法要求补偿后的输出功率最小、电压幅值达到额定电压幅值。该方法的优点是输出的能量最小。缺点是输出电压比较大,而且负载电压也有相角偏移。最小能量法通过减少DVR的有功输出,从而在一定的储能容量下,可以获得更长的补偿时间。在补偿电压凸起时,最小能量法也可以减少DVR从系统吸收的有功,抑制或减少能量的倒灌,防止直流母线电压的泵升。对于那些对电压幅值和波形连续性要求很高的负荷,最佳的补偿策略是跌落前电压补偿法;对于那些能容许电压幅值和相角都有一定偏移的负荷,可以采用同相电压补偿法或最小能量补偿法。

最小能量补偿法的缺点:

但是最小能量法有一个严重的缺陷就是它很难在硬件上实现。因为它在实验过程中很容易造成硬件的烧毁，造成严重的经济损失，虽然它在理论上已经很成熟但本课题还是不会采用此方法。 （二）最小电压法 (1)最小电压法的原理:

通过比较负荷侧和系统侧的电压向量，得出一个电压差，此电压就是补偿设备所需要发出的电压，也就是应该补偿的最小电压。通过各侧的点运算检测装备的出的电压差最小，从而在硬件的调节上更易于实现。

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(2)最小电压法的优点:

最小电压法和最小容易造成能量法相比较最突出的优点是它易于实现，最小能量法在硬件上操作时风险很大的经济损失，最小电压法易于在硬件上实现的优点就更加突出。

1.3 电压暂降补偿的发展

1.3.1 DVR的发展史

动态电压恢复器(DVR ) 是近年来出现的DFACTS装置,它串联于电源与

敏感负荷之间,负荷正常运行时DVR被旁路,由系统提供电压;当发生电压凹陷时,DVR可以在ms级内,对电压凹进行有效补偿。由于DVR只在电压凹陷出现时提供负荷满足正常电压所需的功率消耗,所以效率较高,而且其费用低于UPS, CVT, MG等装置,其良好的动态性能和很高的性价比使得它成为治理动态电压问题,特别是电压凹陷的最经济、有效的手段。1988年N. G. Hingorani博士提出了Custom Power概念,其后近10年时间内基于VSI (Voltage SourceInverter)的电能质量控制技术的迅速发展,使DVR的理论及实践基础被建立。1996年,美国Westing2house Electric Corporation 在西部电子展览和会议(Wescon)上首次发表了DVR的研究报告以及实验结果。同年8 月,世界上第一台2 MVA 的DVR在美国北卡罗来纳州Duke 电力公司投入工业运行。自此之后,DVR的研究及应用拉开大幕。这其中ABB公司于2000年在以色列一家著名的微处理器制造厂投入运行的两套DVR是当今世界上最大的,单套容量均为22. 5MVA,该DVR的响应时间小于1 ms,可补偿持续时间达500 ms的三相压凹陷的35%和单相电压凹陷的50%; Siemens公司于1999年5月在加拿大Dawson Creek地区一条12. 5KV, 500 KVA的配电线上安装了世界第一台杆上紧凑式Platform2Mounted DVR (即DVRTM PM ) 。DVRTM PM采用直接从电网获取能量的方式,省去了附加直流储能设备所带来体积、设备造价以及维护的费用。除此之外,世界上还有很多国家和研究机构正在研制各自的DVR, 并有相应的产品投入使用。 1.3.2 DVR结构

一个DVR的典型主电路结构如图1-1所示。从图1-1中可以看出,典型的DVR装置主电路包括储能装置、逆变器、滤波器和串联变压器四部分。与UPS电源一样,在系统电压出现偏差时, DVR和系统之间必然会进行能量交换, 储能装置就是给DVR提供能量的部分,主要有利用大电容储能、利用可控整流由电网提供能量、超导储能以及一些其他的储能方式;逆变器通过对储能装置提供1971年，H.Sasaki和T.Machida发表的论文中，完整的描述了有源滤波器的基本原理，但由于当时采用的线形放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而只在实验室中研究，未能在工业中应用。的直流电压的逆变产生系统所需补偿电压,实践

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2 控制策略

2.1 现有电压暂降的检测方法

2.1.1 有效值计算方法

用三个单相逆变电路可以组成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图所示 ，可以看成由三个半桥逆变电路组成。对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出电压Uuv展开成傅里叶级数得

uUV=

23Ud?23Ud1111??sin11?t?sin13?t????sin?t?sin5?t?sin7?t?571113????sin?t?? =

??n1n??1?ksin?nn?t?? （2-1）

式中，n=6k?1；k为自然数。 输出线电压有效值UUV为 UUV=

12??2?0u2UVd?t=0.816Ud （2-2）

其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为

UUV1m=

23Ud?=1.1Ud （2-3）

2.1.2 基波分量法

在复杂的周期性振荡中,包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波分量。相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波。 在电能质量调节装置中，基波分量的提取精度和速度在很大程度上影响其性能。根据最小二乘原理，提出一种提取基波分量的方法。方法精度高，跟踪性能好，对基波突变甚至频率波动有较快的响应时间和较好的跟踪性能。由该方法得到的基波相角可以作为系统的同步信号。 2.1.3 基于“abc-dq”变换的检测算法

基于“abc-dq”变换的检测算法可以瞬时确定电压的有效值,得到了广泛的应用。由派克变换可知,将abc 坐标下的系统三相电压变换到dq 坐标系下:基波正

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序分量变为直流分量,负序分量变为二次谐波分量,零序分量仍为零。设系统发生三相对称故障,跌落后的三相电压为

???2U1sin??t??1????2U2sin??t??2????2U0sin??t??0??ua?22?????ub?2U1sin??t????1????2U2sin??t????2????2U0sin??t??0?33??????22?????uc?2U1sin??t????1????2U2sin??t????2????2U0sin??t??0?33????? (2-4) 式中,ω为工频角频率;U1 、U2 、U0 分别为基波电压正序分量、负序分量、零序分量;φ1 、φ2 、φ0 分别为基波正序分量、负序分量、零序分量的初始相位角;α、β 变换矩阵为

?cos?tcos(?t?120)cos(?t?120)?P?????sin?t?sin(?t?120)?sin(?t?120)?

