變流負(fù)荷供電線路電壓暫降的治理研究

摘要：以變流裝置驅(qū)動(dòng)的敏感負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量要求較高，供電電壓質(zhì)量中存在的電壓暫降，可造成調(diào)速電機(jī)群停事故，所帶來的經(jīng)濟(jì)損失常在數(shù)以百萬元以上。結(jié)合某拉絲生產(chǎn)工藝線治理電壓暫降，消除生產(chǎn)隱患的需求研制出一種采用分相補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，分相控制，三組逆變單元相互獨(dú)立運(yùn)行的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器。研制過程中對(duì)此設(shè)備主電路構(gòu)成、參數(shù)計(jì)算、控制方法等方面進(jìn)行了研究和探討，通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；電壓暫降；DVR；IGBT；逆變器

0 引言
    由于工藝或節(jié)能需要，交流電機(jī)采用變流控制已日漸普及，這種帶有變流控制的電機(jī)可稱為變流負(fù)荷，在工藝要求不允許停機(jī)時(shí)，此類負(fù)荷屬于敏感負(fù)荷。
    某化工企業(yè)拉絲生產(chǎn)工藝線由8臺(tái)變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉絲機(jī)工作，一年內(nèi)曾因兩次電機(jī)停運(yùn)造成拉絲原料報(bào)廢事故，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上百萬元，造成變頻電機(jī)停轉(zhuǎn)的原因都并非由電壓中斷(Interruptions)所致。電壓質(zhì)量監(jiān)控儀所記錄的歷史數(shù)據(jù)表明：事故發(fā)生時(shí)供電電壓均低于0．9 p．u且持續(xù)時(shí)間近120個(gè)周波。
    國(guó)際電氣與電子工程協(xié)會(huì)(IEEE)將工頻電壓有效值降至0．1～0.9 p．u，持續(xù)時(shí)間在0．5個(gè)周波到1 min之間的電磁擾動(dòng)定義為電壓暫降(Voltage dip or Sag)。敏感負(fù)荷對(duì)電壓凹陷(Sags)、電壓驟升(Swell)和電壓的短時(shí)中斷(Interruption)等電能質(zhì)量擾動(dòng)非常敏感。以半控型電力電子器件(晶閘管)組成的變流器與電源正弦波有密切關(guān)系，供電線路出現(xiàn)的缺相或電壓暫降會(huì)造成逆變電路中同一個(gè)橋臂的已關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫導(dǎo)通，因短路而將器件損壞造成逆變失敗。由IGBT及其他全控型電力電子器件組成的變流裝置，導(dǎo)通觸發(fā)脈沖是在電網(wǎng)正弦波和控制電壓的共同作用下形成的，并需與主回路(電源)保持嚴(yán)格的同步關(guān)系，供電線路瞬間電壓降會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)脈沖丟失或?qū)ń堑母淖冊(cè)斐赡孀兪　Ｔ斐晒╇娋€路電壓暫降的原因較為復(fù)雜。除雷擊、負(fù)載線路短路或大電流設(shè)備(異步電機(jī))的投入外，變流裝置本身在換向期間所產(chǎn)生的諧波污染也會(huì)使正弦波形發(fā)生畸變，從而影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使變流裝置工作紊亂，甚至燒損開關(guān)器件。其次交流調(diào)速裝置在電機(jī)速度的變化瞬間也會(huì)引起電源母線電壓的波動(dòng)。變流負(fù)荷供電線路采用穩(wěn)壓電源或UPS備用電源來應(yīng)付電壓暫降的措施均因切換速度慢而不適用。
    為消除供電線路電壓暫降對(duì)拉絲生產(chǎn)線變流性負(fù)載的不利影響，避免電機(jī)群停事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。

1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的工作原理
1．1 工作原理
    DVR以補(bǔ)償短時(shí)間的電壓變化為目的，一般來說補(bǔ)償電壓的變化時(shí)間范圍大概在0．5～30個(gè)電壓周期。圖1為DVR的原理示意圖，由儲(chǔ)能裝置、電壓型三相橋變流器、濾波電路及串聯(lián)變壓器4部分組成。DVR為受控電壓源，其輸出電壓為u2，當(dāng)供電線路出現(xiàn)電壓暫降時(shí)，為保證敏感負(fù)荷的電壓u1維持在正常水平，可控制u2，使之滿足關(guān)系式：
    u1=uL+u2 (1)
    當(dāng)電壓檢測(cè)單元檢測(cè)到供電線路負(fù)荷端電壓發(fā)生暫降時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的供電線路實(shí)際電壓，由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，與實(shí)際線路電壓進(jìn)行比較后通過控制電路產(chǎn)生由補(bǔ)償策略確定的補(bǔ)償信號(hào)。由此得到需要補(bǔ)償?shù)碾妷航o定信號(hào)，利用控制環(huán)節(jié)生成SPWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器功率開關(guān)的通斷。逆變器輸出電壓經(jīng)LC濾波器濾除高次諧波后通過串聯(lián)變壓器注入電網(wǎng)，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓u2，用于抵消供電線路電壓的波動(dòng)，從而確保負(fù)載側(cè)電壓的穩(wěn)定性，提高整個(gè)電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。與標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)相比較的信號(hào)之所以選擇供電線路電壓，是為了使DVR獲得較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，即一旦網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生變化DVR可立即啟動(dòng)。

