李晨懿,汪坤,盧文清,徐永海,龍?jiān)撇?/p>
(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)
變頻器(variable-frequency drive, VFD)是一類廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時(shí),接入電網(wǎng)的變頻器直流電壓下降,觸發(fā)低電壓保護(hù)而跳閘,導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)過(guò)程的中斷,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身危險(xiǎn)[1]。特別是發(fā)電廠的一類輔機(jī)變頻器一旦出現(xiàn)故障跳閘,可能造成機(jī)組MFT(主燃料跳閘)[2],對(duì)電網(wǎng)造成進(jìn)一步?jīng)_擊,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)中多數(shù)電壓暫降是由短路故障引起的,而各種類型的短路故障引起的暫降經(jīng)變壓器和線路傳播后主要分三相暫降、兩相暫降和單相暫降三類[3]。變頻器在不同類型暫降下的耐受能力有較大的不同[4],其對(duì)三相暫降最敏感,對(duì)兩相暫降和單相暫降的敏感程度次之,某些變頻器甚至對(duì)兩相暫降和單相暫降免疫。研究變頻器在不同暫降類型下的耐受特性是進(jìn)行變頻器的電壓暫降耐受能力分析與暫降抑制的基礎(chǔ)。
一般敏感設(shè)備的暫降耐受特性可由電壓耐受曲線(voltage tolerance curves, VTC)[5]描述,耐受曲線下方暫降會(huì)使設(shè)備故障,而其上方的暫降則反之。因此制定能夠代表變頻器暫降耐受特性的通用耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)可為制造廠家改進(jìn)變頻器的性能、治理廠家防治電壓暫降以及用戶了解變頻器的特性提供重要參考?,F(xiàn)有耐受曲線的標(biāo)準(zhǔn)中,常用的有適用于信息技術(shù)工業(yè)的ITIC曲線、適用于半導(dǎo)體行業(yè)的SEMI F47曲線[6];CIGRE/CIRED/UIE聯(lián)合工作組C4.110關(guān)于設(shè)備電壓暫降免疫能力的工作報(bào)告中給出了5種免疫等級(jí)的耐受曲線[3],可用其中一種曲線來(lái)描述一般設(shè)備的耐受能力,但是其是否符合變頻器的耐受特性還有待考察;針對(duì)變頻器的耐受曲線標(biāo)準(zhǔn),只有早期的IEEE std 1346-1998[7]中給出了變頻器耐受曲線上下限和平均值;我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1648-2016[8]對(duì)新建發(fā)電廠和變電站的輔機(jī)變頻器的低電壓穿越能力做出了技術(shù)規(guī)范。以上耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)中,只有C4.110針對(duì)三相暫降、兩相/單相暫降分別給出了耐受曲線,其余標(biāo)準(zhǔn)均未指明暫降類型。此外,所有耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有給出設(shè)備的工作運(yùn)行狀態(tài)(負(fù)荷水平,滿載或半載等)、設(shè)備容量大小、額定電壓等級(jí)、三相或單相供電等條件,是否能廣泛適用于實(shí)際應(yīng)用情況還值得考察。
國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大多數(shù)針對(duì)火電廠輔機(jī)變頻器,并以提高其低電壓穿越能力的措施[9-11]為主,對(duì)于變頻器受電壓暫降影響的試驗(yàn)研究很少。文獻(xiàn)[9]通過(guò)試驗(yàn)與仿真,研究了負(fù)載大小和故障類型對(duì)變頻器暫降敏感特性的影響,但文中沒(méi)有給出不對(duì)稱暫降對(duì)變頻器影響的試驗(yàn)結(jié)果,并且研究的變頻器品牌單一。文獻(xiàn)[10-11]針對(duì)火電廠輔機(jī)低電壓標(biāo)準(zhǔn)的要求提出了改進(jìn)的方案開(kāi),但其并沒(méi)有給出變頻器在不同暫降類型下的通用暫降耐受特性。國(guó)外相關(guān)研究中,文獻(xiàn)[12]詳細(xì)闡述了變頻器受電壓暫降和短時(shí)中斷影響的機(jī)理,并給出了試驗(yàn)結(jié)果,但該文獻(xiàn)所分析的變頻器年代較為久遠(yuǎn),目前市場(chǎng)應(yīng)用的變頻器經(jīng)更新?lián)Q代后,其暫降耐受能力也有相應(yīng)地提高。文獻(xiàn)[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了多種因素對(duì)變頻器電壓暫降耐受能力的影響,但也是針對(duì)國(guó)外品牌的變頻器,并且發(fā)表時(shí)間較早。文獻(xiàn)[14]給出了包含接觸器和變頻器的簡(jiǎn)單的工業(yè)過(guò)程電壓暫降耐受特性的試驗(yàn)研究,但是沒(méi)有考慮不同類型的暫降對(duì)變頻器的影響。