(2-5)

则

???ud?2?ua??2U1sin(?1??)??2U2sin(2?t??2??)????????P?ub?????3???22cos(2?t????)??cos(???)?U?uq??12?U2?1???uc???

(2-6)

由式(2-6) 可见滤除2 次谐波分量后可得到直流分量

ud?2U1sin(?1??),uq??2U1cos(?1??)。而二者的均方根usag即为跌落后电压的峰值,

通过与标准电压峰值进行比较来判断是否发生电压跌落。 2.1.4 傅里叶积分

在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为

u(t)?2Usin(?t??) (2-7) 式中 U——电压有效值； ?——初相角；

?——角频率，??2?f?2?/T;

U——频率； T——周期。

正弦电压施加在线无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生电压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为T?2?/?的非正弦波电压u(?t)，一般满足狄里郝利条件，可分解为如

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下形式的傅里叶级数：

u??t???0????ncosn?t?bnsin?t? (2-8)

n?1?式中 ?0= ?n? bn?12?1???02?0u??t?d???t

2??1u??t?cosn?t?d ?wt2?0?u???tsin?t?d?? t （n=1，2，3．．．）

在式(2-8)的傅里叶级数中，频率为1/T的分量称为基波，频率大于1整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用。

2.2 瞬时无功功率理论

瞬时无功功率理论的基本思路是：将abc三相系统电压、电流转换成AB0坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率；将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果 。 2.2.1 三相电路瞬时无功功率理论

三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木文泰提出，此后该理论经不断研究逐步完善。赤木最初的理论pq理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础，其主要的一点不足是未对有源的电流量进行定义。

设三相电路各相电压和电流瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。为分析问题方便，把它们变换到???两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到?、?两相瞬时电压e?、e?和?、?两相瞬时电流i?、i?

把他们变换多如下图2-1所示???两相正交的坐标系上进行研究。

?e???????e????e?a??c32?eb? （2-9） ???ec? 14

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?i?a??c32?ib? （2-10） ???ic??1/23/2?1/2??

?3/2??i???????i???式中

c32??12/3??0 (2-11)

在图2.1所示的???平面上，向量e?、e?和i?、i?分别可以合成为电压向量e和电流向量i。

e?e??e??e??e

i?i??i??i??

i式中 e、i----相量e、i的模 ?e、?i----相量e、i的幅值

图2-1 ???平面图中的电压、电流矢量

根据式子（2-10）和（2-11）引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有如下：

?p??e??????q???e?e???i??????c?e???i??????i?? ?? （2-12）pq??i??? 15

青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文） ?e?????e?式中 cpqe???。 ?e???有式子（2-12）可得

?u??22??i???e?e???????i????u??22???e?e?u?e??e?22?u?e??e?22????p???? ??q????（2-13）

式子（2-11）和（2-12）中，在三相电流为非正弦且不对称时，p和q分解

为三种成分 :

??p??p?p?p （2-14） ???q?q?q?q?当三相电压平衡且无畸变，式子（2-12）中

p、q--分别为瞬时有功、无功功率的直流成分，对应于三相系统的基波

正序无功电流分量，其中用户对应于三相系统的基波正与有功电流分量，q对应于三相系统的基波正序无功电流分量；

?p?---分别为瞬时有功、无功功率的高频成分（h>2）、q，系统的高次谐波

成分；

?p?---分别为瞬时有功、无功功率的低频成分（h=2）、q，对应于三相系统

的负序电流成分。

以上三相电路瞬时无功功率理论为基础，即可得到三相电路的谐波和无功电流检测方法——p、q检测法，并可以得到派生出的ip?iq法。 2.2.2 基于瞬时无功功率理论的dq0 变换方法

根据三相三线电路系统对称分量法 ,以瞬时无功功率理论为基础 ,推出基波和各次谐波电流的正序及负序分量离散检测方法。用复化积分算法取代传统的低通滤波器 ,具有截止频率特性好 ,检测结果稳定 ,易于编程实现等特点。利用MATLAB动态仿真工具对不同检测方法进行对比分析 ,结果表明 :该方法比传统的检测方法具有更快的响应速度。实验验证了该方法的正确性。

