一种应用于电压暂态治理的DVR实时控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电能质量治理技术领域，具体涉及一种应用于电压暂态治理的DVR实时控制系统及方法。

背景技术

随着中国科学技术快速发展，越来越多的电力设备对电能质量要求越来越高。尤其是智能制造、精密仪器、芯片半导体制造、医疗、航天工程，生产自动控制系统等设备对电网电能质量十分敏感，小于几十毫秒的电网异常就会导致设备故障或瘫痪，据统计，电压异常暂降或暂升占据电能质量问题的主要部分。

针对电网电压异常问题，目前最直接最有效的方法是在电网和敏感设备之间串联动态电压恢复器(DVR)，监测电网电压异常并对敏感设备进行快速电压补偿。

目前市面上DVR设备一般结构复杂，没有进行系统模块化处理，导致主控与其他模块分解不清，缺乏模块划分与隔离处理，拓扑复杂，缺乏通用的输入输出接口，导致移植与工程化困难；缺乏高效的上位机显示，通信模块可操作性差，参数没有差别传输，通信占用时间长；充电速度慢，故障率高；晶闸管开通电流波动大，关断时间长；控制器响应慢、实时性差、电网异常暂降检测深度、范围小，多数不支持电压异常暂升检测，检测类型单一；控制算法误差大，波形存在电压畸变、三相不平衡以及中心频率偏差，且补偿时间短；运行模式单一，没有形成完善的模式切换状态机；系统故障报警与保护处理机制缺失或不全；不同负载通用性差，不易于工程应用化。

因此，有必要提出一种新的能够控制系统模块化处理，通信监控完备高效，双路冗余充电，简单高效的晶闸管控制，快速响应的实时控制器，包括实时电网异常检测、具有运行模式切换状态机、实时控制输出高质量补偿电压，完善的故障报警与保护处理机制，电气拓扑结构简单，易工程应用化的动态电压恢复器(DVR)的实时控制系统。

发明内容

为了解决上述DVR控制系统存在的问题，本发明设计了一种应用于电压暂态治理的DVR实时控制系统及方法，以解决现有DVR控制系统拓扑结构复杂、缺乏模块化处理、充电慢、晶闸管关断时间长、采样数据偏差大、控制器运行模式低效及功能单一、电网电压检测慢且受限、实时响应慢及控制输出电压质量差、故障报警与保护处理机制缺失或不全等问题，具体技术方案如下：

一种应用于电压暂态治理的DVR实时控制系统，包括以下模块：

通信监测模块，通过PC上位机与主控模块进行总线通信，实现对DVR整个控制系统运行情况的监测和操控；其中通信数据进行区别传输，通信方式采用分时分区传输；

超容充电模块，包括充电板和支持自均压自均流的超容管理系统，通过双路冗余充电电路对超级电容进行充电，并实时反馈超级电容的状态信息，超容管理系统与主控模块进行实时通信；

晶闸管及开关组合模块，采用三相反并联可控晶闸管及多路开关组合，实现不同运行模式下，不同回路的切换，其中晶闸管控制包括：开通、关断、故障处理；

采样模块，对三相电网电压、电流，逆变器输出的三相电压、电流，超级电容的直六电压、充电模块的两路电流等信号进行实时采样，并对采样数据进行实时线性校正，然后作为主控模块实时控制器的输入端；

主控模块，为整个DVR控制系统的中央处理单元，运行实时控制器，包括：控制整个系统的正常运行流程及模式切换状态机，对采样模块采样的数据进行校正与处理，控制晶闸管及开关组合模块的开通与关断，实时判断电网电压异常暂降暂升情况，执行DVR控制算法控制逆变器输出模块输出高质量补偿电压，运行完善的故障保护处理机制；

电网输入模块，采用RST三路铜排接入三相交流电网，同时接入PT、CT传感器作为采样模块电网的输入端；其中CT位于充电模块与晶闸管与开关组合模块之间的三路输入铜排RST上，PT位于采样模块前级，其输入信号直接引自电网输入端；

逆变器输出模块，根据主控模块的控制器指令输出补偿后的三相电压，其输出端接入PT、霍尔传感器作为采样模块的补偿输入端，同时作为控制系统反馈端，自带LCL滤波处理；其中霍尔传感器位于逆变器三路输出铜排UVW上，PT位于采样模块前级，其输入信号直接引自逆变器输出端；

