李晨懿，汪坤，盧文清，徐永海，龍云波

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

0 引 言

變頻器(variable-frequency drive, VFD)是一類廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備。當電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時，接入電網(wǎng)的變頻器直流電壓下降，觸發(fā)低電壓保護而跳閘，導(dǎo)致整個工業(yè)過程的中斷，造成巨大的經(jīng)濟損失和人身危險[1]。特別是發(fā)電廠的一類輔機變頻器一旦出現(xiàn)故障跳閘，可能造成機組MFT(主燃料跳閘)[2]，對電網(wǎng)造成進一步?jīng)_擊，嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。電力系統(tǒng)中多數(shù)電壓暫降是由短路故障引起的，而各種類型的短路故障引起的暫降經(jīng)變壓器和線路傳播后主要分三相暫降、兩相暫降和單相暫降三類[3]。變頻器在不同類型暫降下的耐受能力有較大的不同[4]，其對三相暫降最敏感，對兩相暫降和單相暫降的敏感程度次之，某些變頻器甚至對兩相暫降和單相暫降免疫。研究變頻器在不同暫降類型下的耐受特性是進行變頻器的電壓暫降耐受能力分析與暫降抑制的基礎(chǔ)。

一般敏感設(shè)備的暫降耐受特性可由電壓耐受曲線(voltage tolerance curves, VTC)[5]描述，耐受曲線下方暫降會使設(shè)備故障，而其上方的暫降則反之。因此制定能夠代表變頻器暫降耐受特性的通用耐受曲線標準可為制造廠家改進變頻器的性能、治理廠家防治電壓暫降以及用戶了解變頻器的特性提供重要參考?，F(xiàn)有耐受曲線的標準中，常用的有適用于信息技術(shù)工業(yè)的ITIC曲線、適用于半導(dǎo)體行業(yè)的SEMI F47曲線[6]；CIGRE/CIRED/UIE聯(lián)合工作組C4.110關(guān)于設(shè)備電壓暫降免疫能力的工作報告中給出了5種免疫等級的耐受曲線[3]，可用其中一種曲線來描述一般設(shè)備的耐受能力，但是其是否符合變頻器的耐受特性還有待考察；針對變頻器的耐受曲線標準，只有早期的IEEE std 1346-1998[7]中給出了變頻器耐受曲線上下限和平均值；我國電力行業(yè)標準DL/T 1648-2016[8]對新建發(fā)電廠和變電站的輔機變頻器的低電壓穿越能力做出了技術(shù)規(guī)范。以上耐受曲線標準中，只有C4.110針對三相暫降、兩相/單相暫降分別給出了耐受曲線，其余標準均未指明暫降類型。此外，所有耐受曲線標準中均沒有給出設(shè)備的工作運行狀態(tài)(負荷水平，滿載或半載等)、設(shè)備容量大小、額定電壓等級、三相或單相供電等條件，是否能廣泛適用于實際應(yīng)用情況還值得考察。

國內(nèi)相關(guān)研究大多數(shù)針對火電廠輔機變頻器，并以提高其低電壓穿越能力的措施[9-11]為主，對于變頻器受電壓暫降影響的試驗研究很少。文獻[9]通過試驗與仿真，研究了負載大小和故障類型對變頻器暫降敏感特性的影響，但文中沒有給出不對稱暫降對變頻器影響的試驗結(jié)果，并且研究的變頻器品牌單一。文獻[10-11]針對火電廠輔機低電壓標準的要求提出了改進的方案開，但其并沒有給出變頻器在不同暫降類型下的通用暫降耐受特性。國外相關(guān)研究中，文獻[12]詳細闡述了變頻器受電壓暫降和短時中斷影響的機理，并給出了試驗結(jié)果，但該文獻所分析的變頻器年代較為久遠，目前市場應(yīng)用的變頻器經(jīng)更新?lián)Q代后，其暫降耐受能力也有相應(yīng)地提高。文獻[13]通過試驗研究了多種因素對變頻器電壓暫降耐受能力的影響，但也是針對國外品牌的變頻器，并且發(fā)表時間較早。文獻[14]給出了包含接觸器和變頻器的簡單的工業(yè)過程電壓暫降耐受特性的試驗研究，但是沒有考慮不同類型的暫降對變頻器的影響。

