城市軌道交通電梯暫態(tài)電能質(zhì)量的治理

魯玉桐，劉 輝，崔霆銳，劉 博，陳小佳

(1.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044 ；2.北京地鐵運營技術研發(fā)中心，北京 102208；3.北京三得普華科技有限責任公司，北京 100085)

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管理及其他

城市軌道交通電梯暫態(tài)電能質(zhì)量的治理

魯玉桐1，劉 輝2，崔霆銳2，劉 博2，陳小佳3

(1.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044 ；2.北京地鐵運營技術研發(fā)中心，北京 102208；3.北京三得普華科技有限責任公司，北京 100085)

采用超級電容器作為儲能技術,利用Boost升壓技術將超級電容器結合到運行狀態(tài)良好的動態(tài)電壓恢復器上，為DVR的逆變器提供直流電。樣品檢驗和現(xiàn)場調(diào)試都驗證了整套設備可以全方位徹底消除各類暫態(tài)電能質(zhì)量問題對電梯運行可靠性造成的影響，從而在本質(zhì)上提高了地鐵整體的運營安全性。

暫態(tài)電能質(zhì)量；超級電容器

1 DVR工作原理和基本結構

動態(tài)電壓恢復器(DVR)是一種串聯(lián)型電壓補償裝置，其基本結構如圖1所示，主要有儲能系統(tǒng)、逆變單元、濾波器和變壓器四部分組成。該裝置通過檢測電網(wǎng)側電壓生成指令信號，對逆變器進行控制，產(chǎn)生需要的補償電壓，在經(jīng)過濾波電路和變壓器，通過串聯(lián)方式疊加到負載電路中，從而確保負載電壓的質(zhì)量。核心部分為電壓源逆變器，當電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時，DVR通過對直流電源的逆變產(chǎn)生交流電壓，并與原來的故障電壓疊加來保障負載側電壓正常穩(wěn)定，這樣就達到消除電網(wǎng)電壓突變對后續(xù)負載的影響。

圖1 動態(tài)電壓恢復器裝置的結構圖

直流側儲能系統(tǒng)是DVR需要向電網(wǎng)輸出補償電壓時，逆變器的能量來源，可以作為直流儲能系統(tǒng)的有蓄電池、超級電容器、超導儲能裝置以及飛輪儲能裝置等，由于超級電容器使用壽命長、功率密度高、低溫特性好等顯著特點，適用于地鐵特殊的工況，所以DVR的儲能系統(tǒng)選擇器件特性界于電池和電容之間的超級電容器；逆變器是DVR裝置的電壓轉化單元，輸出補償交流電，逆變器單元既可以是三相橋式逆變器，也可以使用三個獨立的單相全橋逆變器，使用三相橋式逆變器的DVR，結構緊湊，開關器件使用少，但是三相脈沖需要統(tǒng)一控制，不能互相獨立，無法補償零序電壓，而在三個單相結構中，三相電壓之間完全獨立，可向線路注入正序、負序和零序補償電壓，更靈活地對三相電壓和電流進行控制，并提供對系統(tǒng)電壓不對稱情況的補償；DVR的輸出濾波器消除輸出電壓的高次諧波成分，減少和避免DVR對電網(wǎng)造成二次污染，保證負載側獲得比較純正的正弦交流電，DVR的輸出濾波器通常采用LC濾波器，根據(jù)位置不同可分為逆變器側和線路側兩種，工業(yè)上通常在逆變器側安裝LC濾波器，這樣更靠近諧波源，可以直接從源頭上濾除高次諧波；DVR通過串聯(lián)變壓器實現(xiàn)供電系統(tǒng)與敏感負荷之間的連接，同時可以采用升壓變壓器從而降低直流側電壓等級，另外，變壓器還起到對逆變器和電網(wǎng)的電氣隔離作用，提高整個裝置的可靠性，無串聯(lián)變壓器的DVR主要適用于低壓系統(tǒng)中。