綜上,針對(duì)我國(guó)市場(chǎng)主流品牌的變頻器,在不同類型的暫降下對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析、仿真和試驗(yàn)研究,給出針對(duì)三相暫降、兩相暫降和單相暫降分別給出較為通用的變頻器耐受曲線,對(duì)變頻器耐受曲線統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定具有重要參考意義。本文分析了變頻器受不同類型暫降的影響機(jī)理,并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證;選取了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)具有代表性的7種品牌、2種功率的8臺(tái)變頻器進(jìn)行測(cè)試,與理論分析和仿真研究進(jìn)行相互驗(yàn)證;通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析及處理,得到了變頻器在額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)不同暫降類型下的通用耐受曲線包絡(luò)線,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,可為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要參考。
常見(jiàn)電壓暫降類型分為單相暫降、兩相暫降和三相暫降。IEEE P1668標(biāo)準(zhǔn)《低于1000V終端用戶電氣設(shè)備對(duì)電壓暫降與短時(shí)中斷穿越能力測(cè)試推薦規(guī)程》[15]中推薦測(cè)試的電壓暫降類型主要分為單相暫降(Type I)、兩相暫降(Type II)和三相暫降(Type III)三大類,而兩相暫降又分為三小類,如圖1所示。根據(jù)CIGRE C4.110的調(diào)查報(bào)告,兩相暫降中,如圖1(b)所示的類型在高壓和中壓電網(wǎng)中占所有兩相暫降的82%~91%,因此為推薦測(cè)試暫降類型。
圖1 IEEE P1668提出的測(cè)試暫降類型
根據(jù)國(guó)內(nèi)4個(gè)省市、2009.7~2015.1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[16]所捕獲的378組實(shí)測(cè)電壓暫降事件,統(tǒng)計(jì)不同暫降類型發(fā)生的頻率,其結(jié)果為:?jiǎn)蜗鄷航蛋l(fā)生的概率最大(69.0%),兩相暫降次之(23.0%),三相暫降發(fā)生的概率最小(9.5%)。因此研究變頻器在單相暫降和兩相暫降時(shí)的耐受特性尤為重要。
變頻器主要由整流電路、直流穩(wěn)壓電容、逆變電路和控制回路組成[2],其中整流部分一般為三相不可控橋式整流,如圖2所示。
圖2 常用變頻器拓?fù)?/p>
為了避免變頻器不正常工作或過(guò)載,通常變頻器會(huì)裝設(shè)直流母線低電壓保護(hù)電路。電網(wǎng)電壓跌落時(shí),輸入端的交流電壓突然降低,直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓瞬時(shí)值,整流二極管截止,負(fù)載消耗的能量由直流電容儲(chǔ)能和電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能提供,因此直流電壓下降,電機(jī)轉(zhuǎn)速降低;當(dāng)直流電壓低于保護(hù)閾值時(shí),保護(hù)電路動(dòng)作,變頻器跳閘。由于變頻器的低電壓保護(hù)是引起變頻器跳閘的決定性因素,因此分析暫降期間直流側(cè)電壓的大小就可分析變頻器的耐受能力。
不同類型的電壓暫降下,變頻器的耐受特性會(huì)有較大的差異。從能量的角度上看,單相暫降時(shí)有兩相電壓始終較大,可為變頻器提供能量支撐;兩相暫降時(shí)有一相電壓較大,可為變頻器提供能量支撐;而三相暫降時(shí),三相電壓都處于較低的水平,只能通過(guò)直流電容放電以平衡負(fù)荷功率,因此直流電壓下降程度最大。根據(jù)變頻器的整流拓?fù)?,供電電壓正常時(shí),三個(gè)線電壓瞬時(shí)值(uAB、uBC、uCA)中最大的一個(gè)通過(guò)二極管對(duì)電容器充電,直流電壓平均值在線電壓上包絡(luò)線的平均值與線電壓峰值之間波動(dòng)(空載時(shí)為線電壓峰值,整流電流i連續(xù)時(shí)為線電壓上包絡(luò)線的平均值)[17],維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平;電壓暫降時(shí),直流側(cè)電壓高于交流側(cè)線電壓峰值,直流電壓下降,當(dāng)其小于交流側(cè)線電壓峰值時(shí),交流線電壓又開(kāi)始對(duì)電容器充電,重新達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài),此時(shí)直流電壓平均值取決于暫降期間交流側(cè)線電壓的大小。