200kVA動態(tài)電壓恢復(fù)器的研制與應(yīng)用

程麗艷 何天鵬 劉紅飛

（1.山東華天電氣有限公司 2.浙江中控技術(shù)股份有限公司 3.北京天鴻同信科技有限公司濟(jì)南分公司）

0 引言

隨著精密制造、加工、醫(yī)療行業(yè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了大量對電壓質(zhì)量特別敏感的設(shè)備。電網(wǎng)、配電設(shè)施的大負(fù)荷沖擊或故障會引起電壓暫降、驟升，導(dǎo)致用電設(shè)備運(yùn)行異常、產(chǎn)品質(zhì)量下降、計算機(jī)數(shù)據(jù)丟失等一系列問題。GB/T30137—2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》定義電壓暫降是指工頻電壓方均根值突然降低至10%～90%pu，在10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。目前電網(wǎng)電壓暫降每年給制藥、半導(dǎo)體、石化、鋼鐵、汽車等行業(yè)造成幾十億元的損失，根據(jù)EPRI（美國電科院）權(quán)威數(shù)據(jù)，92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降和暫升，其他電能質(zhì)量事件所占比例不到8%，電壓暫降已經(jīng)被眾多的國際研究機(jī)構(gòu)確定為電力系統(tǒng)中最為普遍發(fā)生的事件。因此對敏感設(shè)備進(jìn)行電壓暫降（暫升）保護(hù)顯得尤為重要。動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）是治理電壓暫降問題的一種關(guān)鍵設(shè)備，文獻(xiàn)[1]對DVR的功能進(jìn)行詳細(xì)說明。針對DVR目前的市場應(yīng)用情況，華天電氣大量調(diào)研并投入研發(fā)中堅力量進(jìn)行研制。

1 動態(tài)電壓恢復(fù)器原理

華天200kVA HTDVR系列動態(tài)電壓恢復(fù)器是以電力電子[3]技術(shù)為基礎(chǔ)，采用全控型電力電子器件IGBT[4]，主要由儲能元件（超級電容）、逆變器、靜態(tài)開關(guān)（STS）[2]、變流器、控制單元以及旁路開關(guān)組成，采用逆變器并聯(lián)、切換開關(guān)串聯(lián)在供電電源和受保護(hù)的負(fù)載之間的形式接入系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生暫降、暫升和短時中斷時，HTDVR會立即切斷輸入側(cè)電源，同時從裝置自帶的儲能器件中吸取所需的能量，通過三相橋式逆變電路系統(tǒng)產(chǎn)生一個與電網(wǎng)電壓幅值、相位均相同的電壓供給負(fù)荷，輸出電壓無縫鏈接達(dá)到額定值，不中斷負(fù)載供電，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。儲能式產(chǎn)品的優(yōu)點是無論是單相、兩相還是三相跌落，甚至跌落至0%，均可治理，為負(fù)載提供合格的電能，保證負(fù)荷安全可靠運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DVR結(jié)構(gòu)圖

HTDVR主要有四種工作模式：

1）電網(wǎng)電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)： 動態(tài)電壓恢復(fù)裝置DVR控制器執(zhí)行相應(yīng)操作：啟動靜態(tài)開關(guān)STS，關(guān)閉逆變器。電網(wǎng)通過此回路向負(fù)載供電。此時逆變器處于熱后備狀態(tài)，但保持與電網(wǎng)電壓同步，以便在電網(wǎng)擾動時立即動作。同時 HTDVR 實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓，如果出現(xiàn)電網(wǎng)電壓超出額定范圍（±30%可設(shè)定），則將工作模式迅速轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償狀態(tài)。補(bǔ)償過程中檢測到電網(wǎng)電壓恢復(fù)到正常，HTDVR裝置會將DVR輸出的電壓波形與電網(wǎng)波形進(jìn)行同步，同步完成后重新導(dǎo)通STS，繼續(xù)由電網(wǎng)向負(fù)載供電。

2）電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓擾動：動態(tài)電壓恢復(fù)裝置DVR控制器執(zhí)行相應(yīng)操作：關(guān)閉靜態(tài)開關(guān)STS，啟動逆變器。逆變單元將超級電容的能量逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓跌落前等幅同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波提供給負(fù)載，保障負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）電網(wǎng)電壓重新穩(wěn)定：當(dāng)HTDVR補(bǔ)償過程中檢測到電網(wǎng)電壓恢復(fù)到正常，HTDVR裝置會將DVR輸出的電壓波形與電網(wǎng)波形進(jìn)行同步，同步完成后重新導(dǎo)通STS，繼續(xù)由電網(wǎng)向負(fù)載供電。

