變流負荷供電線路電壓暫降的治理研究

摘要：以變流裝置驅動的敏感負荷對供電質量要求較高，供電電壓質量中存在的電壓暫降，可造成調速電機群停事故，所帶來的經濟損失常在數以百萬元以上。結合某拉絲生產工藝線治理電壓暫降，消除生產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態電壓恢復器。研制過程中對此設備主電路構成、參數計算、控制方法等方面進行了研究和探討，通過現場運行驗證了設計的正確性。
關鍵詞：動態電壓恢復器；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。
某化工企業拉絲生產工藝線由8臺變頻調速電機驅動拉絲機工作，一年內曾因兩次電機停運造成拉絲原料報廢事故，直接經濟損失達上百萬元，造成變頻電機停轉的原因都并非由電壓中斷(Interruptions)所致。電壓質量監控儀所記錄的歷史數據表明：事故發生時供電電壓均低于0．9 p．u且持續時間近120個周波。
國際電氣與電子工程協會(IEEE)將工頻電壓有效值降至0．1～0.9 p．u，持續時間在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系，供電線路出現的缺相或電壓暫降會造成逆變電路中同一個橋臂的已關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，導通觸發脈沖是在電網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)保持嚴格的同步關系，供電線路瞬間電壓降會導致觸發脈沖丟失或導通角的改變造成逆變失敗。造成供電線路電壓暫降的原因較為復雜。除雷擊、負載線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生的諧波污染也會使正弦波形發生畸變，從而影響電網供電質量。嚴重時會使變流裝置工作紊亂，甚至燒損開關器件。其次交流調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壓電源或UPS備用電源來應付電壓暫降的措施均因切換速度慢而不適用。
為消除供電線路電壓暫降對拉絲生產線變流性負載的不利影響，避免電機群停事故的發生，設計了動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)。

1 動態電壓恢復器的工作原理
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，當供電線路出現電壓暫降時，為保證敏感負荷的電壓u1維持在正常水平，可控制u2，使之滿足關系式：
u1=uL+u2 (1)
當電壓檢測單元檢測到供電線路負荷端電壓發生暫降時，根據檢測到的供電線路實際電壓，由標準信號產生模塊產生與電網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，利用控制環節生成SPWM信號，通過驅動電路控制逆變器功率開關的通斷。逆變器輸出電壓經LC濾波器濾除高次諧波后通過串聯變壓器注入電網，產生補償電壓u2，用于抵消供電線路電壓的波動，從而確保負載側電壓的穩定性，提高整個電網的電壓質量。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獲得較好的動態響應效果，即一旦網側電壓發生變化DVR可立即啟動。