电源供电模块，实现多种电压转换与处理，提供整个控制系统所需的稳定可靠的电源。其中包括主控DSP、辅控FPGA、不同驱动核等电源；

进一步的，所述PC上位机采用MODBUS总线与主控模块进行实时通信，监控DVR不同运行模式下的状态、参数、报警信息、波形记录及故障发生情况，并且采用不同模式下分时分区通信方式。

进一步的，所述冗余充电电路，采用两路BUCK电路进行充电，可独立或联合充电，超容充电模块支持恒流、恒功率和涓流的充电方式。

进一步的，所述主控模块通过实时控制器控制晶闸管及开关组合模块，进行晶闸管的开通、关断以及故障检测与处理，不同模式下进行不同开关组合响应和反馈。

进一步的，所述采样模块采用电网经PT、CT传感器，逆变器的输出经PT和霍尔传感器作为AD输入，并对采样数据做线性参数校正处理，减少了温漂和零飘；同时与主控模块连接采用并口方式，数据传输快，实时性强。

进一步的，所述主控模块可根据用户操作进行不同运行模式切换，正常运行流程中控制系统从低到高级别依次进入初始化模式、待机模式、充电模式、热备用模式、切入模式、补偿模式以及退补偿模式共7种模式；故障发生时，按照故障类型退回相信模式，执行当前模式权限下的操作功能。

进一步的，所述电网输入模块使来自市政电网三相交流对负载进行供电，其间经过PT、CT传感器转换成便于采样板采样输入信号。

进一步的，当所述主控模块检测到电网电压异常时，控制系统向逆变器输出模块发出指令，经过PR控制转化成控制IGBT输出的占空比信号。

进一步的，所述电源供电模块提供主控模块芯片DSP、辅控芯片FPGA使用的3.3V电源、5V电源、采样板、驱动板15V、开关电路24V稳定可靠的电源供电。

进一步的，各模块之间采用通用接口1-9进行可跳线配置：可选配电或光纤连接，降低模块之间耦合干扰和传输干扰；

各模块内部电路器件与其他模块电路器件之间采用可靠的电连接，按照常规三相四线制进行布置，拓扑结构简单，便于工程化。

优选的，所述PC上位机与主控模块通信采用MODBUS RTU通信，所述PC上位机为主机，主控模块为从机；采用RS485底层，通过接口1的SCIA通道与主控模块实现遥信、遥测、遥控和遥调功能；所述PC上位机还可进行参数状态显示、设置，开关控制、录波显示；

所述主控模块与超容充电模块使用另一路MODBUS通信，主控模块为主机，超容充电模块为从站；同样采用RS485底层，通过接口1的SCIB通道与主控模块实现超级电容直压实时显示、单体模组电压显示、单体模组电压极值比较、上下桥臂均压显示、模组温度显示，同时还可设置模组电压阈值、温度报警功能；

所述PC上位机显示与操作支持不同模式不同时刻进行分时分区参数传递，保证了相同时间内对当前需要参数识别与传输，保证信道数据传输的快速性和区别性。

本发明还公开了一种应用于所述的DVR实时控制系统的控制方法，所述DVR实时控制系统的正常运行流程及模式切换状态机，不同模式存在高低级别，从初始化模式到退补偿模式，模式级别依次增高，正常运行流程中模式切换是从低到高，即初始化到退补偿模式转换。其间如果出现不同故障，控制系统触发故障报警与保护机制进行故障模式切换(退回到低级别)，由于不同模式级别不同，操作模块功能权限不同，因此退回低级别模式下能够及时保护整个DVR控制系统运行安全；其模式切换步骤如下：

S12-1：确认DVR控制系统电气连接和电网、负载接线正确，Q1闭合，Q2、Q3闭合，投入电网，给DVR控制系统上电，控制系统开机；

S12-2：DVR控制系统默认进入初始化模式并进行模块上电自检测；此时电网三相交流电经RST三个铜排输入，经Q1投入三相负载，其间经过PT、CT传感器将转换信号输入采样模块中的采样板；

