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(lái)的經(jīng)濟(jì)損失常在數(shù)以百萬(wàn)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(guò)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(guò)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(wàn)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╇?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/線路">線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(kāi)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(lái)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器功率開(kāi)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(guò)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)。