綜上，針對我國市場主流品牌的變頻器，在不同類型的暫降下對其進行機理分析、仿真和試驗研究，給出針對三相暫降、兩相暫降和單相暫降分別給出較為通用的變頻器耐受曲線，對變頻器耐受曲線統(tǒng)一標準規(guī)范的制定具有重要參考意義。本文分析了變頻器受不同類型暫降的影響機理，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型進行驗證；選取了國內(nèi)市場具有代表性的7種品牌、2種功率的8臺變頻器進行測試，與理論分析和仿真研究進行相互驗證；通過對試驗結(jié)果的分析及處理，得到了變頻器在額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時不同暫降類型下的通用耐受曲線包絡(luò)線，具有實際應(yīng)用價值，可為標準的制定提供重要參考。

1 不同類型電壓暫降對變壓器的影響機理分析

1.1 常見電壓暫降類型

常見電壓暫降類型分為單相暫降、兩相暫降和三相暫降。IEEE P1668標準《低于1000V終端用戶電氣設(shè)備對電壓暫降與短時中斷穿越能力測試推薦規(guī)程》[15]中推薦測試的電壓暫降類型主要分為單相暫降(Type I)、兩相暫降(Type II)和三相暫降(Type III)三大類，而兩相暫降又分為三小類，如圖1所示。根據(jù)CIGRE C4.110的調(diào)查報告，兩相暫降中，如圖1(b)所示的類型在高壓和中壓電網(wǎng)中占所有兩相暫降的82%～91%，因此為推薦測試暫降類型。

圖1 IEEE P1668提出的測試暫降類型

根據(jù)國內(nèi)4個省市、2009.7～2015.1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[16]所捕獲的378組實測電壓暫降事件，統(tǒng)計不同暫降類型發(fā)生的頻率，其結(jié)果為：單相暫降發(fā)生的概率最大(69.0%)，兩相暫降次之(23.0%)，三相暫降發(fā)生的概率最小(9.5%)。因此研究變頻器在單相暫降和兩相暫降時的耐受特性尤為重要。

1.2 不同類型電壓暫降對變頻器的影響機理

變頻器主要由整流電路、直流穩(wěn)壓電容、逆變電路和控制回路組成[2]，其中整流部分一般為三相不可控橋式整流，如圖2所示。

圖2 常用變頻器拓撲

為了避免變頻器不正常工作或過載，通常變頻器會裝設(shè)直流母線低電壓保護電路。電網(wǎng)電壓跌落時，輸入端的交流電壓突然降低，直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓瞬時值，整流二極管截止，負載消耗的能量由直流電容儲能和電機轉(zhuǎn)子的動能提供，因此直流電壓下降，電機轉(zhuǎn)速降低；當直流電壓低于保護閾值時，保護電路動作，變頻器跳閘。由于變頻器的低電壓保護是引起變頻器跳閘的決定性因素，因此分析暫降期間直流側(cè)電壓的大小就可分析變頻器的耐受能力。