S12-3：屏幕操作待机按键，控制系统判断当前条件是否满足进入待机条件，若满足，控制系统进入待机模式；此时旁路开关K1闭合，电网三相经K1投入负载；

S12-4：屏幕操作充电按键，控制系统判断当前条件是否满足进入充电条件：若满足，控制系统进入充电模式，此时需要闭合K5，电网三相经K5作为超容充电模块中充电板的输入，给超级电容充电，分别根据超容充电情况进行恒流、恒功率、涓流切换，直到超容电压达到预定设置阈值，充电结束；充电模式之后的任何模式下，低于控制系统设定下限电压值时，不需要手动操纵，超容充电模块自动开启充电；

S12-5：屏幕操作启动按键，控制系统判断当前条件是否满足进入热备用条件，若满足，控制系统进入热备用模式；此时控制系统控制晶闸管及开关组合模块导通三相晶闸管SCR，电网经晶闸管投入负载，并且控制系统正式开启对电网电压异常检测与响应机制，当电网电压异常时，系统自动从低级别到高级别模式转换，依次进入切入模式、补偿模式、退补偿模式，其间如果出现不同故障，控制系统触发故障报警与保护机制进行低级模式退回，及时保护整个DVR控制系统运行安全；

S12-6：由S12-5电网异常发生后，系统自动进入切入模式，此时控制系统关闭三相晶闸管，系统退出切入模式后进入补偿模式；

S12-7：由S12-6中系统自动进入补偿模式，此时控制系统实时控制器执行DVR控制算法，生成三相输出电压，经PR控制、滤波处理、SPWM控制，向逆变器输出模块输入相应占空比来驱动逆变器和IGBT输出高质量的三相电压，当电网电压恢复后，控制系统自动进入退补偿模式；

S12-8：由S12-7中系统自动进入退补偿模式，此时控制系统控制逆变器输出电压与电网电压快速同步，达到与电网在同步条件时，系统自动切回S12-5热备用模式，等待下一次补偿。

进一步的，所述采样模块以及主控模块的具体采样处理方法如下：

S13-1：接口6输入电网采样信号，AD采样数据转化成适合主控模块处理的浮点数据，其中AD数据采样频率为10K；

S13-2：对AD采样数据做0V电压校准，采用线性系数K，B校准法对16路采样通道进行校正；

S13-3：记录当前通道校正系数K，偏移系数B，实时纠正采样数据，得到系统采样瞬时值；

S13-4：根据当前时刻前一个周期的采样输入瞬时值计算有效值，并送入主控模块实时控制器进行后续控制。

进一步的，所述超容充电模块的控制方法如下，

S14-1：充电板经P+、N、P-铜排与超容模组相连，其间经过K3、K4开关，闭合K5；

S14-2：进入充电模式后，K3闭合，主控模块控制充电模块进入充电平滑阶段，充电1路、2路进入预充电状态，此时预充电防止了充电开启瞬间电流过大问题；

S14-3：预充电结束后，充电模块根据当前超容直压不同电压阈值进行不同充电状态，首先充电1路、2路进入恒流充电状态；

S14-4：充电电压达到阈值0，主控模块控制K3断开，K4闭合；

S14-5：充电电压达到阈值1，充电1路、2路进入恒功率充电状态；

S14-6：充电电压达到阈值2，充电1路、2路进入涓流充电状态；

S14-7：充电电压达到阈值3，充电1路、2路进入充电完成状态；

S14-8：主控模块实时检测充电电压，根据不同阈值，判断充电1路、2路充电状态；

S14-9：默认充电1路、2路同时投入使用加快了超容直压充电速度，除此之外一旦单路故障，另一路继续投入使用，实时控制器检测任意单路故障后，重新选择正常单路并输出合适单路的充电指令。

进一步的，所述晶闸管及开关组合模块的控制方法如下，

S15-1：进入热备用后，控制系统对晶闸管发出导通信号，导通方式采用电流过零点导通方式，其实现是根据采样电网电流值寻找过零点并提前几个采样点开通，减少了晶闸管开通瞬间电流电压纹波；

S15-2：热备用模式下，电网异常发生时，控制系统转到切入模式关闭晶闸管；关断方法是：首先对三相晶闸管控制端进行失能，然后逆变器对其输出端施加反向截止电压，反向电压大小见晶闸管关断流程图数值；

