魯玉桐，劉 輝，崔霆銳，劉 博，陳小佳

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

采用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能技術(shù),利用Boost升壓技術(shù)將超級(jí)電容器結(jié)合到運(yùn)行狀態(tài)良好的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器上，為DVR的逆變器提供直流電。樣品檢驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試都驗(yàn)證了整套設(shè)備可以全方位徹底消除各類暫態(tài)電能質(zhì)量問題對(duì)電梯運(yùn)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(yùn)營安全性。

暫態(tài)電能質(zhì)量；超級(jí)電容器

1 DVR工作原理和基本結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)是一種串聯(lián)型電壓補(bǔ)償裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有儲(chǔ)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(cè)電壓生成指令信號(hào)，對(duì)逆變器進(jìn)行控制，產(chǎn)生需要的補(bǔ)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(fù)載電路中，從而確保負(fù)載電壓的質(zhì)量。核心部分為電壓源逆變器，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，DVR通過對(duì)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(fù)載側(cè)電壓正常穩(wěn)定，這樣就達(dá)到消除電網(wǎng)電壓突變對(duì)后續(xù)負(fù)載的影響。

圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器裝置的結(jié)構(gòu)圖

直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)是DVR需要向電網(wǎng)輸出補(bǔ)償電壓時(shí)，逆變器的能量來源，可以作為直流儲(chǔ)能系統(tǒng)的有蓄電池、超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置以及飛輪儲(chǔ)能裝置等，由于超級(jí)電容器使用壽命長、功率密度高、低溫特性好等顯著特點(diǎn)，適用于地鐵特殊的工況，所以DVR的儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇器件特性界于電池和電容之間的超級(jí)電容器；逆變器是DVR裝置的電壓轉(zhuǎn)化單元，輸出補(bǔ)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(gè)獨(dú)立的單相全橋逆變器，使用三相橋式逆變器的DVR，結(jié)構(gòu)緊湊，開關(guān)器件使用少，但是三相脈沖需要統(tǒng)一控制，不能互相獨(dú)立，無法補(bǔ)償零序電壓，而在三個(gè)單相結(jié)構(gòu)中，三相電壓之間完全獨(dú)立，可向線路注入正序、負(fù)序和零序補(bǔ)償電壓，更靈活地對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行控制，并提供對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱情況的補(bǔ)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(duì)電網(wǎng)造成二次污染，保證負(fù)載側(cè)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(cè)和線路側(cè)兩種，工業(yè)上通常在逆變器側(cè)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(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)與敏感負(fù)荷之間的連接，同時(shí)可以采用升壓變壓器從而降低直流側(cè)電壓等級(jí)，另外，變壓器還起到對(duì)逆變器和電網(wǎng)的電氣隔離作用，提高整個(gè)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(yīng)該能迅速、準(zhǔn)確地檢測出電壓跌落的起止時(shí)刻，電壓幅值跌落的深度以及電壓跌落時(shí)的相角跳變，才能在電壓跌落發(fā)生的瞬間迅速將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器投入運(yùn)行，而當(dāng)供電電壓恢復(fù)到正常水平時(shí)則退出運(yùn)行。敏感負(fù)荷對(duì)電壓幅值的跌落和敏感，因此傳統(tǒng)的有效值計(jì)算方法只注重對(duì)電壓幅值的監(jiān)測，但有效值計(jì)算方法至少需要半個(gè)周期的歷史數(shù)據(jù)，有一定的時(shí)延，因此它不能準(zhǔn)確地給出電壓跌落的起止時(shí)刻，更不能反映電壓跌落時(shí)可能出現(xiàn)的相角跳變和不對(duì)稱。用離散傅里葉分析方法可以計(jì)算出電壓的幅值和相位角，但該方法也需要一個(gè)工頻周期的數(shù)據(jù)，在電壓跌落時(shí)難以保證其電壓值的實(shí)時(shí)性?；凇癮bc-dq”變換的檢測算法可以瞬時(shí)確定電壓的有效值，根據(jù)dq坐標(biāo)系下的直流分量的均方根與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而判斷電壓幅值是否下降，添加鎖相環(huán)可以準(zhǔn)確地檢測出基波正序分量相角的跳變。由于濾波器的響應(yīng)延時(shí)是不可避免的，因此對(duì)算法稍作改進(jìn)，其改進(jìn)框圖如圖2所示，從分離出的兩個(gè)直流分量可以得到基波正序分量的相角信息，進(jìn)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(bǔ)償算法

理想的DVR是當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生驟降后，以驟降前的負(fù)載側(cè)電壓為參考電壓，輸出補(bǔ)償電壓，使負(fù)載側(cè)電壓和驟降前保持一致。常用的補(bǔ)償方法有完全補(bǔ)償、同相位電壓補(bǔ)償和最小能量補(bǔ)償。完全電壓補(bǔ)償是指補(bǔ)償后電壓可完全恢復(fù)至電壓變化前的值，其中期望的瞬時(shí)電壓可以通過鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)驟降幅值過大或相角偏移過大時(shí)很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)性也較差，實(shí)際中很少采用；同相位電壓補(bǔ)償電壓與瞬時(shí)電壓同相位，只能進(jìn)行幅值的補(bǔ)償，不能補(bǔ)償相角變化，無法適用于相位波動(dòng)敏感的負(fù)荷，但實(shí)現(xiàn)簡單，補(bǔ)償速度快，在相位波動(dòng)不敏感的場合應(yīng)用廣泛；最小能量補(bǔ)償通過引入無功功率來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，采用與網(wǎng)側(cè)電壓有一個(gè)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(bǔ)償器提供的有功功率最小化來實(shí)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(bǔ)償策略中。

3 逆變器控制策略

逆變器信號(hào)經(jīng)PWM電路形成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制逆變單元各功率器件的開通和關(guān)斷，當(dāng)DVR裝置檢測到電網(wǎng)電壓有偏差時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓比較產(chǎn)生補(bǔ)償電壓指令。逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償量實(shí)時(shí)跟蹤指令信號(hào)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(shí)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(duì)指令信號(hào)進(jìn)行調(diào)制實(shí)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(hào)，調(diào)制不同于工頻正弦信號(hào)時(shí)效果不夠理想；而滯環(huán)比較方式將參考電壓和負(fù)載電壓的反饋信號(hào)進(jìn)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(hào)用以控制開關(guān)管通段的PWM，從而控制負(fù)載電壓跟蹤參考電壓變化，瞬時(shí)值滯環(huán)比較方式能夠很好的實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償，中間環(huán)節(jié)少，控制響應(yīng)速度快，時(shí)間短，能夠很好地保證負(fù)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(jié) 論

本文在考慮地鐵供電特殊工況，提出了利用Boost升壓技術(shù)將超級(jí)電容器結(jié)合到具有良好工作特性的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中，通過理論分析，方案設(shè)計(jì)和樣機(jī)在地鐵霍營站的調(diào)試驗(yàn)證了暫態(tài)電能質(zhì)量補(bǔ)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(duì)電梯運(yùn)行可靠性造成的影響，實(shí)現(xiàn)了在本質(zhì)上提高地鐵整體的運(yùn)營安全性。

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2016-02-02

魯玉桐(1970-)，碩士，高級(jí)工程師。

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