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1．2 DVR的基本關(guān)系
    當(dāng)供電線路出現(xiàn)電壓暫降時(shí)，通過串聯(lián)變壓器Ts，DVR向敏感負(fù)荷提供補(bǔ)償電壓，其規(guī)律為：
 
    式中：u1為敏感負(fù)荷額定電壓；i1為敏感負(fù)荷額定電流；u2為DVR耦合到電網(wǎng)的電壓；uDVR為DVR輸出電壓；Rf，Lf為敏感負(fù)荷的等效阻抗；Ku為變壓器變比；if為濾波電流；Rf，Lf為L(zhǎng)C濾波器的阻抗；Cf為濾波電容；ui為逆變器輸出電壓。式(7)表明，DVR的補(bǔ)償電壓u2與敏感負(fù)荷的額定電壓u1之間的關(guān)系。

2 三相四線制DVR主電路設(shè)計(jì)
2．1 供電線路現(xiàn)狀
    (1)拉絲生產(chǎn)工藝線供電線路為三相四線制。額定電壓為AC 380 V(相電壓為220 V)，一旦發(fā)生非對(duì)稱電壓暫降，存在負(fù)序和零序電壓。
    (2)敏感負(fù)荷由8臺(tái)5．5 kW變頻電機(jī)組成，額定功率約44 kW。
2．2 DVR主電路設(shè)計(jì)
    (1)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。采用以3個(gè)單相橋?yàn)榛A(chǔ)的分相補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，分相控制，3組逆變單元相互獨(dú)立，互不影響，其中一相出現(xiàn)問題另外兩相仍可繼續(xù)運(yùn)行。
    (2)變流單元。直流單元由全橋不可控整流橋和濾波器組成，得到直流電壓約為335 V。逆變器選用西門子IGBT模塊作為開關(guān)組件構(gòu)成電壓型逆變電路?？紤]諧波或電流畸變，峰值電壓為1 200 V。
    (3)耦合方式。DVR與供電線路的耦合方式采用串聯(lián)升壓變壓器耦合，可將逆變器與電網(wǎng)相隔離，采用升壓變壓器的目的是降低逆變器直流側(cè)電壓等級(jí)，提高裝置的可靠性。
    (4)輸出側(cè)濾波器。在DVR裝置中，為消除串聯(lián)變壓器耦合方式可能出現(xiàn)的高次諧波，加裝了LC濾波器。
    (5)儲(chǔ)能單元。DVR儲(chǔ)能單元采用接在供電線路(網(wǎng)側(cè))處的不可控整流電路。這種接法的優(yōu)點(diǎn)是：可為DVR連續(xù)提供能量，補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，諧波電壓較少(和掛在負(fù)載側(cè)相比)，同時(shí)降低了儲(chǔ)能單元的成本。[!--empirenews.page--]
2．3 DVR主電路結(jié)構(gòu)
    DVR主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．4 電路參數(shù)設(shè)定
   根據(jù)拉絲生產(chǎn)線敏感負(fù)荷的功率(44 kW)及電壓跌落對(duì)變頻換流的影響，DVR電路的主要設(shè)計(jì)參數(shù)定為：
    (1)DVR輸出條件：當(dāng)供電電壓出現(xiàn)暫變(跌落或上升)至0．9 p．u時(shí)，DVR開始對(duì)供電線路進(jìn)行電壓補(bǔ)償，即△U％=90％；
    (2)補(bǔ)償負(fù)載能力：為留有余量，敏感負(fù)荷的功率取S1=1．5×44=66 kW。當(dāng)供電線路電壓降至0．5 p．u時(shí)，DVR的補(bǔ)償電壓u2可達(dá)110 V以上。
    (3)耦合變壓器初級(jí)(變流器側(cè))與次級(jí)(電網(wǎng)側(cè))的電壓比：Ku=0．5(Ku<1)；
    (4)初級(jí)電流、電壓分別為iDVR和uDVR，次級(jí)電流電壓為i2和u2。
    (5)DVR系統(tǒng)容量SDVR可按以下關(guān)系確定：
  
    逆變器的開關(guān)組件選用西門子產(chǎn)的IGBT模塊(BSM150G120DN2)，即150 A，1 200 V。電流有效值為40～50 A，峰值在110A左右。[!--empirenews.page--]
    (6)變流器交流側(cè)電壓ui根據(jù)式(3)的估算約為200～250V；
   