2 電壓跌落的檢測

DVR電壓跌落的檢測算法應該能迅速、準確地檢測出電壓跌落的起止時刻，電壓幅值跌落的深度以及電壓跌落時的相角跳變，才能在電壓跌落發(fā)生的瞬間迅速將動態(tài)電壓恢復器投入運行，而當供電電壓恢復到正常水平時則退出運行。敏感負荷對電壓幅值的跌落和敏感，因此傳統(tǒng)的有效值計算方法只注重對電壓幅值的監(jiān)測，但有效值計算方法至少需要半個周期的歷史數(shù)據(jù)，有一定的時延，因此它不能準確地給出電壓跌落的起止時刻，更不能反映電壓跌落時可能出現(xiàn)的相角跳變和不對稱。用離散傅里葉分析方法可以計算出電壓的幅值和相位角，但該方法也需要一個工頻周期的數(shù)據(jù)，在電壓跌落時難以保證其電壓值的實時性。基于“abc-dq”變換的檢測算法可以瞬時確定電壓的有效值，根據(jù)dq坐標系下的直流分量的均方根與標準電壓進行比較，從而判斷電壓幅值是否下降，添加鎖相環(huán)可以準確地檢測出基波正序分量相角的跳變。由于濾波器的響應延時是不可避免的，因此對算法稍作改進，其改進框圖如圖2所示，從分離出的兩個直流分量可以得到基波正序分量的相角信息，進而可以得到dq軸的參考值，其公式如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

圖2 基于Park變換的電壓檢測算法

2 電壓補償算法

理想的DVR是當電網(wǎng)側電壓發(fā)生驟降后，以驟降前的負載側電壓為參考電壓，輸出補償電壓，使負載側電壓和驟降前保持一致。常用的補償方法有完全補償、同相位電壓補償和最小能量補償。完全電壓補償是指補償后電壓可完全恢復至電壓變化前的值，其中期望的瞬時電壓可以通過鎖相環(huán)來實現(xiàn)，但當驟降幅值過大或相角偏移過大時很難實現(xiàn)，同時其經(jīng)濟性也較差，實際中很少采用；同相位電壓補償電壓與瞬時電壓同相位，只能進行幅值的補償，不能補償相角變化，無法適用于相位波動敏感的負荷，但實現(xiàn)簡單，補償速度快，在相位波動不敏感的場合應用廣泛；最小能量補償通過引入無功功率來實現(xiàn)補償，采用與網(wǎng)側電壓有一個合適的的相位超前的電壓注入可以減少有功交換，通過使補償器提供的有功功率最小化來實現(xiàn)電網(wǎng)提供的有功功率最大化，使電網(wǎng)的功率因數(shù)增加，本文從單相角度出發(fā)，采用最小能量注入補償策略中。

3 逆變器控制策略

逆變器信號經(jīng)PWM電路形成PWM驅動信號，從而控制逆變單元各功率器件的開通和關斷，當DVR裝置檢測到電網(wǎng)電壓有偏差時，與標準正弦電壓比較產(chǎn)生補償電壓指令。逆變器產(chǎn)生的補償量實時跟蹤指令信號的變化，常用的跟蹤PWM的控制方法有兩種：三角波比較方式和瞬時值滯環(huán)比較方式。三角波比較方式直接采用三角波做載波，對指令信號進行調(diào)制實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制，比較適用于調(diào)制普通工頻正弦信號，調(diào)制不同于工頻正弦信號時效果不夠理想；而滯環(huán)比較方式將參考電壓和負載電壓的反饋信號進行比較，將兩者的差值作為滯環(huán)比較器的輸入，由滯環(huán)比較器產(chǎn)生信號用以控制開關管通段的PWM，從而控制負載電壓跟蹤參考電壓變化，瞬時值滯環(huán)比較方式能夠很好的實現(xiàn)電壓補償，中間環(huán)節(jié)少，控制響應速度快，時間短，能夠很好地保證負載電壓跟隨參考電壓，其原理圖如圖3所示：

圖3 滯環(huán)比較方式PWM控制原理

4 結 論

本文在考慮地鐵供電特殊工況，提出了利用Boost升壓技術將超級電容器結合到具有良好工作特性的動態(tài)電壓恢復器中，通過理論分析，方案設計和樣機在地鐵霍營站的調(diào)試驗證了暫態(tài)電能質(zhì)量補償裝置可以全方位徹底消除各類暫態(tài)電能質(zhì)量問題對電梯運行可靠性造成的影響，實現(xiàn)了在本質(zhì)上提高地鐵整體的運營安全性。

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2016-02-02

魯玉桐(1970-)，碩士，高級工程師。

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