根據(jù)文獻(xiàn)[15]給出的Type I、Type II和Type III的相電壓公式,可得出線電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式,空載時(shí),直流電壓在相電壓峰值之間取值,i連續(xù)時(shí),直流電壓為線電壓上包絡(luò)線的平均值,可推導(dǎo)出Type I、Type II和Type III時(shí)變頻器直流電壓Ud1、Ud2、Ud3的表達(dá)式(i連續(xù)時(shí))分別如式(1)~式(3)所示(限于篇幅,省略詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程)。其中,E為額定電壓幅值,X為單相暫降時(shí)暫降相電壓幅值且X (1) (2) (3) 為比較不同暫降類型下直流電壓的大小,令Type I、Type II和Type III中暫降相的幅值為0.5E,可得出空載時(shí)Ud1∈(1.87E, 2.45E),Ud2∈(0, 2.12E),Ud3=1.22E,i連續(xù)時(shí)Ud1=1.70E,Ud2=1.35E,Ud3=1.17E。對(duì)于Type II,易知空載時(shí)的直流電壓必然大于帶載時(shí)的直流電壓,而負(fù)載從小變大的過(guò)程中,i從斷續(xù)到連續(xù),因此空載時(shí)的直流電壓則必定大于i連續(xù)時(shí)的直流電壓,即Ud2∈(1.35E, 2.12E)??梢?jiàn)在暫降相電壓幅值相等的情況下,無(wú)論空載或是帶載,單相暫降、兩相暫降和三相暫降下變頻器的直流電壓大小依次減小,越容易觸發(fā)低電壓保護(hù),因此變頻器對(duì)單相暫降、兩相暫降和三相暫降的耐受能力也依次減弱。 在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型,主要由電壓暫降發(fā)生源和變頻調(diào)速系統(tǒng)組成,其原理圖如圖3所示。電壓暫降發(fā)生源部分中,通過(guò)暫降使能信號(hào)I控制變頻器的供電電源的切換,I為脈沖信號(hào),當(dāng)I>0時(shí)電源信號(hào)從正常電壓信號(hào)切換到電壓跌落信號(hào),因此I的高電平時(shí)間為暫降的持續(xù)時(shí)間,電壓跌落信號(hào)的幅值為暫降幅值;變頻調(diào)速系統(tǒng)中,整流模塊和逆變模塊使用Simulink自帶模塊,通過(guò)SVPWM模塊實(shí)現(xiàn)變頻器的空間矢量控制,使變頻器拖動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)恒定負(fù)載T。 仿真的電壓暫降類型根據(jù)IEEE P1668標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。由于篇幅限制,僅給出持續(xù)時(shí)間為0.5 s、暫降幅值為50%額定電壓時(shí)不同暫降類型下的仿真結(jié)果,如圖4~圖6所示。 圖3 仿真原理圖 圖4 Type III時(shí)的仿真波形 三相暫降時(shí),由于直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓,直流電容向負(fù)載電路放電,電壓下降;當(dāng)直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓持平時(shí),又達(dá)到新的平衡狀態(tài)。通常情況下,變頻器直流側(cè)低電壓保護(hù)設(shè)置在70%額定值左右,因而在實(shí)際情況下會(huì)觸發(fā)低電壓保護(hù)使變頻器跳閘。由圖4(b)、圖5(b)和圖6(b)可知,三相暫降、兩相暫降和單相暫降時(shí)直流側(cè)電壓下降深度依次減小,尤其是單相暫降時(shí),由于有兩相電壓不斷給直流電容充電,使直流側(cè)電壓維持不變,因此兩相暫降和單相暫降對(duì)變頻器的影響較小,與機(jī)理分析一致。 此外,三相暫降過(guò)程中負(fù)載消耗的能量部分能量來(lái)自于轉(zhuǎn)子動(dòng)能,使得電機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降,暫降結(jié)束時(shí)的沖擊電流使得轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生沖擊,因而在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合中將會(huì)產(chǎn)生較大危害;而兩相暫降和單相暫降時(shí),負(fù)載消耗的能量完全由直流側(cè)和交流側(cè)提供,電機(jī)轉(zhuǎn)速基本無(wú)變化。綜上,三相暫降、兩相暫降和單相暫降下,變頻器的耐受能力依次增強(qiáng),受到的危害依次減弱。 