基于直流供电技术的电压暂降保护系统研究

李江龙，王 丽，陈文波

（1.兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂，榆林 719000；2.南京国臣信息自动化技术有限公司，南京 211100）

引言

随着电力电子技术的发展、工业自动化程度的不断提高，变频器以其优良的调速性能和显著的节能效果，得到了非常广泛的应用。但电网在运行过程中会因为各种原因引起电压短时下降 （称之为“电压暂降”），导致变频器在使用中产生了新的问题——变频器低压跳闸。低电压通常都是短时的，对传统的电气设备影响较小，而对变频器则会引起低压跳闸导致电机停止工作，影响生产，尤其对变频拖动的重要电机影响尤为严重。每次由于电网电压暂降，重要电机变频器低压跳闸造成的非计划停运，都会给企业造成很大的经济损失，少则几十万，多则几百万，甚至上千万元；严重情况下还会引起人身安全事故和环境问题。

在欧美发达工业国，电压暂降和短时中断早就引起关注。据统计，电压暂降和短时中断引起电力用户对供电企业的投诉占全部投诉的80%以上。随着数字化设备、电力电子设备的广泛应用，电压暂降的影响日益突出，越来越受到电力公司和用户的共同关注。

1 电压暂降

1.1 电压暂降定义

按照电气与电子工程师协会IEEE的定义［1］，电压暂降是指工频条件下电压均方根减小到0.1～0.9倍额定电压之间、持续时间为0.5周波至1 min的短时间电压变动现象。国际电工委员会（IEC）对于电压暂降的定义在电压暂降幅值上与IEEE有所不同，是指工频条件下电压均方根减小到0.01～0.9倍额定电压之间、持续时间为0.5周波至1 min的短时间电压变动现象。

图1为电压暂降事件中瞬时电压波形，包含2个重要特征：电压暂降幅值（深度）和电压暂降持续时间。

图1 电压暂降瞬时电压波形Fig.1 Instantaneous voltage waveforms with voltage sags

当电压有效值降低到接近于0并持续一定时间时，称为短时中断。由于对电压暂降下降幅值定义不同，“接近于0”也有不同的定义：IEC将“接近于0”定义为低于额定电压的1%，IEEE定义为低于10%［2］。一定意义上来说，电压暂降的危害程度比短时中断严重，这是由于电压暂降更具有全局性，发生频次远高于短时中断，总体上看电压暂降所带来的损失是巨大的。

虽然电压暂降和中断在定义、起因等方面有所不同，但均可以把短时中断看作一种特殊的、幅值下降特别严重的电压暂降。因此，对电压暂降和短时中断不做严格区分，对两者的治理方案也是相似的。

1.2 电压暂降标准

数字化时代的今天，电压暂降对各行业的影响日益突出。为此，国际电工委员会IEC协会、CBEMA（计算机和商业设备制造商协会）、SEMI F47（国际半导体设备材料产业协会）都对电气设备的电压耐受曲线VTC（voltage tolerance curve）进行了研究，并制定了目前主要的4种电压暂降VTC标准，如图2所示。

除了上述4种标准，针对大型火电机组辅机低电压穿越 LVRT（low voltage ride through）问题，国家电网国调中心特制定了火电辅机低电压穿越的标准，该标准分为暂态、动态和稳态3个穿越区，这实际上是火电厂安全运行的最低要求，如图3所示。可以看出，火电机组辅机目前低电压穿越标准为：电压降至90%额定值时，保证辅机不间断运行；电压降至60%额定值时，暂降持续时间小于5 s的情况下，保证辅机不间断运行；电压降至20%额定值时，暂降持续时间小于0.5 s的情况下，保证辅机不间断运行。而实际需求是电压下降至0时也要保持5 s的低电压穿越能力。