2.3 对补偿策略的研究

在补偿范围相同的情况下,DVR串联侧采取不同的电压补偿策略会对装置的容量以及性能产生很大的影响。如何使得装置的容量尽可能地小、能够更长时间

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的工作、能有更高的性价比是补偿策略研究目标，讨论了单相最小能量补偿的各种情况。在单相DVR中,可以用电压相量来描述系统的电压凹陷,并根据相量来实现各种控制目标的优化。然而,三相系统中由于电压凹陷情况比较复杂,电压存在不对称,以及相角跳变,用单相的电压相量很难确切描述三相电压凹陷情况,单相的补偿方法无法应用到三相系统中。讨论了DVR装置中能量流动和补偿电压控制的问题,并提出了可以补偿电压浪涌和保证最小能量补偿的电压补偿轨迹;同时考虑了实际系统中DVR装置存在等效阻抗情况下的改进电压补偿策略。采用对称分量法对能量优化进行分析,直接将DVR的输出电压等效成正序补偿电压,没有考虑负序和零序电压的影响,理论计算与实际的输出有一定的误差。通过旋转三相参考电压的方法来提高DVR的补偿范围,同时也考虑了负序和零序电压对输出电压的影响,并通过求取最优能量旋转角来减少DVR输出的有功功率。提出了按照负荷能承受的电压范围限值进行补偿,以进一步减小DVR的有功功率输出或增大DVR的恢复能力。在综合了负荷电压固定补偿、同相电压补偿和最小能量补偿三种补偿策略的优点而避免了各自的缺点,提出了一种能量稳定控制策略,这种补偿策略在实现DVR补偿目标的同时,可以减少DVR的有功输出,延长了补偿时间,降低了设备的容量和造价。

本设计对常见的电压质量问题，提出了复合电压质量调节装置主电路拓扑，详细分析了其工作原理。通过仿真分析说明，应用该复合电压质量调节装置既可以实现暂降补偿和谐波抑制的多目标控制，又能根据具体的短路类型快速有效地限制短路电流，在半个工频周期内将短路电流限制到短路保护可靠动作的最低限值，起到短路电流限制的作用，可以大幅度改善敏感负荷的电压质量，满足自动化程度高的流水线生产企业对电能质量的高标准要求，因而具有较大的灵活性和实用性。复合电压质量调节装置根据其耐压要求和冗余设计，主电路拓扑采用Ｈ 桥级联的链式多电平结构，在提高直流电压利用率、大大减少开关损耗、降低du/dt和输出谐波含量等的同时，实现了资源的合理利用。

2.4 最小能量法

最小能量法从字面意思理解就是使器件所消耗的能量最小，从而达到节约资源提高工作效率的目的。 2.4.1 最小能量法原理

由于DVR的输出功率与UDVR和IL的夹角有关,当夹角越接近90°时,DVR输出的有功越小。因此可以通过改变UDVR和IL之间的夹角,使DVR输出的有功最小。DVR输出的有功应满足PDVR=PL-PS,其中,PL为负荷有功,PS为系统侧有功。从上式可以看出,要减少DVR的有功输出,在负荷有功PL一定的前提下,

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增加PS就可达到。 2.4.2 最小能量法优缺点

最小能量补偿法要求补偿后的输出功率最小、电压幅值达到额定电压幅值。该方法的优点是输出的能量最小。缺点是输出电压比较大,而且负载电压也有相角偏移。最小能量法通过减少DVR的有功输出,从而在一定的储能容量下,可以获得更长的补偿时间。在补偿电压凸起时,最小能量法也可以减少DVR从系统吸收的有功,抑制或减少能量的倒灌,防止直流母线电压的泵升。对于那些对电压幅值和波形连续性要求很高的负荷,最佳的补偿策略是跌落前电压补偿法;对于那些能容许电压幅值和相角都有一定偏移的负荷,可以采用同相电压补偿法或最小能量补偿法。

但是最小能量法有一个严重的缺陷就是它很难在硬件上实现。因为它在实验过程中很容易造成硬件的烧毁，造成严重的经济损失，虽然它在理论上已经很成熟但本课题还是不会采用此方法。

2.5 最小电压法

由实际工况可知，系统的控制目标是保持负荷电压等于系统电压，即有效

Eload?Es??

???Esag?Is(Rl?jXl)?Edvr?EL?Eload (2-15)

忽略线路阻抗，得到

Edvr?Esag?EL?Eload (2-16)

????考虑极限情况，系统电压中断，则Esag?0，

这时Edvr??EL?Eload。 (2-17) 且当EL与Eload同相位时DVR输出最大电压。 DVR正常工作时，限流电抗压降为

EL?XLRload?Xload22???????Es (2-18)

Edvr?EL?Es?(1?XLRload?Xload22)?Es(最大输出电压) (2-19)

Edvr?(1?XLRload?Xload22)?Es?0.23?314?3?10?7Sload3?0.4 18

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VsysVDVRVload图2-2 电压暂降时向量图

由上面的分析我们可以看出通过负荷侧和系统侧的检测装置可以得出负荷侧和系统侧的电压差，然后电压补偿的任务就交给了动态补偿装置DVR，通过DVR产生的补偿电压使系统侧和负荷侧电压持平。

本控制采用最小电压法，即保证系统侧、DVR补偿侧和负荷侧同相位。由于最小电压法较最小能量法在硬件上更容易实现，而且当系统发生故障时，比较环节会给双向晶闸管发出一个触发脉冲将IGBT元件切除，从而保护了硬件设备，所以本文采用最小电压法补偿策略。

2.6 控制原理图

2.6.1 调节装置控制原理图 负荷侧 参考电压滤负序abc/dq滤波系统侧电压abc/dq+-+-dq/abc+-实际注入电压PI指令电压限流电抗电压abc/dq

图2-3 控制原理图

本复合调节装置采用分相控制，使得在三相不平衡或者单相发生扰动下都能很好控制，如图2-3所示，根据Usys?Usag?UDVR?EL?Uload，负荷侧最理想的电压为原电源侧没有任何扰动情况下的正序基波分量，检测系统侧的电压（包含暂降）并锁相，暂降后的电压-理想电源正序基波分量（负荷电压）-限流电抗正序基波分量=DVR输出的电压。该输出在补偿电压暂降、暂升的同时还可起到滤波的作用。该值与实际测量的DVR输出电压量做差进行PI控制即得到调制波，便可经PWM控制IGBT导通。 2.6.2 H桥驱动电路