不同類型的電壓暫降下，變頻器的耐受特性會有較大的差異。從能量的角度上看，單相暫降時有兩相電壓始終較大，可為變頻器提供能量支撐；兩相暫降時有一相電壓較大，可為變頻器提供能量支撐；而三相暫降時，三相電壓都處于較低的水平，只能通過直流電容放電以平衡負荷功率，因此直流電壓下降程度最大。根據(jù)變頻器的整流拓撲，供電電壓正常時，三個線電壓瞬時值(uAB、uBC、uCA)中最大的一個通過二極管對電容器充電，直流電壓平均值在線電壓上包絡(luò)線的平均值與線電壓峰值之間波動(空載時為線電壓峰值，整流電流i連續(xù)時為線電壓上包絡(luò)線的平均值)[17]，維持在一個較為穩(wěn)定的水平；電壓暫降時，直流側(cè)電壓高于交流側(cè)線電壓峰值，直流電壓下降，當其小于交流側(cè)線電壓峰值時，交流線電壓又開始對電容器充電，重新達到一個新的平衡狀態(tài)，此時直流電壓平均值取決于暫降期間交流側(cè)線電壓的大小。根據(jù)文獻[15]給出的Type I、Type II和Type III的相電壓公式，可得出線電壓的瞬時值表達式，空載時，直流電壓在相電壓峰值之間取值，i連續(xù)時，直流電壓為線電壓上包絡(luò)線的平均值，可推導(dǎo)出Type I、Type II和Type III時變頻器直流電壓Ud1、Ud2、Ud3的表達式(i連續(xù)時)分別如式(1)～式(3)所示(限于篇幅，省略詳細推導(dǎo)過程)。其中，E為額定電壓幅值，X為單相暫降時暫降相電壓幅值且X

(1)

(2)

(3)

為比較不同暫降類型下直流電壓的大小，令Type I、Type II和Type III中暫降相的幅值為0.5E，可得出空載時Ud1∈(1.87E, 2.45E)，Ud2∈(0, 2.12E)，Ud3=1.22E，i連續(xù)時Ud1=1.70E，Ud2=1.35E，Ud3=1.17E。對于Type II，易知空載時的直流電壓必然大于帶載時的直流電壓，而負載從小變大的過程中，i從斷續(xù)到連續(xù)，因此空載時的直流電壓則必定大于i連續(xù)時的直流電壓，即Ud2∈(1.35E, 2.12E)?？梢娫跁航迪嚯妷悍迪嗟鹊那闆r下，無論空載或是帶載，單相暫降、兩相暫降和三相暫降下變頻器的直流電壓大小依次減小，越容易觸發(fā)低電壓保護，因此變頻器對單相暫降、兩相暫降和三相暫降的耐受能力也依次減弱。

2 仿真研究

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，主要由電壓暫降發(fā)生源和變頻調(diào)速系統(tǒng)組成，其原理圖如圖3所示。電壓暫降發(fā)生源部分中，通過暫降使能信號I控制變頻器的供電電源的切換，I為脈沖信號，當I>0時電源信號從正常電壓信號切換到電壓跌落信號，因此I的高電平時間為暫降的持續(xù)時間，電壓跌落信號的幅值為暫降幅值；變頻調(diào)速系統(tǒng)中，整流模塊和逆變模塊使用Simulink自帶模塊，通過SVPWM模塊實現(xiàn)變頻器的空間矢量控制，使變頻器拖動電機帶動恒定負載T。

仿真的電壓暫降類型根據(jù)IEEE P1668標準設(shè)置。由于篇幅限制，僅給出持續(xù)時間為0.5 s、暫降幅值為50%額定電壓時不同暫降類型下的仿真結(jié)果，如圖4～圖6所示。

圖3 仿真原理圖

圖4 Type III時的仿真波形

三相暫降時，由于直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓，直流電容向負載電路放電，電壓下降；當直流側(cè)電壓與交流側(cè)電壓持平時，又達到新的平衡狀態(tài)。通常情況下，變頻器直流側(cè)低電壓保護設(shè)置在70%額定值左右，因而在實際情況下會觸發(fā)低電壓保護使變頻器跳閘。由圖4(b)、圖5(b)和圖6(b)可知，三相暫降、兩相暫降和單相暫降時直流側(cè)電壓下降深度依次減小，尤其是單相暫降時，由于有兩相電壓不斷給直流電容充電，使直流側(cè)電壓維持不變，因此兩相暫降和單相暫降對變頻器的影響較小，與機理分析一致。