圖5 Type II時(shí)的仿真波形 圖6 Type I時(shí)的仿真波形 試驗(yàn)研究以獲取不同類型的電壓暫降下變頻器的電壓耐受曲線為主要目的,測(cè)試的電壓暫降類型根據(jù)IEEE P1668標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。 以電機(jī)對(duì)拖形式搭建試驗(yàn)平臺(tái),即待測(cè)變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī),再通過(guò)回饋?zhàn)冾l器將能量反饋回電網(wǎng)。試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備主要包括:暫降發(fā)生源、控制計(jì)算機(jī)、待測(cè)變頻器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、回饋?zhàn)冾l器、扭矩傳感器以及錄波儀等。試驗(yàn)平臺(tái)的接線圖如圖7所示。 圖7 試驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)接線圖 我國(guó)低壓變頻器市場(chǎng)中,以具有代表性的國(guó)外幾家品牌與國(guó)內(nèi)幾家品牌為主,此外,變頻器市場(chǎng)中常以額定功率小于等于7.5 kW為小功率,大于等于11 kW為中大功率。本試驗(yàn)選取了國(guó)內(nèi)外7種品牌(其中國(guó)內(nèi)品牌有2種),2種額定功率(18.5 kW和7.5 kW),共8個(gè)變頻器進(jìn)行測(cè)試,對(duì)于我國(guó)市場(chǎng)中的低壓中小功率變頻器具有一定代表性。待測(cè)變頻器的參數(shù)如表1所示。 本試驗(yàn)在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上制定了耐受曲線的測(cè)試步驟。其基本方法是利用計(jì)算機(jī)控制電壓擾動(dòng)源輸出短時(shí)中斷和電壓暫降事件,記錄設(shè)備是否能耐受該擾動(dòng)事件,逼近法找到被測(cè)設(shè)備臨界耐受的暫降幅值和持續(xù)時(shí)間,作為耐受曲線的依據(jù)。 試驗(yàn)得到了變頻器在不同類型暫降下的直流電壓波形和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,繪制了大量的耐受曲線。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變頻器在三相暫降時(shí)直流側(cè)電壓下降得嚴(yán)重,轉(zhuǎn)速降低的程度最大,兩相暫降和單相暫降時(shí)直流電壓和轉(zhuǎn)速下降的情況依次減小,與理論分析和仿真研究一致。由于篇幅限制,本文僅給出變頻器在不同暫降類型下的耐受曲線,足以代表變頻器的耐受特性。 表1 待測(cè)變頻器參數(shù) 3.2.1 不同暫降類型下的耐受曲線及分析 試驗(yàn)得到不同變頻器在三種暫降類型下的耐受曲線,以VFD2、VFD3和VFD5為例,如圖8所示??梢?jiàn),變頻器的耐受曲線總體呈矩形,由豎直邊沿(持續(xù)時(shí)間臨界值)、水平邊沿(電壓臨界值)和過(guò)渡部分組成;變頻器(VFD3、VFD5)對(duì)三相暫降、兩相暫降和單相暫降的耐受能力依次增強(qiáng),與理論分析和仿真研究一致。但對(duì)于VFD2,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)Type II免疫而對(duì)Type I敏感,即其對(duì)Type II的耐受能力反而強(qiáng)于對(duì)Type I的耐受能力。8臺(tái)變頻器對(duì)Type II和Type I的免疫情況如表2所示。 表2 不同變頻器對(duì)Type I、Type II的免疫情況 注:“√”代表“是”,“×”代表“否”。 VFD2在Type I時(shí)跳閘是因?yàn)槿毕啾Wo(hù)作用,而最嚴(yán)重的Type II下,暫降相幅值設(shè)置為額定值的50%,不足以觸發(fā)缺相保護(hù);并且Type I和Type II并沒(méi)有觸發(fā)低電壓保護(hù)或過(guò)電流保護(hù)。從能量支撐的角度上看,Type I時(shí)有兩相電壓可以給直流側(cè)充電提供能量支撐,而Type II時(shí)只有一相電壓提供能量支撐,因而變頻器對(duì)Type I的耐受能力強(qiáng)于對(duì)Type II的耐受能力,若無(wú)缺相保護(hù),VFD2將會(huì)對(duì)Type I和Type II免疫。而實(shí)際結(jié)果是VFD2對(duì)Type I的敏感度反而大于Type II,與只考慮低壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)的變頻器暫降耐受能力的研究結(jié)果不同。因此,變頻器對(duì)單相暫降的耐受能力不一定比兩相暫降強(qiáng)。從另一角度上看,對(duì)于VFD1和VFD7,當(dāng)Type I最嚴(yán)重時(shí)(Va=0),此時(shí)已是缺相,1 min的缺相卻沒(méi)有觸發(fā)缺相保護(hù),其保護(hù)動(dòng)作滯后時(shí)間是否設(shè)計(jì)得過(guò)長(zhǎng),值得考慮。 