变流负荷供电线路电压暂降的治理研究

摘要：以变流装置驱动的敏感负荷对供电质量要求较高，供电电压质量中存在的电压暂降，可造成调速电机群停事故，所带来的经济损失常在数以百万元以上。结合某拉丝生产工艺线治理电压暂降，消除生产隐患的需求研制出一种采用分相补偿结构，分相控制，三组逆变单元相互独立运行的动态电压恢复器。研制过程中对此设备主电路构成、参数计算、控制方法等方面进行了研究和探讨，通过现场运行验证了设计的正确性。
关键词：动态电压恢复器；电压暂降；DVR；IGBT；逆变器

0 引言
    由于工艺或节能需要，交流电机采用变流控制已日渐普及，这种带有变流控制的电机可称为变流负荷，在工艺要求不允许停机时，此类负荷属于敏感负荷。
    某化工企业拉丝生产工艺线由8台变频调速电机驱动拉丝机工作，一年内曾因两次电机停运造成拉丝原料报废事故，直接经济损失达上百万元，造成变频电机停转的原因都并非由电压中断(Interruptions)所致。电压质量监控仪所记录的历史数据表明：事故发生时供电电压均低于0．9 p．u且持续时间近120个周波。
    国际电气与电子工程协会(IEEE)将工频电压有效值降至0．1～0.9 p．u，持续时间在0．5个周波到1 min之间的电磁扰动定义为电压暂降(Voltage dip or Sag)。敏感负荷对电压凹陷(Sags)、电压骤升(Swell)和电压的短时中断(Interruption)等电能质量扰动非常敏感。以半控型电力电子器件(晶闸管)组成的变流器与电源正弦波有密切关系，供电线路出现的缺相或电压暂降会造成逆变电路中同一个桥臂的已关断的晶闸管强迫导通，因短路而将器件损坏造成逆变失败。由IGBT及其他全控型电力电子器件组成的变流装置，导通触发脉冲是在电网正弦波和控制电压的共同作用下形成的，并需与主回路(电源)保持严格的同步关系，供电线路瞬间电压降会导致触发脉冲丢失或导通角的改变造成逆变失败。造成供电线路电压暂降的原因较为复杂。除雷击、负载线路短路或大电流设备(异步电机)的投入外，变流装置本身在换向期间所产生的谐波污染也会使正弦波形发生畸变，从而影响电网供电质量。严重时会使变流装置工作紊乱，甚至烧损开关器件。其次交流调速装置在电机速度的变化瞬间也会引起电源母线电压的波动。变流负荷供电线路采用稳压电源或UPS备用电源来应付电压暂降的措施均因切换速度慢而不适用。
    为消除供电线路电压暂降对拉丝生产线变流性负载的不利影响，避免电机群停事故的发生，设计了动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。

1 动态电压恢复器的工作原理
1．1 工作原理
    DVR以补偿短时间的电压变化为目的，一般来说补偿电压的变化时间范围大概在0．5～30个电压周期。图1为DVR的原理示意图，由储能装置、电压型三相桥变流器、滤波电路及串联变压器4部分组成。DVR为受控电压源，其输出电压为u2，当供电线路出现电压暂降时，为保证敏感负荷的电压u1维持在正常水平，可控制u2，使之满足关系式：
    u1=uL+u2 (1)
    当电压检测单元检测到供电线路负荷端电压发生暂降时，根据检测到的供电线路实际电压，由标准信号产生模块产生与电网电压同步的标准正弦信号，与实际线路电压进行比较后通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号。由此得到需要补偿的电压给定信号，利用控制环节生成SPWM信号，通过驱动电路控制逆变器功率开关的通断。逆变器输出电压经LC滤波器滤除高次谐波后通过串联变压器注入电网，产生补偿电压u2，用于抵消供电线路电压的波动，从而确保负载侧电压的稳定性，提高整个电网的电压质量。与标准正弦波信号相比较的信号之所以选择供电线路电压，是为了使DVR获得较好的动态响应效果，即一旦网侧电压发生变化DVR可立即启动。

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1．2 DVR的基本关系
    当供电线路出现电压暂降时，通过串联变压器Ts，DVR向敏感负荷提供补偿电压，其规律为：
 
    式中：u1为敏感负荷额定电压；i1为敏感负荷额定电流；u2为DVR耦合到电网的电压；uDVR为DVR输出电压；Rf，Lf为敏感负荷的等效阻抗；Ku为变压器变比；if为滤波电流；Rf，Lf为LC滤波器的阻抗；Cf为滤波电容；ui为逆变器输出电压。式(7)表明，DVR的补偿电压u2与敏感负荷的额定电压u1之间的关系。