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-S1UD S3 ???vr?++++???-1???-1S1S2S4S3AUAB????vcBS2 S4 0-

图2-4 单相H桥驱动生成电路

该装置采用单极性正弦脉冲宽度调制SSPWM方式作为底层调制方式，其优点是每个H桥模块的工况一致，并且非常容易用FPGA实现。 2.6.3 短路电流限制原理图

图2-5 短路电流检测的拓扑结构图

IGBT测得的最大电流设定的安全安全电流

图2-6 短路电流限制原理图

发生短路时，电流互感器检测出一个短路电流，然后和系统设定的安全电

比较器晶闸管取反装置IGBT

流做一个比较，如果短路电流大于设定值， 则发出信号将给IGBT发出触发脉冲，同时给晶闸管一个触发脉冲，将晶闸管导通从而保护了IGBT。

2.7 PQ变换法

快速分解法（又称PQ分解法）是从简化牛顿法极坐标形式计算潮流程序的基础上提出来的。它的基本思想是根据电力系统实际运行特点：通常网络上的电抗远大于电阻值，则系统母线电压幅值的微小变化U

派克变换就是将a、b、c三相电流、电压及磁链经过某种变换（变换的方法

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不唯一）转换到另外三组量，即d轴、q轴、零轴分量，完成了从a、b、c坐标系到d、q、0坐标系的变换。

?????cos?cos??120cos???120???ia??id????????2?iq??sina?sin???120??sin???120??ib??3?????ic? （2-20） ?1?11?i0???????2?2?2??park变换就是将ia,ib,ic电流投影，等效到d,q轴上，将定子上的电流都等效到直轴和交轴上去。对于稳态来说，这么一等效之后，iq,id正好就是一个常数了。

2.8 PI调节法

2.8.1 PID调节定义

P:比例 I:积分 D：微分调节

PID调节叫作：比例、积分、微分调节，它的原理是通过比例积分微分（指对输入、输出偏差的作用）调节器（作用），控制输出信号符合设定值。 数学微分方程表达式：c(t)=ke(t)+t/tdde(t)/dt+ti/tSe(t)dt (S:是积分符号的意思） 其中：

k是比例系数，决定系统的反应力度。

td是微分时间，值越小，微分作用越大，但会影响精度 ti是积分时间，值越大， 积分作用越明显，但会影响速度 比例作用决定着系统的反应力度。

微分作用起到超前控制的效果，能在误差出现前就反应消除。 积分作用起到了消除误差的效果，但是反应较慢。

在工业生产和电子设计中PID控制是最基础的算法，而且卓有成效！但是，有时对于系统反应速度要求不高而对精度要求很高的场合也会用到PI控制，也就是比例、积分控制。 它的数学表达式是：c(t)=ke(t)+ti/tSe(t)dt (S:是积分符号的意思)总之,这三个参数各有特点，具体调节还要看具体场合，组合起来也有不同的效果。

2.8.2 PI调节原理

具有比例-积分控制规律的控制器，称为PI控制器，其输出信号同时成比例的反

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应输入信号及其积分即 m?t??Ke?tp??式中，

KpKpTi (2-21) ?t d t??e0t为可调比例系数；Ti为可调积分时间常数。

2.8.3 PI调节的作用

本课题用到的PI调节主要是为了调节电压。当出现电压暂降时，电压暂降的幅值可以通过电压检测装置检测出来。然后通过最小电压法补偿电压，为了更好的跟踪电压所以用PI调节器控制。从而使电压暂降的补偿达到理想的效果。

2.9 PWM控制技术

2.9.1 PWM原理

脉冲宽度调制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制指对脉冲宽度进行调制的技术，即对通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需的波形（含形状和幅值）。

图2-7 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。如图2-7所示，图2-7中（a）、（b）、（c）分别为矩形脉冲。三角形脉冲和正弦脉冲，它们的冲量都等于1，那么，它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄

（t）脉冲变为图2-7（d）的单位脉冲函数?时，环节的响应即为该环节的脉

冲过渡函数。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频

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率。

2.9.2 PWM控制方法

PWM控制方法目前分为两类：计算法和调制法。

计算法：如果给出逆变的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中的各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称为计算法。

调制法：把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。

图2-4 PWM工作波形图

2.10 小结

本章主要对电压暂降的控制策略进行了详细的介绍。本节提到的瞬时无功功率理论可以对电压暂降进行检测。通过比较最小能量法和最小电压法的优缺点，最终选择了最小电压法为主要的补偿策略。用PI调解法可以更好的对电压暂降进行补偿，从而达到理想的效果。

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3参数设计

3.1 主电路拓扑

B AXSU??DVRULXLU?loadCXSXS?RloadXload

Esag图3-1复合电压质量调节装置主电路拓扑

复合电压质量调节装置主电路拓扑采用H桥级联的链式多电平结构。 大容量逆变器一般采用两种拓扑：变压器多重化电压型逆变器和链式多电平电压型逆变器。

链式多电平逆变器有以下优点：

（1）采用普通变压器接入系统，避免了多化变压器，减小了占地面积，降低了装置成本；

（2）在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用； （3）采用模块化结构，便于扩展装置容量； （4）采用冗余功率模块，提高了装置可靠性