S15-3：根据实时负载电流值和电压值判断晶闸管已经关断，控制系统进入后续补偿。

进一步的，所述逆变器输出模块输出高质量补偿电压的具体流程如下，

S16-1：建立历史电压缓冲器Buffer

S16-2：对三相电网电压瞬时值进行三相锁相环SPLL锁相，计算得到参考角频率相位θ

S16-3：根据三相输出参考相位θ

S16-4：更新三个单相锁相环(SPLL)信息，分别对三个单相进行PARK变换得到DQ旋转坐标；

S16-5：利用相角计算公式

S16-6：将S16-2和S16-5计算结果进行叠加，得到当前电网三相实时相位θ

S16-7：根据幅值公式计算三相补偿电压实时幅值U

S16-8：根据电网实时幅值和相位计算历史波形起始与结束相位下标Index

S16-9：根据电历史相位起始下标，搜索对应于历史电压缓冲器的电压信息U

S16-10：将正确电压信息U

S16-11：经双环PR、PI控制、SPWM控制，计算出控制逆变器输出U

S16-12：逆变器根据占空比指令控制IGBT输出三相高质量补偿电压。

进一步的，所述电网电压异常检测的检测方法即时域与频域混合检测方法如下，

S17-1：采样板上AD模块实时采样电网电压U

S17-2：主控模块根据采样值进行标定、线性校准(y＝kx+b)，消除温漂和零漂，并根据电网瞬时值实时计算其有效值U

S17-3：主控模块实时控制器判断电网异常情况采用时域法判断，包括：

S17-3-1：进行锁相环(SPLL)，计算实时三相电网相位θ

S17-3-2：生成三相理想电压U

S17-3-3：对三相理想电压进行谐波提取得到U

S17-3-4：对理想电压与多次谐波进行叠加并与实时电网瞬时值进行比较，得到三相电压缺省值U

S17-3-5：根据幅值公式，计算出补偿电压幅值U

S17-3-6：根据S17-3-4进行动态异常阈值计数，计数超出阈值后确定异常发生时域标志Flag

S17-4：主控模块实时控制器判断电网异常情况采用频域法判断，包括：

S17-4-1：根据S17-3-1SPLL锁相环，对单相SPLL输出电压幅值进行阈值判断并计数+1；

S17-4-2：根据S17-3-1SPLL锁相环，对单相SPLL输出电压幅值进行恢复检测并计数-1；

S17-4-3：动态判断S17-4-1，S17-4-2计数值知否超限，超限后异常发生频域标志Flag

S17-5：混合检测算法需要考虑时域法与频域法结果进行综合判断，任何一种方法异常标志置位都将全局标志置位，这样保障了电压异常检测的快速性；其实现方式为异常时域标志和频域标志进行相或逻辑，然后判断电压异常全局标志Flag

S17-6：根据Flag

本发明通过将DVR控制系统进行模块化处理，每个模块具备相应功能并进行改进，以弥补目前DVR设备不足。具体而言，至少具有如下有益效果：

1、通信监控模块与主控模块采用不同模式下分时分区传输机制，对DVR参数选择性传输，提高了特定模式数据精准化，减少了非必要通信数据冗余时间。

2、超容充电模块采用双路冗余充电控制，可实现双路或任意一路单独充电，可有效规避单路故障导致无法充电情况，同时双路充电加快了充电速度。

3、晶闸管开通采用两种开通模式，热备用下采用电网电流过零点开通；关断采用断SCR导通方向和电网电压值，通过给SCR加反压减少SCR导通电流以实现对SCR的关断，施加电压具有递增性，保证关断平滑与迅速。

4、采样模块，添加了实时数据线性处理单元，实时校准16路采样数据。

5、主控模块主控制器的运行流程模式切换状态机，不同模式根据当前情况进行正常执行流程即从低到高级别切换，其当前模式具有当前模式级别权限下的功能和状态处理，保障了系统稳定、高效运行。

6、主控模块主控制器的电网电压异常检测方法，采用依托三相锁相环输出的参考电压建立三个单相锁相环校准电压并叠加的方式，形成理想电压与多次谐波输出进行缺损判断方法，能够快速、准确检测出电网电压异常。

7、主控模块主控制器的控制方法，采用双环控制，分别是电压外环的PR控制与电流内环的PI控制，实现无静差、高增益实时控制，兼顾系统品质因数与带宽，保留一定的稳定裕度。