图2 包括IEC在内的4种电压暂降标准Fig.2 4 kinds of main standards of voltage sags

图3 火电机组辅机低电压穿越标准Fig.3 LVRT temporary standard for thermal power unit auxiliary

2 电压暂降对工业生产的影响

电压暂降的影响应该从负载所处的工艺位置及其对电压的敏感程度两方面进行衡量。如果电压敏感性负载应用在关键工艺处，那么这种负载就会由于电压暂降或短时中断而停机，从而引起整个生产线的停运，带来巨大的经济损失，甚至造成人身伤亡事件或环境问题。称关键工艺处的电压敏感性负载为敏感负荷，尤其是带有联锁控制的敏感负荷，如工厂中的一类负荷，其因电压暂降和短时中断造成损失将会是最大的，如图4所示。

在一个工厂中，总会存在多种电压敏感性负载，如接触器、变频器、计算机等，特别是在化工、化纤、冶金等生产连续性比较强的行业的电压暂降治理过程中，VTC标准的局限性就暴露出来，对实际工程的指导意义有限。

图4 各类负荷对应的经济损失Fig.4 Economic loss of kinds of load

据此，2005年，CIGRE/CIRED和UIE成立了联合工作组 joint WG C4.110［3］， 历时 5 年，在2010 年颁布了工作报告。在报告中定义了过程免疫时间PIT（process immunity time）曲线，如图5 所示。 这个标准对工业过程电压暂降治理给出了一个推荐性标准，是相对实用的理论依据。

图5 PIT曲线Fig.5 PIT curve

3 电压暂降对变频器的影响因素分析

变频器由整流器和逆变器两部分组成，构成交-直-交的结构，直流母线是其中间环节，带载时直流母线低压限值根据变频器型号的不同而不同，一般为85%，有的可以达到62%，但实际带载运行时会引起过流等保护［3］。

3.1 电压暂降幅值对变频器的影响

一般变频器具有过压、失压、过流以及停电等保护功能。一旦电网发生电压暂降或短时中断时，直流母线电压也随之下降，当直流母线电压下降到其低压限值时低压保护动作，变频器停止运行。

3.2 电压暂降持续时间对变频器的影响

当变频器逆变器件为IGBT时，在电压暂降或短时中断后，将允许变频器继续工作一个短时间td。若电压暂降或短时中断的持续时间to＜td，变频器将平稳过渡运行；若失压或停电时间to＞td，变频器低压保护停止运行。一般td取6～11 ms，只要电压暂降较为强烈，都可能使变频器调速的电动机停止运行［4］。

4 基于直流供电技术变频器电压暂降治理

电压暂降和短时中断被关注后，首先研发的是交流解决方案，如UPS等。但交流解决方案采用串联模式，即将保护设备串联在被保护设备的输入端，显然由于保护设备也会出现故障，故交流解决方案会降低整个系统的可靠性。

变频器的雏形是直流变频器，交流变频器只是在直流变频器的前端加上了整流器。所以可以考虑从变频器直流环节着手，为变频器直流母线提供恒定的直流电，也就是所谓的直流供电技术，即在电网发生电压暂降期间对变频器直流母线提供电压支撑，从而保证逆变部分正常工作，输出稳定的交流电压，保证重要电机不停机［5］。结合变频器原理和工作方式，直流供电方式是解决变频器低压跳闸的最好办法。

4.1 工作原理

根据用户侧的需求，基于直流供电技术的电压暂降保护VSP（voltage sag protection）系统可分为2种：一种是利用电网残压进行升压补偿；另一种是使用少量蓄电池进行升压补偿［6］。

利用电网残压进行升压补偿的VSP系统工作原理如图6所示，使用少量蓄电池进行升压补偿的VSP系统工作原理如图7所示。2种系统的输出端与负载侧变频器直流母线相连。当三相交流电压正常时，VSP系统进入热备用状态，变频器由三相交流电正常供电。当交流电压出现暂降时，VSP系统检测到交流电压下降而自动投入工作并开始计时，即2种VSP系统分别利用电网残压和蓄电池组电压进行升压，输出稳定的DC 500 V给变频器的直流母线，为其提供电压支撑，确保变频器正常工作，待电网恢复正常后VSP系统自动退出支撑，计时结束。

图6 VSP电压暂降解决方案Fig.6 Voltage say solution with VSP system

图7 VSP＋少量蓄电池电压暂降解决方案Fig.7 Voltage say solution with VSP+battery system

4.2 配置设计

利用电网残压的VSP系统主要是由VSP模块、控制柜和馈出柜组成。利用蓄电池组电压的VSP系统主要是由蓄电池组、充电机、VSP模块、控制柜和馈出柜组成。其中，核心部分为采用Boost拓扑结构的VSP模块。