（5）避免了多重化逆变变压器激磁回路中磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。

它由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，这种变换器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，且每个开关器件所承受的电压应力较小，无需均压电路，级联型逆变器可以通过采用较低电压等级的功率开关器件串联的方法实现中高压的输出;每个功率单元采用比较低的开关频率，而串联后的等效开关频率可以得到成倍数的提高，大大减少开关损耗、降低du/dt和输出谐波含量，可避免大的du/dt 所导致的各种问题。

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利用技术成熟的、价格低廉的低压IGBT组成的逆变单元，接入电网，并可调整串联单元个数灵活的适应不同电压等级，不需昂贵的高压开关组件;采用多电平结构及和多电平PWM进一步减小注入系统谐波，使逆变器输出电压更接近正弦;由于采用多个单相全桥逆变器串联的模块化结构，易于实现冗余设计，装置的可靠性显著提高，且相应速度快。除此之外，级联型逆变器还具有自己独特的优点，如无需均衡电容电压、结构上易于模块化和扩展、便于实现软开关技术等。基于以上的特点，级联型逆变器具有良好的应用与发展前景。

如图3-1所示在系统正常时，两个反串联晶闸管均为断开状态，DVR工作。DVR装置输出电压包含三部分，电压谐波补偿分量，电压暂降（暂升）补偿分量，补偿电感压降。即Usys?Esag?UDVR?EL?Uload

DVR提供和限流电感大小相等方向相反的电压，等效于串联谐振；当系统侧有暂降或者暂升发生时，DVR除了提供和限流电感大小相等方向相反的电压还补偿暂降或暂升的压差以及谐波；当负荷侧发生短路时，短路电流大于一定值时，反向串联的晶闸管导通，使电流不流过DVR，起到保护作用，以防止过电流将设备击穿，同时IGBT模块闭锁，DVR退出运行，由限流电抗来承担一部分电压，起到限流的作用。

3.2 系统电抗及负荷参数设计

系统额定电压：0.4kV

如果电源侧电压暂降100%，负荷侧的最小容量为0.1MVA。 设功率因数为0.9，则负荷侧的阻抗可根据P?jQ?其中P?S?cos??0.1?0.9?0.09KW，

P?S?cos??0.1?0.9?0.09KWU222U2R?jX得出，

，

得出R??P?0.4222?0.09?1.5?P?QU220.09?0.050.422X?P?Q2?Q?0.09?0.052?0.05?2mH

短路电流有效值设为10KA

系统短路容量：S?3USIS?3?0.4?10=6.7MVA ?7MVA 系统等值电抗：Ls?US2?314?0.472?314?0.07mH

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3.3 IGBT

3.3.1 IGBT定义

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 3.3.2 IGBT结构

图中所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。

图 3-2 IGBT结构图

3.3.3 IGBT的工作特性

IGBT有两种工作特性一种是静态特性，另一种是动态特性。 （1）静态特性

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IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线.IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。 （2）动态特性

IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。

3.4 PWM整流IGBT参数设计

本装置中PWM整流器除了为后级级联H桥逆变器提供稳定的直流母线电压之外，还为装置、负荷和系统三者之间提供能量回馈通道，若采用独立电源接入，则在主网发生故障的情况下，并联型电能质量控制装置可以作为交直交电源系统为负荷提供电能，这大大提升了电能质量控制装置的应用范围。PWM整流器采用单位功率因数控制，即只传输有功功率，因此在设计过程中PWM整流器的容量即为装置需要传输的最大有功功率。设装置额定容量为Se=100kVA，功率因数0~1连续可调，则可以确定PWM整流器的额定容量为100kW。

根据主电路拓扑采用2H桥级联，装置运行效率按照90%进行设计，则可以确定每个PWM整流模块的容量为，其中N为级联H桥总数：

Prs?PrN??1009?0.9?12.4kW （3-1）

假设交流侧输入变压器变比为n=380：150，则可以得到PWM整流单元的输入交流电压有效值为Uac=150V，可以确定整流电源的输入电流有效值为Iac：

Iac?Prseacn?12.4?10?380380?1503?82.6A （3-2）

在实际设计过程中考虑2~3倍的电流设计裕量，选用150A的IGBT模块。同时装置稳定运行时的直流母线电压Udc=250V，考虑电压的设计裕量，最终选用(600V，150A)的IGBT模块BSM150GB60DLC。

表3-1

IGBT参数

额定电压 600V 额定电流 150A 型号 BSM150GB60DLC 27

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3.5 级联H桥IGBT参数设计

装置的容量由基波分量决定，也就是由低频级联H桥单元的容量决定，因此根据装置的容量就可以决定低频级联H桥单元的参数。装置容量Se=100kVA，考虑120%的过载能力要求，则可以确定装置逆变侧的最大容量为Sm=120kVA，通过计算可以得到装置逆变侧的并网电流为：

Im?Sm3eab?120?1033?400?173.2A (3-10)

根据装置额定电流为173.2A，考虑2~3倍的设计裕量，最终确定取低频级联H桥模块的电流容量为450A。

低频H桥电压等级则根据前级直流母线电压的等级为250V，考虑2倍的电压裕量则可以选用500V电压等级的IGBT模块，但在实际产品中则只有电压等级为600V或者更高的模块。因此最终选用(600V，450A)的IGBT模块FF450R06ME3。

表3-2

IGBT参数 额定电压 600V 额定电流 450A 型号 FF450R06ME3 3.6 限流电抗参数设计

ELIS2Xs????IS2Xs?XxianUsUs

(a) (b)