4）故障旁路工作：HTDVR自身發(fā)生故障的情況下，負(fù)載電流自動轉(zhuǎn)換到故障安全旁路，電流通過并聯(lián)在STS兩端的旁路電路為負(fù)載供電，此時DVR裝置不會響應(yīng)電網(wǎng)的異常事件。

基于以上工作原理，華天電氣研制的動態(tài)電壓恢復(fù)器如圖2所示。

圖2 200kVA HTDVR樣機(jī)

2 200kVA HTDVR單模塊調(diào)試

2.1 HTDVR主控制器調(diào)試

按照控制器外部接線端子進(jìn)行接線：

1）控制器接線端子X2—9～12分別接入220VAC供電，控制器均可正常工作（內(nèi)部±15VDC+24VDC電源正常）；24V電源端子電壓應(yīng)為24VDC。

2）接線端子X2—1～4連接DVR顯示器，顯示器應(yīng)能通訊正常。

3）控制器電壓檢測STS輸出電壓、STS輸入電壓端子A、B、C分別于N接入220VAC電壓信號，HTDVR顯示器對應(yīng)項輸出電壓、電網(wǎng)電壓應(yīng)均能正確顯示。

4）控制器輸出電流采樣端子AS1、AS2；BS1、BS2；CS1、CS2分別接入1A電流信號，HTDVR顯示器對應(yīng)項輸出電流應(yīng)均能正確顯示。

5）控制器直流電壓采樣端子接入24VDC電壓信號，HTDVR顯示器對應(yīng)項超級電容柜電壓應(yīng)能正確顯示。

6）分別短接端子 24VG IN1；24VG IN4；24VG IN5；24VG IN8顯示屏主界面的對應(yīng)超級電容過壓、過熱、STS過熱、DC熔斷器故障指示狀態(tài)發(fā)生改變，如圖3所示。

圖3 主控制器顯示界面

2.2 HTDVR變流器模塊調(diào)試

變流器的調(diào)試步驟如下：

1）HTDVR變流器模塊的720V開關(guān)電源接入720VDC供電，檢查主控板電源±15VDC、+24VDC是否正常。

2）供電正常后檢查主控板是否正常工作（主控板運(yùn)行指示燈—綠色正常閃爍），調(diào)試顯示屏通訊正常。

3）顯示屏參數(shù)零點校準(zhǔn)，并按照HTSVG—100kvar模塊調(diào)試指導(dǎo)書對HTDVR變流器模塊進(jìn)行調(diào)試。

4）HTDVR變流器模塊處于調(diào)試狀態(tài)，固定無功60%，運(yùn)行時直流母線側(cè)緩慢加入720V電壓的同時，觀察HTDVR-100kVA變流器模塊輸出電流模型是否正常（電流波形應(yīng)為正弦波）。

5）模塊整機(jī)老化72h。注：因此HTDVR-100kVA變流器模塊為拔插式接線方式，無輸出繼電器和緩沖電阻，老化上電應(yīng)嚴(yán)格按照以下順序上電：

①直流可調(diào)電源輸出端對應(yīng)接入HTDVR變流器模塊為拔插式端子的正負(fù)母線端子上，調(diào)節(jié)電源使其緩慢充電至720VDC。②市電斷路器導(dǎo)線對應(yīng)接入HTDVR變流器模塊為拔插式端子的A、B、C、N線端子上，待HTDVR變流器正負(fù)母線電壓升至720VDC后，斷開直流可調(diào)電源輸出斷路器，同時10s內(nèi)閉合市電斷路器。③設(shè)置HTDVR變流器模塊相關(guān)參數(shù)，使其額定電流老化72h。

6）老化完畢的HTDVR變流器模塊燒寫變流器模塊程序。

7）運(yùn)用HTDVR變流器模塊調(diào)試平臺對HTDVR-100kVA變流器模塊進(jìn)行檢測與HTDVR主控制器和HTDVR顯示屏是否通訊正常。

通訊正常判斷標(biāo)準(zhǔn)：HTDVR顯示器—實時數(shù)據(jù)—逆變單元—對應(yīng)編號模塊—溫度數(shù)值應(yīng)和HTSVG顯示屏顯示的溫度參數(shù)一一對應(yīng)。

2.3 STS模塊調(diào)試

STS模塊通電調(diào)試步驟：

1）接線端子CN3—L1、N1或L2、N2分別接入220VAC，STS模塊應(yīng)均可正常工作；風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、STS模塊控制回路供電正常、STS控制板24VDC供電正常。