图8 VSP模块原理Fig.8 Schematic diagram of VSP module

对于第1种VSP系统中的VSP模块，只需在Boost变换电路前增加一个整流桥即可实现电网残压升压。

对于第2种VSP系统，要根据被保护设备的功率及支撑时间进行蓄电池容量的选择。

设变频器总功率为P，需要支撑的时间为t，s，预先选择蓄电池容量为C1，单节电池放电t s后的截止电压为U1（查询容量C1的电池放电数据表），电池节数N，电池组最大放电总电流I，则

若电池放电倍率为K，则电池容量C为

考虑电池容量储备为

式中，Ks为电池储备系数，通常 Ks=1.1。

最后比较计算结果Cbat与预先选择容量C1。若Cbat≤C1，则所选蓄电池满足要求。

4.3 运行实例

案例1 （第1种VSP系统）：某火力发电厂因给煤机变频器在电压暂降期间跳闸引起停炉停机事件，给电网安全运行造成严重的威胁。故需对给煤机变频器进行电压暂降能力改造，要求当电压跌落到20%～90%额定电压范围内，保证变频器正常运行。现场调研情况表1所示。

表1 火电厂辅机调研情况Tab.1 Field survey of inverters

根据用户要求，只需对20%～90%额定电压的电压暂降进行治理，而无需对20%以下的电压暂降和短时中断进行治理，所以采用第1种VSP系统，如图9所示，即利用电网残压进行升压的方式即可满足要求。

其方案设计如图9（a）所示，每台给煤机变频器对应一套VSP系统。

对加装保护后的系统进行测试，将变频器交流输入电压（CH1）降至20%，现场应用波形如图9（b）所示。当由9（b）可以看出，在交流输入电压降至20%时，在VSP系统的支撑下，变频器直流母线电压（CH2）保持在DC 500 V，从而输出稳定的交流电（CH3），保证给煤机在电压暂降期间不间断运行。

图9 给煤机变频器电压暂降保护系统Fig.9 VSP system for coal feeder inverter

案例2 （第2种VSP系统）：某化工厂60万t/a醇氨联产项目由于电压暂降期间空分液氧泵、液氮泵变频器跳闸引起整条生产线的联锁大跳闸，导致非计划停车，带来严重经济损失。故对空分液氧泵、液氮泵变频器进行电压暂降保护。

以液氧泵变频器保护为例，需要保护的设备的现场情况具体如下所述：

①被保护的变频器：ABB ACS800系列，交流电压等级380 V；②变频器使用频率按50 Hz全功率计算；③电动机功率315 kW，3台，2用1怠速运行；④装机功率945 kW，实际使用功率630 kW；⑤蓄电池组直流支持时间按3 min计算。

按照要求，空分液氧泵变频器配置安装第2种VSP系统即利用蓄电池组电压升压的系统，具体保护系统方案如图10所示。

每台变频器对应一条输出回路，共3条回路，3组蓄电池并联提供能量来源，如图10（a）所示。在保护设备运行过程中，由于电网故障发生电压暂降至20%，持续时间为10 s的电压暂降，保护系统的运行状态如图10（b）所示。由图（b）可以看出，在交流输入电压Uj降至20%时，在VSP系统的支撑下，变频器直流母线电压Ud保持在DC100 V，从而输出稳定的交流电U，保证液氧泵在电压暂降期间不间断运行。现场设备如图10（c）所示。

图10 液氧泵变频器电压暂降保护系统Fig.10 VSP system for liquid oxygen pump inverters

5 结语

电压暂降是电网运行过程中不可避免的电气现象，会造成敏感负荷如变频器停止工作，引起连续性生产企业的大量经济损失。结合变频器交-直-交的特性，设计两种基于直流供电技术的电压暂降保护系统，实验结果和现场应用表明，这两种保护系统均能满足电压暂降保护的要求，保证变频器拖动的重要电机不间断运行。

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