摘要：以變流裝置驅動的敏感負荷對供電質量要求較高，供電電壓質量中存在的電壓暫降，可造成調速電機群停事故，所帶來的經濟損失常在數以百萬元以上。結合某拉絲生產工藝線治理電壓暫降，消除生產隱患的需求研制出一種采用分相補償結構，分相控制，三組逆變單元相互獨立運行的動態(tài)電壓恢復器。研制過程中對此設備主電路構成、參數計算、控制方法等方面進行了研究和探討，通過現場運行驗證了設計的正確性。
關鍵詞：動態(tài)電壓恢復器；電壓暫降；DVR；IGBT；逆變器
0 引言
由于工藝或節(jié)能需要，交流電機采用變流控制已日漸普及，這種帶有變流控制的電機可稱為變流負荷，在工藝要求不允許停機時，此類負荷屬于敏感負荷。
某化工企業(yè)拉絲生產工藝線由8臺變頻調速電機驅動拉絲機工作，一年內曾因兩次電機停運造成拉絲原料報廢事故，直接經濟損失達上百萬元，造成變頻電機停轉的原因都并非由電壓中斷(Interruptions)所致。電壓質量監(jiān)控儀所記錄的歷史數據表明：事故發(fā)生時供電電壓均低于0．9 p．u且持續(xù)時間近120個周波。
國際電氣與電子工程協會(IEEE)將工頻電壓有效值降至0．1～0.9 p．u，持續(xù)時間在0．5個周波到1 min之間的電磁擾動定義為電壓暫降(Voltage dip or Sag)。敏感負荷對電壓凹陷(Sags)、電壓驟升(Swell)和電壓的短時中斷(Interruption)等電能質量擾動非常敏感。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系，供電線路出現的缺相或電壓暫降會造成逆變電路中同一個橋臂的已關斷的晶閘管強迫導通，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，導通觸發(fā)脈沖是在電網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)保持嚴格的同步關系，供電線路瞬間電壓降會導致觸發(fā)脈沖丟失或導通角的改變造成逆變失敗。造成供電線路電壓暫降的原因較為復雜。除雷擊、負載線路短路或大電流設備(異步電機)的投入外，變流裝置本身在換向期間所產生的諧波污染也會使正弦波形發(fā)生畸變，從而影響電網供電質量。嚴重時會使變流裝置工作紊亂，甚至燒損開關器件。其次交流調速裝置在電機速度的變化瞬間也會引起電源母線電壓的波動。變流負荷供電線路采用穩(wěn)壓電源或UPS備用電源來應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拉絲生產線變流性負載的不利影響，避免電機群停事故的發(fā)生，設計了動態(tài)電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。
1 動態(tài)電壓恢復器的工作原理
1．1 工作原理
DVR以補償短時間的電壓變化為目的，一般來說補償電壓的變化時間范圍大概在0．5～30個電壓周期。圖1為DVR的原理示意圖，由儲能裝置、電壓型三相橋變流器、濾波電路及串聯變壓器4部分組成。DVR為受控電壓源，其輸出電壓為u2，當供電線路出現電壓暫降時，為保證敏感負荷的電壓u1維持在正常水平，可控制u2，使之滿足關系式：
u1=uL+u2 (1)
當電壓檢測單元檢測到供電線路負荷端電壓發(fā)生暫降時，根據檢測到的供電線路實際電壓，由標準信號產生模塊產生與電網電壓同步的標準正弦信號，與實際線路電壓進行比較后通過控制電路產生由補償策略確定的補償信號。由此得到需要補償的電壓給定信號，利用控制環(huán)節(jié)生成SPWM信號，通過驅動電路控制逆變器功率開關的通斷。逆變器輸出電壓經LC濾波器濾除高次諧波后通過串聯變壓器注入電網，產生補償電壓u2，用于抵消供電線路電壓的波動，從而確保負載側電壓的穩(wěn)定性，提高整個電網的電壓質量。與標準正弦波信號相比較的信號之所以選擇供電線路電壓，是為了使DVR獲得較好的動態(tài)響應效果，即一旦網側電壓發(fā)生變化DVR可立即啟動。
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1．2 DVR的基本關系
當供電線路出現電壓暫降時，通過串聯變壓器Ts，DVR向敏感負荷提供補償電壓，其規(guī)律為：
式中：u1為敏感負荷額定電壓；i1為敏感負荷額定電流；u2為DVR耦合到電網的電壓；uDVR為DVR輸出電壓；Rf，Lf為敏感負荷的等效阻抗；Ku為變壓器變比；if為濾波電流；Rf，Lf為LC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的補償電壓u2與敏感負荷的額定電壓u1之間的關系。
2 三相四線制DVR主電路設計
2．1 供電線路現狀
(1)拉絲生產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)生非對稱電壓暫降，存在負序和零序電壓。
(2)敏感負荷由8臺5．5 kW變頻電機組成，額定功率約44 kW。
2．2 DVR主電路設計
(1)補償結構。采用以3個單相橋為基礎的分相補償結構，分相控制，3組逆變單元相互獨立，互不影響，其中一相出現問題另外兩相仍可繼續(xù)運行。