8、故障报警与保护机制的处理包含DVR故障集合，实现了故障处理与模式切换结合，对故障进行等级分类并分别对应故障处理方式，报警与故障双行，完善的报警与处理机制，更快的发现DVR故障信息并快速处理，保证了整机的运行安全。

应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。

附图说明

图1为本发明动态电压恢复器(DVR)控制系统的整机电气结构图；

图2为本发明动态电压恢复器(DVR)控制系统的整机模块结构图；

图3为本发明的通信监测模块中分时分区通信流程图；

图4为本发明的超容充电模块中充电过程流程图；

图5为本发明的晶闸管及开关组合模块中晶闸管控制流程图；

图6为本发明的采样模块中实时采样处理流程图；

图7为本发明的主控模块控制器的运行流程与模式切换状态机示意图；

图8为本发明的主控模块控制器的暂降检测方法实施流程框图；

图9为本发明的暂降检测方法中电网电压缺损值计算框图；

图10为本发明的三相电网电压锁相SPLL控制框图；

图11为本发明的主控模块控制器的双环控制框图；

图12为本发明的故障报警与处理机制状态转移示意图1(不可恢复故障)；

图13为本发明的故障报警与处理机制状态转移示意图2(可恢复故障)。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。

本发明提出一种应用于电压暂态治理的动态电压恢复器(DVR)控制系统及方法，该控制系统能够采用系统模块化处理方式，具有高效的通信监控机制；具备冗余双路快速充电；具具备实时快速响应的控制器，包括实时电网异常检测、具有运行模式切换状态机、实时控制输出高质量补偿电压，完善的故障报警与保护处理机制，电气拓扑结构简单，易于工程化。

以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述：

如图1所示，本发明公开了一应用于电压暂态治理的动态电压恢复器(DVR)控制系统，系统模块化包括通信监测模块、超容充电模块、晶闸管及开关组合模块、采样模块、主控模块、电网输入模块、逆变器输出模块、电源供电模块。系统模块之间仅采用通用接口1-9进行可跳线连接与配置；其中接口1：SCIA接口，通信监测模块通与主控模块连接，SCIB接口，超容管理系统与主控模块连接，均采用MODBUS通信主从模式；接口2：EPWM接口，充电板与主控模块连接，控制双路冗余快速充电；接口3：DSP外设DIO接口或EPWM接口，主控模块与晶闸管连接，控制晶闸管开通与关断；接口4：FPGA外设DO接口，主控模块与开关组合连接，控制K1-K4，可扩展；接口5：FPGA外设DI接口，模拟量输入端口；接口6：采样输入端口，采用电连接或者光纤接入可选，输入三相电网电压，电流、三相逆变器输出电压、电流，两路充电电流，超容两路直压总计16路信号；接口7：采用电连接或者光纤接入可选，主控模块与采样模块连接，输入16路AD转换值；接口8：EPWM接口，采用电连接或者光纤接入或者转接板可选；接口9：带隔离电连接，为所有模块提供电源。

如图2所示，本发明电气拓扑结构简单，采用三相铜排与电缆进行稳定连接，降低模块之间耦合干扰，传输干扰等。系统模块板件器件与其相关电气器件之间采用强弱电严格隔离处理，整体接线按照常规三相四线制进行布置，拓扑结构简单，便于工程化。

具体实施中通信监测模块包括：PC上位机采用可触摸设置的工控机，通过MODBUS总线接入主控模块接口1，主控模块外部接口底层采用RS485实现，DSP外设采用SCIA接口传输；上位机与主控模块互为主从机，上位机读取DVR不同运行模式下的状态、参数、报警信息，波形记录及故障发生情况，采用特定模式下分时分区通信方式，进行屏幕监视；上位机支持屏幕设定与操作主控模块参数，按钮等，控制系统按照DVR运行流程进行模式切换。主控模块与超容充电模块使用另一路MODBUS通信，主控模块为主机，超容充电模块为从站。同样采用RS485底层，通过接口1的SCIB通道与主控模块实现超级电容直压实时显示、单模组电压显示、单体模组电压极值比较，上下桥臂均压显示、模组温度显示等，同时可以设置模组电压阈值，温度报警等功能。

