屈憲軍1，劉  謙2，丁屹峰2，于希娟2，韓  帥2

　?。?.國網(wǎng)北京市電力公司，北京100031；2.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075）

　　摘  要： 電壓暫降是目前最重要的電網(wǎng)電能質(zhì)量問題之一。本文通過直流調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析，建立其系統(tǒng)模型，然后對該調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度進(jìn)行了研究，分析了該系統(tǒng)對不同電壓暫降深度、持續(xù)時間的設(shè)備敏感度，對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞電流等運行特性進(jìn)行了敏感度研究。最后利用MATLAB仿真，在正常電壓、不同電壓暫降深度和電壓暫降持續(xù)時間等三種條件下進(jìn)行了兩類直流調(diào)速系統(tǒng)暫降敏感度的數(shù)值驗證。結(jié)果顯示，電壓暫降會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速的下降及轉(zhuǎn)矩的擾動，從而影響該調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

　　關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速系統(tǒng)；電壓暫降；轉(zhuǎn)速；設(shè)備敏感度

0 引言

　　電能質(zhì)量是21世紀(jì)現(xiàn)代電網(wǎng)的關(guān)鍵特征之一。作為電能質(zhì)量一個重要方面,電壓暫降(也有稱電壓凹陷或電壓驟降), 是指在工頻條件下電網(wǎng)電壓有效值(RMS)快速下降到額定值的10%～90%范圍內(nèi),其典型持續(xù)時間為半個工頻周期到數(shù)秒鐘[1]。近年來, 由于敏感供用電設(shè)備的大量應(yīng)用，電壓暫降給電力系統(tǒng)和用戶造成了一系列嚴(yán)重問題。幅值略低于80%、持續(xù)幾個周波的電壓暫降就會導(dǎo)致部分計算機設(shè)備和電子設(shè)備跳閘，電壓暫降還會引起三相變壓器、感應(yīng)電機、風(fēng)力發(fā)電雙饋發(fā)電機、交直流調(diào)速系統(tǒng)以及不同各類工業(yè)設(shè)備的運行異常，電壓暫降給大量電力系統(tǒng)和用戶造成了重要影響[2]。由于自動化過程中電壓敏感負(fù)荷激增，電壓暫降給工業(yè)用戶帶來巨大經(jīng)濟損失。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計，近年來電壓暫降問題已占所有電能質(zhì)量問題的70％-90％，而其引起的用戶投訴占所有電能質(zhì)量問題投訴數(shù)量的80％以上，已成為國內(nèi)外電工領(lǐng)域的一項重要研究課題[3-5]。

　　直流調(diào)速系統(tǒng)具有過載能力大、調(diào)速平滑及能承受頻繁的沖擊負(fù)載等優(yōu)點，較好地滿足了實際生產(chǎn)過程中的各種運行情況，為調(diào)速系統(tǒng)的重要形式之一[6]。然而，電機受電壓暫降的影響較大，其許多運行特性都對其輸入電壓較敏感。鄧建國等[7]基于感應(yīng)電動機的等效模型，通過仿真方法研究了電壓暫降下三相感應(yīng)電動機的瞬態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)暫降幅度對沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩大小的直接影響規(guī)律。異步電動機的各種運行特性受電壓暫降的影響也較大，包括轉(zhuǎn)矩、運行效率[8-9]。考慮無刷直流電機及驅(qū)動電路的模型，文獻(xiàn)[10]研究了電壓暫降對無刷直流電機驅(qū)動的動態(tài)特性影響。

　　本文將主要分析直流調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度。首先分析直流調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，建立其系統(tǒng)模型，然后對該調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度進(jìn)行研究，分析該系統(tǒng)對不同電壓暫降特征量的設(shè)備敏感度，對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞電流等運行特性進(jìn)行敏感度研究。

1 直流調(diào)速系統(tǒng)模型

　　直流調(diào)速系統(tǒng)主要可分為開環(huán)、閉環(huán)、單環(huán)、雙環(huán)等，其中，開環(huán)系統(tǒng)、雙閉環(huán)系統(tǒng)最為典型。開環(huán)系統(tǒng)用傳遞函數(shù)可表示為如圖1所示。