    為避免磁飽和現(xiàn)象，設(shè)計(jì)變壓器時(shí)將電壓裕量留足。
    (9)濾波電路參數(shù)：濾波電路參數(shù)對(duì)變壓器初、次級(jí)的等效阻抗影響較大，在保證滿足濾波條件的前提下，以盡量不加大變壓器次級(jí)的等效阻抗為原則。

3 DVR控制
    在DVR主電路設(shè)計(jì)中較充分地考慮了敏感負(fù)荷相對(duì)電壓跌落時(shí)的電壓幅值的最小允許值(本裝置為額定電壓的90％)、電壓相位跳變能承受的最大允許值、直流儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量以及最大能輸出的電壓。如何快速準(zhǔn)確地從含有擾動(dòng)的電壓信號(hào)中檢測(cè)出電壓暫降的特征量以及電壓基波分量是DVR控制單元應(yīng)解決的問題。
3．1 電壓暫降的檢測(cè)
    根據(jù)國(guó)外對(duì)DVR控制理論的研究，在常規(guī)的dq變換檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)單相電壓暫變的特點(diǎn)，以單相瞬時(shí)電壓作為靜止坐標(biāo)系α軸分量，構(gòu)造出超前90°的β軸分量，通過dq變換檢測(cè)單相電壓暫降特征量。當(dāng)供電線路發(fā)生單相電壓暫降時(shí)，首先由發(fā)生電壓暫降相的電壓經(jīng)求導(dǎo)計(jì)算構(gòu)造出另外兩相虛擬的電壓，再進(jìn)行dq檢測(cè)，瞬時(shí)分離出dq坐標(biāo)下的直流分量，從而縮短了控制單元的響應(yīng)時(shí)間，這恰好是DVR所需要的。

3．2 最小能量補(bǔ)償
    DVR輸出補(bǔ)償電壓的最大值和儲(chǔ)能單元的容量是決定DVR裝置成本的主要指標(biāo)。為減小DVR與系統(tǒng)的有功交換以降低成本，該設(shè)計(jì)在控制DVR輸出補(bǔ)償電壓時(shí)采用了最小能量補(bǔ)償法。
   
    式中：u2是DVR輸出的補(bǔ)償電壓；IL是負(fù)荷電流；α是DVR補(bǔ)償輸出的功率因數(shù)角。為減小DVR的有功輸出，在輸出電壓u2一定的情況下，可通過增加DVR補(bǔ)償輸出的功率因數(shù)角α來實(shí)現(xiàn)。即采用一個(gè)相位適當(dāng)超前網(wǎng)側(cè)電壓的電壓注入系統(tǒng)，通過增加電網(wǎng)無功功率，降低DVR的功率因數(shù)，減少了DVR與系統(tǒng)的有功交換，從而可以獲得更長(zhǎng)的補(bǔ)償時(shí)間和范圍，降低DVR裝置的制造成本。

4 結(jié)論
    (1)變流負(fù)荷供電線路的DVR電壓補(bǔ)償器已在拉絲生產(chǎn)線安裝使用。在線式電能質(zhì)量測(cè)試分析儀提供的電壓質(zhì)量錄波記錄表明，在出現(xiàn)的兩次供電線路電壓跌落至額定電壓80％～70％，持續(xù)時(shí)間為28～120個(gè)周波的事件中，DVR裝置均在小于等于1 ms時(shí)啟動(dòng)，補(bǔ)償延續(xù)時(shí)間達(dá)到120個(gè)周波，將線路相電壓提升至(220±1)V。該結(jié)果是否說明DVR動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償結(jié)果避免了因電壓暫變而造成的變流負(fù)荷工作癱瘓，還需運(yùn)行時(shí)日才能證明。
    (2)DVR電壓補(bǔ)償器不僅能有效地補(bǔ)償供電線路的電壓暫降，對(duì)電壓上升(Swells)也有平抑作用，與補(bǔ)償電壓暫降的區(qū)別僅在于輸出的補(bǔ)償電壓相位控制不同而已。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的DVR電壓補(bǔ)償器以單相全橋式逆變器為主電路結(jié)構(gòu)，各相輸出相互獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償零序電壓，控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是使用的功率器件較多，成本較高?；赿q變換的DVR綜合求導(dǎo)測(cè)算法在快速檢測(cè)電壓暫降的起止時(shí)刻、暫降幅度和相位角跳變等方面具有一定的實(shí)用性和較高的檢測(cè)精度，但由于微分處理對(duì)信號(hào)噪聲非常敏感，使用中存在著如何消噪的問題。在對(duì)補(bǔ)償電壓的計(jì)算方法中，最小能量補(bǔ)償法能有效發(fā)揮儲(chǔ)能單元的能力，降低DVR裝置的制造成本，但在電壓暫降幅度較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷電壓相角跳變超出其允許范圍，此問題尚需進(jìn)一步研究。