图3-3 短路后系统图

由图3-3可知，图（a）为没有加入限流电抗时短路后的系统图，IS1为不含限流电抗短路时系统相电流稳态值，（b）为有限流电抗投入时短路后的系统图，IS2为含限流电抗短路时系统相电流稳态值，限流电感L的大小与系统短路容量，系统线路阻抗有关。忽略线路阻抗，当负荷侧发生短路故障时，装置切除。考虑发生故障时系统的暂态过程，实际的电流比上述稳态值要大。由公式（3-11）可得到限流电抗的大小，其中a为短路电流比。

a?Is1Is2?Xs?XLXs （3-11）

限流电抗的值跟短路电流比a和系统短路容量有关。当系统短路容量比较大

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时，系统短路电流也较大，因此要求的a也就比较大。此设计初步取a=5，系统等值电抗为3mH，得出限流电抗XL=10mH。

3.7 L、C低通滤波器的参数设计

级联H桥单元采用载波移相控制策略。 根据串联谐振条件：?L?由此得到电容值C=0.05?F

另结合仿真确定基波模块的滤波器参数：

Lf1?2mH，Cf1?100μF

0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 -0.050 -0.100 -0.150 -0.200 0.60 0.40 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0. .. .. ..VDVRa1?C?0来获得基波量

滤波后amplitude/KAyUHa1滤波前yt/s图3-4滤波效果图

图3-4上图为滤波后的DVR输出电压瞬时值，下图为滤波前的效果。

为了保证PWM整流器的输入电流良好的跟踪性能，则输入电感必须满足下式： 2Udc2?2500L???30mH 3?Im?3?170?314

另外为了保证电流脉动以及输入电流失真度的大小：

L?（2Udc-Em）EmTs?（2?2500?3?220）2?220?2mH2Udc?imax2?2500?190?0.2?3000

（3-12）

3.8 选取H桥的个数

按目前常用的IGBT模块电压等级为1700V进行设计，取单个H桥的直流母线电压设计在Udc=0.25kV，直流电压利用率选取为kdc=0.85，则可以得到级联H桥的个数为：

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?2Uomax???1?U?k?dc??dc? N=?

3.8.1 选取H桥的优点

?2?0.23????1?20.25?0.85?? （3-13）

H桥多电平变流器的基本结构有两种：一种为三电平H桥 (3-level Hbridge，3-H)，另一种为五电平H桥(5-level H-bridge，5-H)。其中，五电平H桥又包括二极管钳位型和电容钳位型两种。3-H桥变流器的基本单元如图 2所示，这个基本单元可产生3电平输出：同时导通错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。 或错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。，就可在两桥臂间产生极性相反的电平；当同时导通错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。或错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。时，则输出零电平。

图3-5 2-H桥基本单元

级联型多电平变流器有以下优势：开关器件和电容承受的负荷相同，器件开关频率和电平数相同时所用的器件较少；输出谐波低；各模块结构相同，可实现模块化设计和组装，无须额外的钳位二极管或平衡电容，易于多重组合、安装、调试；可利用软开关技术，减小缓冲电路的尺寸甚至无需缓冲电路。级联型变流器目前研究限于开关角控制，其缺点是：输人输出成非线性；各模块导通负荷不一致，难以引入良好的反馈控制并输出一定频带的信号；直流侧控制必须采用内、外双环控制。研究表明，相移SPWM 技术可针对性的解决上述问题中的大部分。引入SPWM 控制可使变流器输入、输出呈线性关系，由于直流侧采用独立结构，

容易引入均压反馈控制，具有优良的动态响应和较宽的传输频率。

3.9 本章总结

本章的主要任务是参数设计，分别计算了PWM整流IGBT、滤波器L、C、级联H桥IGBT及H桥的个数。

本文提出了用于三相系统电压凹陷的补偿电压检测方法。对于电压凹陷进行

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实时补偿,该方法具有算法简单,静、动态性能良好等优点。由于方法中考虑了电压零序分量,因此该方法可广泛适用于三相系统。

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4电压暂降补偿软件仿真

4.1 仿真软件的选用

PSCAD/EMTDC软件介绍：

Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件， PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。

程序EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能（Versatile Tool）工具。PSCAD（Power System Computer Aided Design）是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外EMTDC/PSCAD还可以广泛的应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件还可以作为实时数字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）的前置端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于EMTDC/PSCAD软件的测试系统，它可以结合EMTDC/PSCAD计算产生的结果（信号）来测试继电保护系统、控制系统及监控系统。

目前电力电子技术飞速向前发展，而是用计算机仿真作为其中非常重要的一环，在电力电子技术发展中扮演着不可或缺的觉得。仿真技术不仅能够为科研项目的开展提供举足重轻的前期分析和计算，而且对于项目中参数的选择、控制算法的选择比较都可以提供非常重要的前期知道作用，是电力系统、电力电子技术领域等都不可或缺的一种重要的手段。目前常用的电力电子技术开发软件有PSPICE、Saber、PSIM、PSCAD/EMTD及通用软件MATLAB。本文选用PSCAD/EMTDC作为仿真软件，对于本课题的开展进行研究。