　　其中, n為轉(zhuǎn)速，Ud為電壓暫降等供電電壓擾動導(dǎo)致的整流輸出電壓變動，Ud0、Id為電樞電壓、電流，Ce為電機在額定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比，R為系統(tǒng)的總電阻。E是電機反電動勢，T1為時間常數(shù)，Cm為一常系數(shù)。由于電機轉(zhuǎn)矩與電樞電流為近似線性關(guān)系，故通過轉(zhuǎn)矩可分析電樞電流的變化規(guī)律。

　　在電壓暫降發(fā)生時，由于開環(huán)系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié)，擾動電壓Ud將直接作用于電機上，并引起Ud0的下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n的下降，電樞電流和轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)降低。由于開環(huán)系統(tǒng)的機械特性較軟，很多時候不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

　　工程上常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。其中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，均采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：W(s)=。

　　在此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，擾動電壓Ud首先作用于電流內(nèi)環(huán)，電樞電壓Ud的擾動將直接導(dǎo)致Id的相應(yīng)變化。以Ud(s)為輸入量，電流偏差量Id(s)為輸出量，可建立電壓暫降的電流擾動模型，若電流環(huán)設(shè)計為典型Ⅰ型系統(tǒng)，則擾動模型如圖3所示。其擾動傳遞函數(shù)為：

　　考慮擾動為單位階躍擾動，即Ud(s)=1/s，則擾動模型的輸出響應(yīng)為：

　　由圖4可發(fā)現(xiàn)，單位階躍電壓擾動產(chǎn)生電流輸出223%的超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間為0.054 s，即發(fā)生階躍擾動0.054 s后電樞電流擾動才能減小至5%。另外，由于電流環(huán)采用PI的反饋調(diào)節(jié)控制，電樞電流的穩(wěn)態(tài)偏差為0。在外部電壓擾動的作用過程中，由于其電壓變化量Ud(s)是直接作用于電流環(huán)內(nèi)，因而導(dǎo)致電樞電流Id的較大擾動Id(s)，但是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通過電流負(fù)反饋使其得到及時的調(diào)節(jié)，而不需要在其影響到轉(zhuǎn)速后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得其抗擾性能比單環(huán)系統(tǒng)有了較大提高，且通過反饋實現(xiàn)穩(wěn)了態(tài)無偏差。如果電壓暫降擾動較大，則電流環(huán)無法通過負(fù)反饋控制及時完成Id(s)的有效調(diào)節(jié)，此時Id(s)的變化就導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速n(s)的較大擾動，則轉(zhuǎn)速環(huán)負(fù)反饋起調(diào)節(jié)作用。這樣，在電壓暫降的大擾動情況下，雙閉環(huán)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速、電流雙反饋有效保證了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，具有相對較好的抗擾性。

2 直流調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度分析

　　電壓暫降主要有兩個特征量：暫降深度、暫降持續(xù)時間。暫降深度反映電壓暫降的劇烈程度，常以暫降后系統(tǒng)殘留電壓和額定電壓的百分比表示。暫降持續(xù)時間是指從電壓有效值下降到低于正常值90%所持續(xù)的時間。針對這兩個特征量，下面將對開環(huán)、雙閉環(huán)系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度以及運行特性影響進(jìn)行仿真算例分析。

　　2.1 正常電壓下的運行特性分析

　　在正常電網(wǎng)電壓下，開環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動與運行特性如圖5所示，圖中實線為轉(zhuǎn)矩（N·m），虛線為轉(zhuǎn)速（rad/s），橫坐標(biāo)為時間（s），下同。

　　從圖5可發(fā)現(xiàn)，與開環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)系統(tǒng)的啟動特性較理想，啟動時間由5.8 s縮短到1.9 s，實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速啟動。

　　2.2 不同電壓暫降深度下的運行特性分析

　　系統(tǒng)在啟動仿真的8.0 s處開始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降，而電壓暫降持續(xù)時間設(shè)置為0.5 s，暫降深度則分別設(shè)置為85%、70%，此時開環(huán)、雙閉環(huán)系統(tǒng)的運行特性分別如圖6所示。