如图3所示，上位机显示与操作支持不同模式进行分时分区参数传递：首先主控模块判断当前控制系统模式标号，然后获取当前模式下数据，并根据数据进行等级划分并重新标号，其中分别进行分时、分区标号原则是：数据越大，时间标号越大；数据必要性越大，分区号越小；单时单区传输结束后，进行模式数据号检查确保当前模式全部传输完成。此方法保证了不同时间内对不同需求等级参数进行区别式传输，保证信道数据传输的快速性和区别性。

具体实施中超容充电模块如图1所示，包括：三相变压器输入充电板，经BOOST与BUCK电路接入超级电容。双路冗余充电方法如图4所示，具体充电过程如下：

S1：充电板经P+、N、P-铜排与超容模组相连，其间经过K3、K4开关，闭合K5；

S2：主控模块控制充电模块实时检测充电电压，根据不同阈值，判断充电1路，2路充电状态。

S3：默认充电1路，2路同时投入使用，提高了超容充电速度；双路冗余充电可以在某条单路故障时，另一路继续投入使用，控制器检测故障后，重新选择正常单路并输出合适单路的充电指令。

S4：进入充电模式后，K3闭合，主控模块控制充电模块进入充电平滑阶段，充电1路，2路进入预充电状态，解决了充电起始过流问题；

S5：预充电结束后，充电1路，2路进入恒流充电状态，达到电压可进行恒功率切换；

S6：充电电压达到阈值0，主控模块控制K3断开，K4闭合，进行功率电阻切换；

S7：充电电压达到阈值1，充电1路，2路进入恒功率充电状态，降低电压可进行恒流切换，升高电压可以进行涓流切换；

S8：充电电压达到阈值2，充电1路，2路进入涓流充电状态，降低电压可进行恒功率切换，升高电压可以进行充电完成切换；

S9：充电电压达到阈值3，充电1路，2路进入充电完成状态，电压降低到相应阈值，控制系统自动开启相应充电状态。

具体实施中晶闸管控制流程如图5所示，其控制类型包括：晶闸管开通控制、晶闸管关断、晶闸管故障处理；主控模块判断晶闸管控制类型进行相应处理，当前实施案例中采用以下控制过程：

S1：进入热备用后，控制系统对晶闸管发出导通信号，导通方式采用电流过零点导通方式，根据电流锁相相位进行实时判断电网电流过零点，并设置标志位，触发晶闸管开通；

S2：热备用模式下，电网异常发生时，控制系统转到切入模式关闭晶闸管；关断方法是：首先对三相晶闸管控制端进行失能，然后逆变器对其输出端施加反向截至电压；控制器分别对三路反并联晶闸管的电压和电流进行判断，如图5关断处理流程，x为三路标号，判断方法一致；施加反压根据电流大小进行不同大小提升，确保晶闸管能够快速关断，此方法只对电压电流瞬时值进行判断，实施简单；

S3：根据实时负载电流值和电压值判断晶闸管已经关断，设置关断标志，控制系统根据关断标志进入后续补偿模式。

具体实施中采样处理方法流程如图6所示：

S1：采样模块的接口6输入16路采样信号，两片AD片选同时选中进行AD数据转换，然后主控模块启动一次0V电压校准；

S2：主控将AD数据转化成适合主控模块处理的浮点数据，保留数据符号位；

S3：主控对AD转换数据做标幺化处理；

S4：采用线性系数K，B校准法对16路通道进行校正，记录当前通道校正系数K，偏移系数B；

S5:判断单路数据是否校正完成，得到实时纠正采样数据，即控制系统采样瞬时值；

S6：根据当前时刻采样输入瞬时值计算有效值，并送入主控模块实时控制器进行后续控制。

具体实施中整个控制系统正常运行流程及模式切换状态机如图7所示，具有稳定高效的顺序执行流程，满足条件的模式切换同时做出不同的模式处理；模式切换分为正常运行流程模式切换和故障状态模式切换(退回)两种形式的转换，其基本原则：不同模式存在高低级别，从初始化模式到退补偿模式，模式级别依次增高，正常运行流程中模式切换是从低到高，即初始化到退补偿模式转换。其间如果出现不同故障，控制系统触发故障报警与保护机制进行故障模式切换(退回到低级别)，由于不同模式级别不同，操作模块功能权限不同，因此退回低级别模式下能够及时保护整个DVR控制系统运行安全；为了便于DSP程序执行，其7种模式从初始化模式到退补偿模式的级别相应地赋予级别数字号-1到5，判断当前模式时，级别越高具有功能权限越大，故障时模式通常按照故障判断条件进行退回需要的模式，从而阻止高级别模式功能权限下操作的执行，其主要实施步骤如下：