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4.2 电压暂降电路拓扑

图4-1电压暂降检测电路拓扑

图4-2电压暂降补偿拓扑

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4.3 仿真分析

基于PSCAD/EMTDC软件平台对该新颖电压质量扰动发生器拓扑进行了仿真分析，主要参数如表1所示。

表1 关键仿真参数

系统电压uS 额定容量 三角载波频率f 滤波器参数 级联H桥单元 0.4kV 0.1MVa 6kHz

L=2mH，C=100μF

n=2

4.3.1 电压暂降时

（1）A,B,C三相同时发生90%的电压暂降

（a）电压暂降发生时波形图

Main : Graphs0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 EbEcEay-0.10 -0.20 -0.30 -0.40 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260 0.280 0.300 0.320 0.340 ... ... ... 图4-3电压暂降90%时波形图

（b）DVR补偿发出波形图

Main : Graphs0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 1.00 0.50 0.00 VDVRayUHa1y-0.50 -1.00 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 ... ... ... 图4-4 DVR补偿发出波形图

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（c）补偿后波形图

Main : GraphsEabcEcbcEbbc0.40 0.20 0.00 y-0.20 -0.40 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 ... ... ... 图4-5 DVR补偿后波形图

（2）A,B,C三相同时发生50%的电压暂降

Main : GraphsEbEcEa0.40 0.20 0.00 y-0.20 -0.40 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-6发生暂降图形

Main : Graphs0.50 EabcEcbcEbbc0.00 y-0.50 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-7补偿后图形

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Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-8 补偿前A相电压有效值

Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-9 补偿后A相电压有效值

Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-10 补偿前B相电压有效值

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Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-11 补偿后B相电压有效值

Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-12 补偿前C相电压有效值

Main : Graphs0.350 0.300 0.250 0.200 EcbcRMSEbbcRMSEabcRMSEbRMSEcRMSEaRMSy 0.150 0.100 0.050 0.000 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 0.375 ... ... ... 图4-13 补偿后C相电压有效值

系统额定电压0.4KV，额定容量100MVA。当在0.2s~0.3s, ABC相均发生50%的电压暂降，相电压瞬时值从0.33KV（

0.43?2?0.33）跌落到0.17KV

如图4-5所示，图4-6为补偿后的波形图，根据指标要求，相电压有效值为

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0.43?0.23KV，即补偿后相电压要保持在

0.21KV-0.24KV内，即满足要求。图

4-7为A相补偿前与补偿后的电压有效值(黄色为补偿前的电压有效值，红色为补偿后的电压有效值)，补偿前的电压有效值为0.11KV，补偿后的电压有效值为0.22KV，满足要求，4-9和4-10为B相补偿前与补偿后的电压有效值，补偿前的电压有效值为0.11KV,补偿后的电压有效值为0.21KV，满足要求，4-11和4-12为C相补偿前与补偿后的电压有效值，补偿前的电压有效值为0.11KV,补偿后的电压有效值为0.21KV，满足要求。 （3）A,B,C三相同时发生电压中断

（a）电压发生中断时波形图 Main : Graphs0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 EbEcEay-0.10 -0.20 -0.30 -0.40 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260 0.280 0.300 0.320 0.340 ... ... ... 图4-14电压发生中断时波形图

（b） DVR补偿发出波形图

Main : Graphs0.100 0.050 0.000 VDVRay-0.050 -0.100 1.00 0.50 0.00 UHa1y-0.50 -1.00 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0.300 ... ... ... 图4-15 DVR补偿发出波形图

（c）补偿后波形图

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Main : GraphsEabcEcbcEbbc0.40 0.20 0.00 y-0.20 -0.40 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 0.275 0.300 0.325 0.350 ... ... ... 图4-16 DVR补偿后波形图

4.3.2 发生短路时

短路电流限制仿真

Main : Graphs15.0 10.0 5.0 0.0 Iay-5.0 -10.0 -15.0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 ... ... ... 图4-17 0.4kV未含限流电抗

Main : Graphs3.0 2.0 1.0 0.0 Ib1Ic1Ia1y-1.0 -2.0 -3.0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 ... ... ... 图4-18 0.4kV含有限流电抗

Main : Graphs4.0 3.0 2.0 1.0 yIb1Ic1Ia10.0 -1.0 -2.0 -3.0 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 ... ... ... 图4-19 0.4kV峰值短路时电流图

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由图4-17可知，当0.3s时限流电抗切除，这时系统电流最大峰值为20kA，当限流电抗投入系统时，系统电流最大2.5kA，其中如图4-18所示，当短路点发生在峰值时，仍能有效限流，基本满足继保装置工作条件，所以限流电抗参数设计比较合理。

4.4 小结

本节主要是利用了PSCAD仿真软件对电压暂降波形进行了仿真研究，不好处理的是在算出LC滤波器的参数以后，再在仿真软件上在所求的范围内调试，控制部分主要是对PI控制器的参数进行一点一点的调试，因为理论值和实际有很大区别，所以要自己根据实际慢慢调节。还用在调制波生成的过程，用了锁相，就是从三相中提出一相其相位在经过乘法器，根据乘法器的参数设置不同，得到相应频率的调制波。PSCAD仿真软件中对A,B,C三相采用的是分相调节，分相调节的优点是三相之间没有影响，可以分别调节，从而工作起来更稳定。

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5.总结和展望

5.1 总结

本设计才采用了基于H桥级联电压暂降补偿装置，用最小电压法作为补偿策略，在以PSCAD为仿真平台对所搭硬件电路进行仿真分析。控制部分是利用了DSP、FPGA、CPLD等芯片的下完成的。主要仿真了，三相发生一样的电压暂降，单相发生了短路等情况。

采用了H桥级联不但降低了每个IGBT的开关频率，还提高了整个装置的容量，在较低开关频率的情况下输出质量较好的波形质量。还有虽然本装置用于三相系统，电源也取自于三相系统，但其控制却采用单相，这样做是为了简化控制策略。同时也提高了控制的稳定性。