圖8 暫降類型影響下的耐受曲線 3.3.2 通用耐受曲線包絡(luò)線 通過(guò)對(duì)7種國(guó)內(nèi)外品牌、2種功率(18.5 kW和7.5 kW)的8臺(tái)變頻器進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn),提取了大量的耐受曲線。將8臺(tái)變頻器不同暫降類型下的耐受曲線進(jìn)行包絡(luò)化處理,即統(tǒng)計(jì)某一電壓幅值下耐受時(shí)間的最大值和最小值,分別將耐受時(shí)間最大值和最小值連接成線,可得到變頻器耐受曲線的上下包絡(luò)線??紤]到變頻器在實(shí)際應(yīng)用中的工況通常是額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,因此給出額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的變頻器耐受曲線的包絡(luò)線,如圖9所示。由于某些變頻器對(duì)Type I和Type II免疫,在VT平面上無(wú)法畫(huà)出其耐受曲線,因此對(duì)于Type I和Type II型暫降,只有耐受曲線上包絡(luò)線。 圖9 不同暫降類型下的耐受曲線包絡(luò)線 由圖9(a)可見(jiàn),耐受曲線的時(shí)間臨界值范圍為10 ms~62 ms、電壓臨界值范圍為64%~76%。假設(shè)ITIC、SEMI F47、IEEE std 1346-1998和DL/T 1648-2016給出的是三相暫降下的耐受曲線標(biāo)準(zhǔn),將變頻器耐受曲線與ITIC、SEMI和C4.110曲線相比較,其曲線的基本形狀不完全一致。將其與IEEE std 1346-1998標(biāo)準(zhǔn)相比較,電壓臨界值最大值減小了6%,最小值增加了4%;時(shí)間臨界值的最小值減小了8 ms,最大值減小了23 ms;耐受曲線包絡(luò)線范圍整體上有所減小,上限有一小部分在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外。再將試驗(yàn)所得耐受曲線與DL/T 1648-2016關(guān)于一類輔機(jī)變頻器的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比,可見(jiàn)大部分中小功率低壓變頻器的暫降耐受特性并不符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求,本試驗(yàn)所得的通用耐受曲線包絡(luò)線可為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要參考。 由圖9(b)可見(jiàn),變頻器關(guān)于Type II的耐受特性是一條近似水平的曲線,暫降幅值在50%~66%之間波動(dòng);而變頻器關(guān)于Type I的耐受特性近似呈矩形,持續(xù)時(shí)間臨界值為19 ms、幅值臨界值在37%~46%之間波動(dòng)。而C4.110提出的關(guān)于Type II和Type I的耐受曲線并不完全符合變頻器的耐受特性。試驗(yàn)所得的耐受曲線上包絡(luò)線可為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要參考。 本文分析了變頻器受三相暫降、兩相暫降和單相暫降的影響機(jī)理,并搭建了仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證;選取國(guó)內(nèi)市場(chǎng)具有代表性的7種品牌變頻器進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真研究基本一致。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某些變頻器在缺相保護(hù)作用下對(duì)單相暫降的耐受能力反而比對(duì)兩相暫降的耐受能力弱。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析及處理,得到了變頻器在額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時(shí)不同暫降類型下的通用耐受曲線包絡(luò)線,與現(xiàn)有耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,有所差異。現(xiàn)有耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)并未指明暫降類型,本文得出的關(guān)于不同暫降類型的變頻器耐受曲線包絡(luò)線具有實(shí)際應(yīng)用意義,可為變頻器耐受曲線標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要參考。2 仿真研究
3 試驗(yàn)研究
3.1 試驗(yàn)平臺(tái)
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
4 結(jié)束語(yǔ)