變流負荷供電線(xiàn)路電壓暫降的治理研究

摘要：以變流裝置驅動(dòng)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，可造成調速電機群停事故，所帶來(lái)的經(jīng)濟損失常在數以百萬(wàn)元以上。結合某拉絲生產(chǎn)工藝線(xiàn)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構，分相控制，三組逆變單元相互獨立運行的動(dòng)態(tài)電壓恢復器。研制過(guò)程中對此設備主電路構成、參數計算、控制方法等方面進(jìn)行了研究和探討，通過(guò)現場(chǎng)運行驗證了設計的正確性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)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(chēng)為變流負荷，在工藝要求不允許停機時(shí)，此類(lèi)負荷屬于敏感負荷。
某化工企業(yè)拉絲生產(chǎn)工藝線(xiàn)由8臺變頻調速電機驅動(dòng)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(jīng)濟損失達上百萬(wàn)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(zhì)量監控儀所記錄的歷史數據表明：事故發(fā)生時(shí)供電電壓均低于0．9 p．u且持續時(shí)間近120個(gè)周波。
國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(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(xiàn)路出現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(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(xiàn)路瞬間電壓降會(huì )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(xiàn)路電壓暫降的原因較為復雜。除雷擊、負載線(xiàn)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(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。其次交流調速裝置在電機速度的變化瞬間也會(huì )引起電源母線(xiàn)電壓的波動(dòng)。變流負荷供電線(xiàn)路采用穩壓電源或UPS備用電源來(lái)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(xiàn)路電壓暫降對拉絲生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng)態(tài)電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。

1 動(dòng)態(tài)電壓恢復器的工作原理
1．1 工作原理
DVR以補償短時(shí)間的電壓變化為目的，一般來(lái)說(shuō)補償電壓的變化時(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，當供電線(xiàn)路出現電壓暫降時(shí)，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(mǎn)足關(guān)系式：
u1=uL+u2 (1)
當電壓檢測單元檢測到供電線(xiàn)路負荷端電壓發(fā)生暫降時(shí)，根據檢測到的供電線(xiàn)路實(shí)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(shí)際線(xiàn)路電壓進(jìn)行比較后通過(guò)控制電路產(chǎn)生由補償策略確定的補償信號。由此得到需要補償的電壓給定信號，利用控制環(huán)節生成SPWM信號，通過(guò)驅動(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)生補償電壓u2，用于抵消供電線(xiàn)路電壓的波動(dòng)，從而確保負載側電壓的穩定性，提高整個(gè)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(xiàn)路電壓，是為了使DVR獲得較好的動(dòng)態(tài)響應效果，即一旦網(wǎng)側電壓發(fā)生變化DVR可立即啟動(dòng)。