此外，三相暫降過程中負載消耗的能量部分能量來自于轉(zhuǎn)子動能，使得電機轉(zhuǎn)速有所下降，暫降結(jié)束時的沖擊電流使得轉(zhuǎn)速也產(chǎn)生沖擊，因而在對電機轉(zhuǎn)速有較高要求的應(yīng)用場合中將會產(chǎn)生較大危害；而兩相暫降和單相暫降時，負載消耗的能量完全由直流側(cè)和交流側(cè)提供，電機轉(zhuǎn)速基本無變化。綜上，三相暫降、兩相暫降和單相暫降下，變頻器的耐受能力依次增強，受到的危害依次減弱。

圖5 Type II時的仿真波形

圖6 Type I時的仿真波形

3 試驗研究

試驗研究以獲取不同類型的電壓暫降下變頻器的電壓耐受曲線為主要目的，測試的電壓暫降類型根據(jù)IEEE P1668標準設(shè)置。

3.1 試驗平臺

以電機對拖形式搭建試驗平臺，即待測變頻器拖動電動機帶動發(fā)電機，再通過回饋變頻器將能量反饋回電網(wǎng)。試驗平臺設(shè)備主要包括：暫降發(fā)生源、控制計算機、待測變頻器、電動機、發(fā)電機、回饋變頻器、扭矩傳感器以及錄波儀等。試驗平臺的接線圖如圖7所示。

圖7 試驗平臺現(xiàn)場接線圖

我國低壓變頻器市場中，以具有代表性的國外幾家品牌與國內(nèi)幾家品牌為主，此外，變頻器市場中常以額定功率小于等于7.5 kW為小功率，大于等于11 kW為中大功率。本試驗選取了國內(nèi)外7種品牌(其中國內(nèi)品牌有2種)，2種額定功率(18.5 kW和7.5 kW)，共8個變頻器進行測試，對于我國市場中的低壓中小功率變頻器具有一定代表性。待測變頻器的參數(shù)如表1所示。

本試驗在文獻[15]的基礎(chǔ)上制定了耐受曲線的測試步驟。其基本方法是利用計算機控制電壓擾動源輸出短時中斷和電壓暫降事件，記錄設(shè)備是否能耐受該擾動事件，逼近法找到被測設(shè)備臨界耐受的暫降幅值和持續(xù)時間，作為耐受曲線的依據(jù)。

3.2 試驗結(jié)果

試驗得到了變頻器在不同類型暫降下的直流電壓波形和電機轉(zhuǎn)速波形，繪制了大量的耐受曲線。試驗發(fā)現(xiàn)變頻器在三相暫降時直流側(cè)電壓下降得嚴重，轉(zhuǎn)速降低的程度最大，兩相暫降和單相暫降時直流電壓和轉(zhuǎn)速下降的情況依次減小，與理論分析和仿真研究一致。由于篇幅限制，本文僅給出變頻器在不同暫降類型下的耐受曲線，足以代表變頻器的耐受特性。

表1 待測變頻器參數(shù)

3.2.1 不同暫降類型下的耐受曲線及分析

試驗得到不同變頻器在三種暫降類型下的耐受曲線，以VFD2、VFD3和VFD5為例，如圖8所示。可見，變頻器的耐受曲線總體呈矩形，由豎直邊沿(持續(xù)時間臨界值)、水平邊沿(電壓臨界值)和過渡部分組成；變頻器(VFD3、VFD5)對三相暫降、兩相暫降和單相暫降的耐受能力依次增強，與理論分析和仿真研究一致。但對于VFD2，試驗發(fā)現(xiàn)其對Type II免疫而對Type I敏感，即其對Type II的耐受能力反而強于對Type I的耐受能力。8臺變頻器對Type II和Type I的免疫情況如表2所示。

