變流負荷供電線路電壓暫降的治理研究

摘要：以變流裝置驅(qū)動的敏感負荷對供電質(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)速電機群停事故，所帶來的經(jīng)濟損失常在數(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償結(jié)構(gòu)，分相控制，三組逆變單元相互獨立運行的動態(tài)電壓恢復(fù)器。研制過程中對此設(shè)備主電路構(gòu)成、參數(shù)計算、控制方法等方面進行了研究和探討，通過現(xiàn)場運行驗證了設(shè)計的正確性。
關(guān)鍵詞：動態(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(chǎn)工藝線由8臺變頻調(diào)速電機驅(qū)動拉絲機工作，一年內(nèi)曾因兩次電機停運造成拉絲原料報廢事故，直接經(jīng)濟損失達上百萬元，造成變頻電機停轉(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(xié)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(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橋臂的已關(guān)斷的晶閘管強迫導(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?。造成供?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/線路">線路電壓暫降的原因較為復(fù)雜。除雷擊、負載線路短路或大電流設(shè)備(異步電機)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。嚴重時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(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)線變流性負載的不利影響，避免電機群停事故的發(fā)生，設(shè)計了動態(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(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，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(guān)系式：
u1=uL+u2 (1)
當(dāng)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(jù)檢測到的供電線路實際電壓，由標準信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生與電網(wǎng)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(chǎn)生由補償策略確定的補償信號。由此得到需要補償?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)生補償電壓u2，用于抵消供電線路電壓的波動，從而確保負載側(cè)電壓的穩(wěn)定性，提高整個電網(wǎng)的電壓質(zhì)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(yīng)效果，即一旦網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生變化DVR可立即啟動。