2）選用一組端子CN3—220VAC供電，分別測量輸入銅排A1、B1、C1對應(yīng)輸出銅排A2、B2、C2應(yīng)導(dǎo)通；接線端子CN2—2、3、4接入24VDC（CN2—1、2短接、CN2—1、3短接、CN2—1、4短接），A1、B1、C1與A2、B2、C2斷開。

3）STS模塊的老化：STS模塊輸入、輸出兩端接入無功補(bǔ)償HTSVG模塊，設(shè)置HTSVG模塊輸出固定無功電流至STS模塊額定電流值，運(yùn)行4h進(jìn)行老化。

2.4 超級電容調(diào)試

利用AC-DC、DC-DC充放電模塊調(diào)試工裝，對超級電容柜充放電試驗5次，并記錄每個階段各只超級電容的電壓。

3 200kVA HTDVR整機(jī)調(diào)試

完成以上初步檢測后，方可接入輸入電壓及能饋負(fù)載進(jìn)行以下檢測。接入市電后，抽出HTDVR變流器模塊，使其插拔端子脫離，使用數(shù)字示波器測量設(shè)備輸入、輸出電壓波形。閉合輸入斷路器，設(shè)備的HTDVR主控制器、顯示單元正常工作中，STS模塊風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，晶閘管開始逐步導(dǎo)通。

STS模塊市電導(dǎo)通波形如圖4所示，其中通道1為市電電壓波形，通道2為STS模塊輸出電壓波形。輸出電壓有效值隨STS模塊導(dǎo)通角展開而逐步增大至市電電壓。

圖4 STS市電導(dǎo)通波形

STS正常運(yùn)行后，進(jìn)行充電測試。插入HTDVR變流器模塊，閉合輸入斷路器，設(shè)備的HTDVR主控制器、顯示單元正常工作中；STS模塊風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，晶閘管開始逐步導(dǎo)通。隨著STS模塊的導(dǎo)通，超級電容的電壓隨之逐步增大至480VDC左右（320VAC線電壓的整流電壓值），超級電容柜電壓＞450VDC時，變流器模塊控制供電正常，主從雙向通訊異常故障信號消失，HTDVR與HTDVR變流器模塊之間數(shù)據(jù)傳輸正常，顯示器可讀取變流器的數(shù)據(jù)信息（實時數(shù)據(jù)—逆變模塊）。80s后，變流器主動對超級電容充電至720VDC。

STS模塊輸入/輸出電壓波形圖如圖5所示，其中通道1為輸入電壓波形，通道2為輸出電壓波形。

圖5 STS模塊輸入/輸出電壓波形圖

通過圖5可以看出，STS模塊緩慢導(dǎo)通，輸出電壓逐步增大至輸入電壓，超級電容柜母線電壓緩升至460VDC。

母線電壓≥450VDC后，HTDVR變流器模塊控制供電正常，與HTDVR主控制器通訊正常，顯示屏可讀取顯示HTDVR變流器模塊的相關(guān)實時數(shù)據(jù)。比如通信異常，如圖6所示。

圖6 通信異常顯示界面

斷開市電輸入斷路器，輸出電壓由HTDVR變流器逆變產(chǎn)生，如圖7所示。

圖7 逆變波形

4 現(xiàn)場應(yīng)用

華天電氣研制的200kVA動態(tài)電壓恢復(fù)器目前已成功應(yīng)用在墨西哥某飲料灌裝和膨化食品加工。

經(jīng)過現(xiàn)場改造和停電模擬試驗，200kVA HTDVR設(shè)備可以達(dá)到理想的電壓暫降恢復(fù)效果。圖8～圖9為現(xiàn)場模擬測試波形。

圖8 電壓跌落補(bǔ)償過程

圖9 電壓短時中斷補(bǔ)償過程

根據(jù)企業(yè)電壓暫降頻次預(yù)計每年可為用戶減少經(jīng)濟(jì)損失40余萬元。

5 結(jié)束語

針對非線性負(fù)載、沖擊設(shè)備引起的電壓暫降問題，研制了一種200kVA動態(tài)電壓恢復(fù)器，給出了設(shè)計基本原理與調(diào)試過程，并在現(xiàn)場應(yīng)用。經(jīng)過改造和停電模擬試驗，可以達(dá)到理想的電壓暫降恢復(fù)效果，實驗和現(xiàn)場應(yīng)用均可證明DVR能夠有效治理電壓暫降問題，可以為不同行業(yè)減少大量經(jīng)濟(jì)損失，有良好的應(yīng)用前景。