表2 不同變頻器對Type I、Type II的免疫情況

注：“√”代表“是”，“×”代表“否”。

VFD2在Type I時跳閘是因為缺相保護作用，而最嚴重的Type II下，暫降相幅值設(shè)置為額定值的50%，不足以觸發(fā)缺相保護；并且Type I和Type II并沒有觸發(fā)低電壓保護或過電流保護。從能量支撐的角度上看，Type I時有兩相電壓可以給直流側(cè)充電提供能量支撐，而Type II時只有一相電壓提供能量支撐，因而變頻器對Type I的耐受能力強于對Type II的耐受能力，若無缺相保護，VFD2將會對Type I和Type II免疫。而實際結(jié)果是VFD2對Type I的敏感度反而大于Type II，與只考慮低壓保護和過電流保護的變頻器暫降耐受能力的研究結(jié)果不同。因此，變頻器對單相暫降的耐受能力不一定比兩相暫降強。從另一角度上看，對于VFD1和VFD7，當Type I最嚴重時(Va=0)，此時已是缺相，1 min的缺相卻沒有觸發(fā)缺相保護，其保護動作滯后時間是否設(shè)計得過長，值得考慮。

圖8 暫降類型影響下的耐受曲線

3.3.2 通用耐受曲線包絡(luò)線

通過對7種國內(nèi)外品牌、2種功率(18.5 kW和7.5 kW)的8臺變頻器進行重復(fù)性試驗，提取了大量的耐受曲線。將8臺變頻器不同暫降類型下的耐受曲線進行包絡(luò)化處理，即統(tǒng)計某一電壓幅值下耐受時間的最大值和最小值，分別將耐受時間最大值和最小值連接成線，可得到變頻器耐受曲線的上下包絡(luò)線。考慮到變頻器在實際應(yīng)用中的工況通常是額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此給出額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的變頻器耐受曲線的包絡(luò)線，如圖9所示。由于某些變頻器對Type I和Type II免疫，在VT平面上無法畫出其耐受曲線，因此對于Type I和Type II型暫降，只有耐受曲線上包絡(luò)線。

圖9 不同暫降類型下的耐受曲線包絡(luò)線

由圖9(a)可見，耐受曲線的時間臨界值范圍為10 ms～62 ms、電壓臨界值范圍為64%～76%。假設(shè)ITIC、SEMI F47、IEEE std 1346-1998和DL/T 1648-2016給出的是三相暫降下的耐受曲線標準，將變頻器耐受曲線與ITIC、SEMI和C4.110曲線相比較，其曲線的基本形狀不完全一致。將其與IEEE std 1346-1998標準相比較，電壓臨界值最大值減小了6%，最小值增加了4%；時間臨界值的最小值減小了8 ms，最大值減小了23 ms；耐受曲線包絡(luò)線范圍整體上有所減小，上限有一小部分在標準范圍之外。再將試驗所得耐受曲線與DL/T 1648-2016關(guān)于一類輔機變頻器的低壓穿越標準相對比，可見大部分中小功率低壓變頻器的暫降耐受特性并不符合該標準的要求，本試驗所得的通用耐受曲線包絡(luò)線可為標準的制定提供重要參考。

由圖9(b)可見，變頻器關(guān)于Type II的耐受特性是一條近似水平的曲線，暫降幅值在50%～66%之間波動；而變頻器關(guān)于Type I的耐受特性近似呈矩形，持續(xù)時間臨界值為19 ms、幅值臨界值在37%～46%之間波動。而C4.110提出的關(guān)于Type II和Type I的耐受曲線并不完全符合變頻器的耐受特性。試驗所得的耐受曲線上包絡(luò)線可為標準的制定提供重要參考。

4 結(jié)束語

本文分析了變頻器受三相暫降、兩相暫降和單相暫降的影響機理，并搭建了仿真模型進行驗證；選取國內(nèi)市場具有代表性的7種品牌變頻器進行測試，試驗結(jié)果與理論分析和仿真研究基本一致。試驗發(fā)現(xiàn)某些變頻器在缺相保護作用下對單相暫降的耐受能力反而比對兩相暫降的耐受能力弱。通過對試驗結(jié)果的分析及處理，得到了變頻器在額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時不同暫降類型下的通用耐受曲線包絡(luò)線，與現(xiàn)有耐受曲線標準對比，有所差異?，F(xiàn)有耐受曲線標準并未指明暫降類型，本文得出的關(guān)于不同暫降類型的變頻器耐受曲線包絡(luò)線具有實際應(yīng)用意義，可為變頻器耐受曲線標準的制定提供重要參考。