5.2 展望

针对电压补偿问题，通常采用动态电压恢复器（DVR），但DVR 主要解决电压暂降问题，且没有实现与短路电流限制的复合控制。而传统的短路电流限制器的开关容量较大，且响应速度慢。本文针对常见的电压质量问题，提出了复合电压质量调节装置主电路拓扑，详细分析了其工作原理。通过仿真分析说明，应用该复合电压质量调节装置既可以实现暂降补偿和谐波抑制的多目标控制，又能根据具体的短路类型快速有效地限制短路电流，在半个工频周期内将短路电流限制到短路保护可靠动作的最低限值，起到短路电流限制的作用，可以大幅度改善敏感负荷的电压质量，满足自动化程度高的流水线生产企业对电能质量的高标准要求，因而具有较大的灵活性和实用性。

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致 谢

经过三个月的努力工作，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

在这三个月的时间里，我学到了很多知识，从各方面的专业知识到对学习工作的态度，我都获益匪浅。我还学习了PSCAD仿真软件的应用，还对各个文字处理软件都很熟练，这是让我感觉特别高兴和自豪的地方。

在此我要特别感谢邸亚静老师的细心和热情指导，是邸老师的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

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附录

附录1 英文

A concept of power quality

Four aspects of power quality related terms and concepts: voltage quality (Voltagequality) which uses the actual voltage and rated voltage between the deviation (deviation with voltage amplitude, waveform and phase deviation), reflecting the power supply enterprises of power supply to users eligibility; current quality (Current quality) that make the user access to current constant frequency, sinusoidal waveform requirements of current waveforms and the supply voltage and to the same phase, to ensure that the system is running a high power factor, this definition helps to grid power improve the quality and reduce network losses; power quality (qualityofsupply) include technical and non-technical meaning of the meaning of two areas: technical implications are the voltage quality and supply reliability; non-technical sense refers to the quality of service (qualityofservice) including power supply corporate responsiveness to user complaints and electricity price; power quality (qualityofconsumption) including the current quality and non-technical meaning, such as whether the user is on time, several payment of electricity bills, which reflects the interaction of and influence for power with both parties responsibilities and obligations.

In general, the definition of power quality: lead user equipment malfunction or not work the voltage, current or frequency deviation. This definition is simple and clear summary of the causes of power quality problems and consequences. With computer-based system control equipment and electronic devices widely used in electric power system load structure change, that is, frequency converter, electric arc furnace steelmaking, electric railway and other non-linear, impulse load of pollution caused by power quality and destruction, and energy as a commodity, people may put forward higher requirements for power quality, power quality has become a common concern of the whole society, the power quality has become the leading edge of electrical issues, it is necessary to the relevant indicators and improvement measures

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for the discussion and analysis. 2 Power Quality Standards

EMC integrated the newly promulgated national standards and related standards in developed countries, low-voltage power quality standards in 5 categories, 13 sub-indicators.

(1) Frequency deviation: included in the interconnected grid and isolated grid in two;

(2) voltage amplitude: Slow voltage variations (voltage bias); rapid voltage changes (voltage fluctuation and flicker); voltage sag (due to system failure or interference caused by the user voltage short (10ms ~ lmin) to drop to 90% of the rated value, and then returned to normal levels, the defect rate will increase the user or production stoppages); short-term power (also known as voltage interruption, trip due to system failure caused by the user after the complete loss of voltage (3min, voltage interrupt enable users to produce a standstill, or even confusion); long power outage; temporary power frequency overvoltage; transient over-voltage;

(3) voltage unbalance;

(4) Voltage waveform: harmonic voltage; between the harmonic voltage; (from large fluctuations or shock caused by nonlinear loads, such as delivery of a high-power AC variable frequency, the frequency of inter-harmonic frequency is not an integer multiple of But the harm is equivalent to integer harmonics).

(5) signal voltage (power transmission lines in high-frequency signals for communication and control)

China has so far issued six national standards of power quality indices, are summarized as follows:

3 Voltage Tolerance

Operation of electrical equipment rated life expectancy indicators and in terms of its rated voltage. When the terminal voltage deviation appears, its operating

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parameters and life will be affected, the impact depending on the size of the deviation, the duration and equipment conditions vary, the voltage deviation formula is as follows:

The actual voltage of a voltage deviation (%)=( rated voltage) / rated voltage X100% (1)

"Power quality supply voltage tolerance" (GBl2325-1990) provides the power system in normal operating conditions, the user terminal by the power supply voltage tolerance is:

(1) 35kY and over-voltage power supply and the quality of the special

requirements of the users rated the positive and negative bias voltage and the absolute value of not more than 10%;

(2) 10kV and below high voltage and low voltage three-phase users rated 7% -7%;

(3) 220V single-phase low voltage users rated 7% -10%.

Measuring point is the boundary between property rights for use of electricity or energy metering point.

In order to ensure the normal operation of electrical equipment in the equipment manufacturing and considering the economic rationality of power grid construction, the provisions of the various types of user equipment above the allowable deviation, the value of industrial enterprises for the distribution system design provides the basis for.

In industrial enterprises, the main measures to improve the voltage deviation of three:(1) place the reactive power compensation, to adjust compensation, reactive power load changes in the system are generated at all levels of voltage deviation, which is a voltage bias source, therefore, place the reactive power compensation, timely adjustment of compensation, from the source to solve the problem, is the most effective measures.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5bpo.html