2 三相四线制DVR主电路设计
2．1 供电线路现状
    (1)拉丝生产工艺线供电线路为三相四线制。额定电压为AC 380 V(相电压为220 V)，一旦发生非对称电压暂降，存在负序和零序电压。
    (2)敏感负荷由8台5．5 kW变频电机组成，额定功率约44 kW。
2．2 DVR主电路设计
    (1)补偿结构。采用以3个单相桥为基础的分相补偿结构，分相控制，3组逆变单元相互独立，互不影响，其中一相出现问题另外两相仍可继续运行。
    (2)变流单元。直流单元由全桥不可控整流桥和滤波器组成，得到直流电压约为335 V。逆变器选用西门子IGBT模块作为开关组件构成电压型逆变电路。考虑谐波或电流畸变，峰值电压为1 200 V。
    (3)耦合方式。DVR与供电线路的耦合方式采用串联升压变压器耦合，可将逆变器与电网相隔离，采用升压变压器的目的是降低逆变器直流侧电压等级，提高装置的可靠性。
    (4)输出侧滤波器。在DVR装置中，为消除串联变压器耦合方式可能出现的高次谐波，加装了LC滤波器。
    (5)储能单元。DVR储能单元采用接在供电线路(网侧)处的不可控整流电路。这种接法的优点是：可为DVR连续提供能量，补偿的持续时间较长，谐波电压较少(和挂在负载侧相比)，同时降低了储能单元的成本。[!--empirenews.page--]
2．3 DVR主电路结构
    DVR主电路结构如图2所示。

2．4 电路参数设定
   根据拉丝生产线敏感负荷的功率(44 kW)及电压跌落对变频换流的影响，DVR电路的主要设计参数定为：
    (1)DVR输出条件：当供电电压出现暂变(跌落或上升)至0．9 p．u时，DVR开始对供电线路进行电压补偿，即△U％=90％；
    (2)补偿负载能力：为留有余量，敏感负荷的功率取S1=1．5×44=66 kW。当供电线路电压降至0．5 p．u时，DVR的补偿电压u2可达110 V以上。
    (3)耦合变压器初级(变流器侧)与次级(电网侧)的电压比：Ku=0．5(Ku<1)；
    (4)初级电流、电压分别为iDVR和uDVR，次级电流电压为i2和u2。
    (5)DVR系统容量SDVR可按以下关系确定：
  
    逆变器的开关组件选用西门子产的IGBT模块(BSM150G120DN2)，即150 A，1 200 V。电流有效值为40～50 A，峰值在110A左右。[!--empirenews.page--]
    (6)变流器交流侧电压ui根据式(3)的估算约为200～250V；
   
    为避免磁饱和现象，设计变压器时将电压裕量留足。
    (9)滤波电路参数：滤波电路参数对变压器初、次级的等效阻抗影响较大，在保证满足滤波条件的前提下，以尽量不加大变压器次级的等效阻抗为原则。

3 DVR控制
    在DVR主电路设计中较充分地考虑了敏感负荷相对电压跌落时的电压幅值的最小允许值(本装置为额定电压的90％)、电压相位跳变能承受的最大允许值、直流储能系统的容量以及最大能输出的电压。如何快速准确地从含有扰动的电压信号中检测出电压暂降的特征量以及电压基波分量是DVR控制单元应解决的问题。
3．1 电压暂降的检测
    根据国外对DVR控制理论的研究，在常规的dq变换检测算法的基础上，针对单相电压暂变的特点，以单相瞬时电压作为静止坐标系α轴分量，构造出超前90°的β轴分量，通过dq变换检测单相电压暂降特征量。当供电线路发生单相电压暂降时，首先由发生电压暂降相的电压经求导计算构造出另外两相虚拟的电压，再进行dq检测，瞬时分离出dq坐标下的直流分量，从而缩短了控制单元的响应时间，这恰好是DVR所需要的。

3．2 最小能量补偿
    DVR输出补偿电压的最大值和储能单元的容量是决定DVR装置成本的主要指标。为减小DVR与系统的有功交换以降低成本，该设计在控制DVR输出补偿电压时采用了最小能量补偿法。
   
    式中：u2是DVR输出的补偿电压；IL是负荷电流；α是DVR补偿输出的功率因数角。为减小DVR的有功输出，在输出电压u2一定的情况下，可通过增加DVR补偿输出的功率因数角α来实现。即采用一个相位适当超前网侧电压的电压注入系统，通过增加电网无功功率，降低DVR的功率因数，减少了DVR与系统的有功交换，从而可以获得更长的补偿时间和范围，降低DVR装置的制造成本。

4 结论
    (1)变流负荷供电线路的DVR电压补偿器已在拉丝生产线安装使用。在线式电能质量测试分析仪提供的电压质量录波记录表明，在出现的两次供电线路电压跌落至额定电压80％～70％，持续时间为28～120个周波的事件中，DVR装置均在小于等于1 ms时启动，补偿延续时间达到120个周波，将线路相电压提升至(220±1)V。该结果是否说明DVR动态电压补偿结果避免了因电压暂变而造成的变流负荷工作瘫痪，还需运行时日才能证明。
    (2)DVR电压补偿器不仅能有效地补偿供电线路的电压暂降，对电压上升(Swells)也有平抑作用，与补偿电压暂降的区别仅在于输出的补偿电压相位控制不同而已。

5 结语
    本文设计的DVR电压补偿器以单相全桥式逆变器为主电路结构，各相输出相互独立，可实现补偿零序电压，控制简单。缺点是使用的功率器件较多，成本较高。基于dq变换的DVR综合求导测算法在快速检测电压暂降的起止时刻、暂降幅度和相位角跳变等方面具有一定的实用性和较高的检测精度，但由于微分处理对信号噪声非常敏感，使用中存在着如何消噪的问题。在对补偿电压的计算方法中，最小能量补偿法能有效发挥储能单元的能力，降低DVR装置的制造成本，但在电压暂降幅度较大、持续时间较长时，可能会导致负荷电压相角跳变超出其允许范围，此问题尚需进一步研究。