S1：确认DVR控制系统电气连接和电网、负载接线正确，Q1闭合，Q2、Q3闭合，投入电网，给DVR控制系统上电，系统开机；

S2：DVR控制系统默认进入初始化模式并进行上电模块自检测，此时电网三相交流电经RST三个铜排输入，经Q1投入三相负载，其间经过PT、CT传感器将转换信号输入采样板；

S3：屏幕操作待机按键，控制系统判断当前条件是否满足进入待机条件，若满足，控制系统进入待机模式；此时旁路开关K1闭合，电网三相经K1投入负载；

S4：屏幕操作充电按键，控制系统判断当前条件是否满足进入充电条件，若满足，控制系统进入充电模式；此时需要闭合K5，电网三相经K5作为充电板的输入，给超级电容充电，分别根据超容充电情况进行恒流、恒功率、涓流切换，直到超容电压达到预定设置阈值，充电结束；充电模式之后的任何模式下，低于控制系统设定下限电压值时，不需要手动操纵，超容自动开启充电；

S5：屏幕操作启动按键，控制系统判断当前条件是否满足进入热备用条件，若满足，控制系统进入热备用模式；此时控制系统导通三相晶闸管SCR，电网经晶闸管投入负载，并且控制系统正式开启对电网电压异常检测与响应机制，当电网电压异常时，控制系统按级别从低到高自动进入切入模式、补偿模式、退补偿模式，其间如果出现不同故障，控制系统触发保护机制进行不同模式切换，及时保护整个DVR运行安全；

S6：由S5电网异常发生后，控制系统自动进入切入模式，此时控制系统关闭三相晶闸管，并进入补偿模式；

S7：由S6中控制系统自动进入补偿模式，此时控制系统的控制器执行DVR控制算法，生成三相输出电压，经PR控制、滤波处理，SPWM控制，向逆变器输入相应占空比来驱动逆变器和IGBT输出高质量的三相电压，当电网电压恢复后，控制系统自动进入退补偿模式；

S8：由S7中控制系统自动进入退补偿模式，此时控制系统控制逆变器输出电压与电网电压快速同步，达到与电网在同步条件时，控制系统自动切回S5热备用模式，等待下一次补偿。

具体实施中电网异常暂升暂降检测方法流程如图8所示，为了保证电网电压异常时能快速检测出，本案例采用时域法与频域法结合方式，即能保证检测的快速性，又能保证检测的准确性。具体实现步骤如下：

S1：采样板上AD模块实时采样电网电压U

S2：主控模块根据采样值进行标定、线性校准(y＝kx+b)，消除温漂和零漂，并根据电网瞬时值实时计算其有效值U

S3：主控模块同时进行电网电压异常检测时域法和频域法判断如图9所示，其中时域法判断，包括：

S3-1：进行锁相环(SPLL)，计算实时三相电网相位θ

S3-2：设置三相理想电压幅值U

S3-3：根据理想幅值U

S3-4：采用DFT方式对三相理想电压U

S3-5：对理想电压与多次谐波进行叠加并与实时电网瞬时值进行比较，得到三相电压缺省值U

S3-6：根据S3-4进行动态异常阈值计数，计数超出阈值后确定异常发生时域标志Flag

S4：主控模块控制器采用频域法判断电网异常情况，包括：

S4-1：根据S3-1SPLL锁相环，对单相SPLL输出电压幅值进行阈值判断并计数+1；

S4-2：根据S3-1SPLL锁相环，对单相SPLL输出电压幅值进行恢复检测并计数-1；

S4-3：动态判断异常发生频域标志Flag

S5：混合检测算法需要考虑时域法与频域法结果进行综合判断，任何一种方法异常标志置位都将全局标志置位，这样保障了电压异常检测的快速性；其实现方式为根据以下公式：Flag