　　由圖6（a）發(fā)現(xiàn)，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速由322 rad/s降至279 rad/s，轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了大幅短視時下降，由148 N·m降至61 N·m，在電機反電動勢的作用下，逐漸上升。當(dāng)暫降在7.5 s處結(jié)束后，在正常電壓的作用下轉(zhuǎn)矩瞬時回升，并產(chǎn)生超調(diào)，之后轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)正常值，12 s時重新恢復(fù)到暫降前的狀態(tài)。由圖6（b）可見，雙閉環(huán)系統(tǒng)中85%暫降對轉(zhuǎn)速影響幾乎可忽略，轉(zhuǎn)矩在暫降的起止時刻有較小的短暫波動，對系統(tǒng)運行無明顯的影響。由圖6（c）可發(fā)現(xiàn)，深度暫降對雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩擾動仍較大, 轉(zhuǎn)速由287 rad/s降至254 rad/s，轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了大幅短時下降，由148 N·m降至115 N·m，設(shè)備敏感度較高。

　　2.3 不同電壓暫降持續(xù)時間下的運行特性分析

　　系統(tǒng)在啟動仿真的7.0 s處開始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降作用，電壓暫降深度設(shè)置為75%、持續(xù)時間分別設(shè)置為0.5 s、1.5 s和2.5 s，此時開環(huán)、雙閉環(huán)系統(tǒng)的運行特性分別如圖7(a)~(d)所示。

　　由圖7(a)、(b)可知，持續(xù)2.5 s的電壓暫降比0.5 s的電壓暫降所造成的開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跌落要大，前者轉(zhuǎn)速從322 rad/s降至201 rad/s，而后者只降至279 rad/s，即暫降持續(xù)時間越長，轉(zhuǎn)速跌落值越大。轉(zhuǎn)矩在暫降開始時刻迅速由148 N·m降至40 N·m，之后轉(zhuǎn)矩由于反饋系統(tǒng)逐漸上升，暫降結(jié)束時轉(zhuǎn)矩瞬時上升，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的快速恢復(fù)。同時，不同暫降持續(xù)時間的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間不同，2.5 s暫降較0.5 s暫降的恢復(fù)時間要長。由圖7(c)、(d)可見，在持續(xù)時間為0.5、2.5 s的暫降作用下，雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速分別由291 rad/s降至280 rad/s、251 rad/s和249 rad/s，在暫降過程中轉(zhuǎn)矩基本保持穩(wěn)定，暫降結(jié)束時，轉(zhuǎn)矩瞬時變大，使轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)暫降前的值，暫降結(jié)束后0.5 s內(nèi)可恢復(fù)到暫降前的轉(zhuǎn)速。

　　通過上述算例發(fā)現(xiàn)，在電壓暫降的作用下，開環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均產(chǎn)生了不同程度的降落，影響系統(tǒng)的正常運行。盡管雙閉環(huán)系統(tǒng)具有電流、轉(zhuǎn)速雙反饋環(huán)，但在較大深度和較長持續(xù)時間的嚴(yán)重電壓暫降作用下，其運行特性仍表現(xiàn)出較大的擾動。

3 結(jié)論

　　隨著新技術(shù)、新工藝在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用以及新型電力負(fù)荷的迅速發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求日益提高，電壓暫降逐漸成為導(dǎo)致計算機設(shè)備、調(diào)速系統(tǒng)等敏感負(fù)荷生產(chǎn)故障的主要原因，是最為突出的電能質(zhì)量問題之一。因此，研究直流調(diào)速系統(tǒng)等敏感負(fù)荷的電壓暫降設(shè)備敏感度及擾動下的實際運行特性，對這些設(shè)備抗擾動和穩(wěn)定運行具有重要意義。本文研究結(jié)果顯示，電壓的暫降深度、持續(xù)時間對開環(huán)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實際運行具有明顯影響。輕微的電壓暫降就會引起開環(huán)系統(tǒng)的運行特性惡化，擾動結(jié)束后的恢復(fù)時間也較長。相比而言，雙閉環(huán)系統(tǒng)對較淺和較短時的電壓暫降，其運行特性基本維持正常，但對于低于60%、持續(xù)時間大于0.5 s的嚴(yán)重電壓暫降，其轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩等仍嚴(yán)重偏離正常值, 即該設(shè)備的暫降敏感度較高，需要考慮采用改進(jìn)技術(shù)提高設(shè)備的低電壓穿越能力，或者采用DVR等動態(tài)補償設(shè)備提高電源的電能質(zhì)量水平。

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