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臺變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動拉絲機(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。
國際電氣與電子工程協(xié)會(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之間的電磁擾動定義為電壓暫降(Voltage dip or Sag)。敏感負(fù)荷對電壓凹陷(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導(dǎo)致觸發(fā)脈沖丟失或?qū)ń堑母淖冊斐赡孀兪 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引起電源母線電壓的波動。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)了動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。
1 動態(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)電壓檢測單元檢測到供電線路負(fù)荷端電壓發(fā)生暫降時(shí)，根據(jù)檢測到的供電線路實(shí)際電壓，由標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，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。由此得到需要補(bǔ)償?shù)碾妷航o定信號，利用控制環(huán)節(jié)生成SPWM信號，通過驅(qū)動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，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(yīng)效果，即一旦網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生變化DVR可立即啟動。
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(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)生非對稱電壓暫降，存在負(fù)序和零序電壓。
(2)敏感負(fù)荷由8臺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，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)儲能單元。DVR儲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，諧波電壓較少(和掛在負(fù)載側(cè)相比)，同時(shí)降低了儲能單元的成本。
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(變流器側(cè))與次級(電網(wǎng)側(cè))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(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。
(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(shè)計(jì)中較充分地考慮了敏感負(fù)荷相對電壓跌落時(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(yīng)解決的問題。
3．1 電壓暫降的檢測
根據(jù)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(chǔ)上，針對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，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，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)測算法在快速檢測電壓暫降的起止時(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(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)間較長時(shí)，可能會導(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。