(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模塊作為開關組件構成電壓型逆變電路?？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升壓變壓器耦合，可將逆變器與電網相隔離，采用升壓變壓器的目的是降低逆變器直流側電壓等級，提高裝置的可靠性。
(4)輸出側濾波器。在DVR裝置中，為消除串聯變壓器耦合方式可能出現的高次諧波，加裝了LC濾波器。
(5)儲能單元。DVR儲能單元采用接在供電線路(網側)處的不可控整流電路。這種接法的優(yōu)點是：可為DVR連續(xù)提供能量，補償的持續(xù)時間較長，諧波電壓較少(和掛在負載側相比)，同時降低了儲能單元的成本。[!--empirenews.page--]
2．3 DVR主電路結構
DVR主電路結構如圖2所示。
2．4 電路參數設定
根據拉絲生產線敏感負荷的功率(44 kW)及電壓跌落對變頻換流的影響，DVR電路的主要設計參數定為：
(1)DVR輸出條件：當供電電壓出現暫變(跌落或上升)至0．9 p．u時，DVR開始對供電線路進行電壓補償，即△U％=90％；
(2)補償負載能力：為留有余量，敏感負荷的功率取S1=1．5×44=66 kW。當供電線路電壓降至0．5 p．u時，DVR的補償電壓u2可達110 V以上。
(3)耦合變壓器初級(變流器側)與次級(電網側)的電壓比：Ku=0．5(Ku<1)；
(4)初級電流、電壓分別為iDVR和uDVR，次級電流電壓為i2和u2。
(5)DVR系統容量SDVR可按以下關系確定：
逆變器的開關組件選用西門子產的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)變流器交流側電壓ui根據式(3)的估算約為200～250V；
為避免磁飽和現象，設計變壓器時將電壓裕量留足。
(9)濾波電路參數：濾波電路參數對變壓器初、次級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的等效阻抗為原則。
3 DVR控制
在DVR主電路設計中較充分地考慮了敏感負荷相對電壓跌落時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、直流儲能系統的容量以及最大能輸出的電壓。如何快速準確地從含有擾動的電壓信號中檢測出電壓暫降的特征量以及電壓基波分量是DVR控制單元應解決的問題。
3．1 電壓暫降的檢測
根據國外對DVR控制理論的研究，在常規(guī)的dq變換檢測算法的基礎上，針對單相電壓暫變的特點，以單相瞬時電壓作為靜止坐標系α軸分量，構造出超前90°的β軸分量，通過dq變換檢測單相電壓暫降特征量。當供電線路發(fā)生單相電壓暫降時，首先由發(fā)生電壓暫降相的電壓經求導計算構造出另外兩相虛擬的電壓，再進行dq檢測，瞬時分離出dq坐標下的直流分量，從而縮短了控制單元的響應時間，這恰好是DVR所需要的。
3．2 最小能量補償
DVR輸出補償電壓的最大值和儲能單元的容量是決定DVR裝置成本的主要指標。為減小DVR與系統的有功交換以降低成本，該設計在控制DVR輸出補償電壓時采用了最小能量補償法。
式中：u2是DVR輸出的補償電壓；IL是負荷電流；α是DVR補償輸出的功率因數角。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補償輸出的功率因數角α來實現。即采用一個相位適當超前網側電壓的電壓注入系統，通過增加電網無功功率，降低DVR的功率因數，減少了DVR與系統的有功交換，從而可以獲得更長的補償時間和范圍，降低DVR裝置的制造成本。
4 結論
(1)變流負荷供電線路的DVR電壓補償器已在拉絲生產線安裝使用。在線式電能質量測試分析儀提供的電壓質量錄波記錄表明，在出現的兩次供電線路電壓跌落至額定電壓80％～70％，持續(xù)時間為28～120個周波的事件中，DVR裝置均在小于等于1 ms時啟動，補償延續(xù)時間達到120個周波，將線路相電壓提升至(220±1)V。該結果是否說明DVR動態(tài)電壓補償結果避免了因電壓暫變而造成的變流負荷工作癱瘓，還需運行時日才能證明。
(2)DVR電壓補償器不僅能有效地補償供電線路的電壓暫降，對電壓上升(Swells)也有平抑作用，與補償電壓暫降的區(qū)別僅在于輸出的補償電壓相位控制不同而已。
5 結語
本文設計的DVR電壓補償器以單相全橋式逆變器為主電路結構，各相輸出相互獨立，可實現補償零序電壓，控制簡單。缺點是使用的功率器件較多，成本較高。基于dq變換的DVR綜合求導測算法在快速檢測電壓暫降的起止時刻、暫降幅度和相位角跳變等方面具有一定的實用性和較高的檢測精度，但由于微分處理對信號噪聲非常敏感，使用中存在著如何消噪的問題。在對補償電壓的計算方法中，最小能量補償法能有效發(fā)揮儲能單元的能力，降低DVR裝置的制造成本，但在電壓暫降幅度較大、持續(xù)時間較長時，可能會導致負荷電壓相角跳變超出其允許范圍，此問題尚需進一步研究。
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