S6：根据Flag

具体实施中DVR控制算法如图11所示，通过双环PR、PI控制、SPWM控制逆变器输出高质量补偿电压，本实施例实现方式如下：

S1：DSP程序内存一段分配用于建立历史电压缓冲器Buffer

S2：对三相电网电压瞬时值进行三相锁相环SPLL，如图10所示，计算得到参考角频率相位θ

S2-1：对三相电网电压进行Clark变换，将三相电网电压abc坐标转化成两相静止αβ坐标，得到v

S2-2：分别对v

S2-3：根据公式：

S2-4：将v

S2-5：对交轴电压v

S2-6：根据S2-5的输出ω

S2-7：对ω

S2-8：根据公式：

S3：根据三相输出θ

S4：基于三相SPLL输出对单个A相电压进行SOGI计算，得到正交变量v

S5-1：根据T

S5-2：对A相直轴交轴变量v

S6：根据公式：实时相位＝参考相位+偏差相位(θ

S7：根据幅值公式计算三相补偿电压实时幅值U

S8：根据电网实时幅值和相位计算历史波形起始与结束相位下标Index

S9：根据电历史相位起始下标，搜索对应于历史电压缓冲器的电压信息U

S10：将正确电压信息U

S11-1：下桥臂电压经均压处理，作为电压外环前馈输入，然后与参考电压叠加，经电压外环PR控制，得到I

S11-2：经电流内环PI控制得到作为SPWM调制的输入，其PI传递函数为：

s11-3：经SPWM调制K

S11-4：经主控DSP的EPWM模块，输出三路上下桥臂互补的脉冲波形；

S12：逆变器根据占空比指令控制IGBT，经RC滤波输出三相高质量补偿电压U

具体实施中故障报警与保护机制状态如图12、图13所示，对DVR故障类型进行标号1-18，不同故障下，又将不同模式条件下的故障分为可恢复与不可恢复两种故障状态；包括：

S1：DVR进入不同模式自动开启属于此模式下的保护机制，从整机角度出发，故障报警与保护处理主要解决以下问题：1：电网电压过压报警与保护、2：电网掉电报警与保护、3：电网电压长时欠压报警与保护、4：逆变器模块输出电压过压报警与保护、5：逆变器模块输出电压欠压报警与保护、6：直流电压轻过压报警与保护、7：直流电压重过压报警与保护、8：直流电压不均压报警与保护、9：直流电压欠压报警与保护、10：电网电流过流报警与保护、11：逆变器模块输出电流过流报警与保护、12：充电模块过流报警与保护、13：充电模块过温报警与保护、14：IGBT故障报警与保护、15：超容故障报警与保护、16：风扇故障报警与保护、17：逆相序报警与保护、18：各模块采样断线报警与保护。

S2：不同故障执行不同处理流程并进行不同模式切换(退回)、对故障类型进行划分：可恢复与不可恢复。分别处理两种类型故障，进一步划分为报警、保护、即报警又保护三类。保护处理进一步分为需要手动处理、自动处理两大类。具体实现中，关于故障类型划分：本例中根据不同模式下都对标号为1-18故障进行两类故障划分，参照可恢复故障与不可恢复故障状态转移图(图12、13)中箭头标号的划分，可恢复故障表明故障计数器的数值恢复到故障阈值范围内，不可恢复故障需要进行模式转换，退回到停机即初始化模式状态；关于故障处理类型：报警方式包括上位机故障记录显示以及报警指示灯显示；保护方式为通过退回低级别模式，系统会降低权限(比如在高级别补偿模式下发生不可恢复故障退回初始化模式，此模式下只进行DVR参数初始化，以及简单功能自检测等，这样低级别不具备高级别补偿模式发送控制脉冲功能权限，这样系统相当于自动封锁脉冲进行保护处理)；即报警又保护方式以上两种方式结合，处理包括报警与保护的全部处理内容。关于保护处理中的自动处理是主控模块控制器根据当前模式判断条件为某个故障设定超限阈值，然后判断故障情况，所有过程按照判断条件是否满足进行，此过程中能够用程序自我完成复位的这部分处理称为自动处理；另外部分即不可恢复的故障必须进行手动处理，即通过上位机手动复位。

S3：报警和故障通过门柜上的运行和故障显示灯进行显示，同时PC上位机故障历史支持故障信息记录与恢复显示。正常运行时即无故障时，绿色运行指示灯点亮；故障报警时，红色故障指示灯点亮；对于急需快速停止DVR时，门柜配备急停按钮，PC上位机复位按键可以复位可以手动处理的故障并使控制系统进入初始化模式，重新开启DVR。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。