屈憲軍1,，劉  謙2,，丁屹峰2，于希娟2,，韓  帥2

　?。?.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京100031,；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院,，北京100075）

　　摘  要： 電壓暫降是目前最重要的電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題之一。本文通過(guò)直流調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析,，建立其系統(tǒng)模型,，然后對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度進(jìn)行了研究，分析了該系統(tǒng)對(duì)不同電壓暫降深度,、持續(xù)時(shí)間的設(shè)備敏感度,，對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速,、電樞電流等運(yùn)行特性進(jìn)行了敏感度研究,。最后利用MATLAB仿真，在正常電壓,、不同電壓暫降深度和電壓暫降持續(xù)時(shí)間等三種條件下進(jìn)行了兩類(lèi)直流調(diào)速系統(tǒng)暫降敏感度的數(shù)值驗(yàn)證,。結(jié)果顯示，電壓暫降會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降及轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng),，從而影響該調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,。

　　關(guān)鍵詞： 直流調(diào)速系統(tǒng)；電壓暫降,；轉(zhuǎn)速,；設(shè)備敏感度

0 引言

　　電能質(zhì)量是21世紀(jì)現(xiàn)代電網(wǎng)的關(guān)鍵特征之一,。作為電能質(zhì)量一個(gè)重要方面,電壓暫降(也有稱(chēng)電壓凹陷或電壓驟降), 是指在工頻條件下電網(wǎng)電壓有效值(RMS)快速下降到額定值的10%～90%范圍內(nèi),其典型持續(xù)時(shí)間為半個(gè)工頻周期到數(shù)秒鐘[1]。近年來(lái), 由于敏感供用電設(shè)備的大量應(yīng)用,，電壓暫降給電力系統(tǒng)和用戶造成了一系列嚴(yán)重問(wèn)題,。幅值略低于80%、持續(xù)幾個(gè)周波的電壓暫降就會(huì)導(dǎo)致部分計(jì)算機(jī)設(shè)備和電子設(shè)備跳閘,，電壓暫降還會(huì)引起三相變壓器、感應(yīng)電機(jī),、風(fēng)力發(fā)電雙饋發(fā)電機(jī),、交直流調(diào)速系統(tǒng)以及不同各類(lèi)工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行異常，電壓暫降給大量電力系統(tǒng)和用戶造成了重要影響[2],。由于自動(dòng)化過(guò)程中電壓敏感負(fù)荷激增,，電壓暫降給工業(yè)用戶帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),，近年來(lái)電壓暫降問(wèn)題已占所有電能質(zhì)量問(wèn)題的70％-90％,，而其引起的用戶投訴占所有電能質(zhì)量問(wèn)題投訴數(shù)量的80％以上，已成為國(guó)內(nèi)外電工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題[3-5],。

　　直流調(diào)速系統(tǒng)具有過(guò)載能力大,、調(diào)速平滑及能承受頻繁的沖擊負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種運(yùn)行情況,，為調(diào)速系統(tǒng)的重要形式之一[6],。然而，電機(jī)受電壓暫降的影響較大,，其許多運(yùn)行特性都對(duì)其輸入電壓較敏感,。鄧建國(guó)等[7]基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效模型，通過(guò)仿真方法研究了電壓暫降下三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)過(guò)程,，發(fā)現(xiàn)暫降幅度對(duì)沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩大小的直接影響規(guī)律,。異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性受電壓暫降的影響也較大，包括轉(zhuǎn)矩,、運(yùn)行效率[8-9],。考慮無(wú)刷直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的模型,，文獻(xiàn)[10]研究了電壓暫降對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性影響,。

　　本文將主要分析直流調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度。首先分析直流調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù),，建立其系統(tǒng)模型,，然后對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度進(jìn)行研究，分析該系統(tǒng)對(duì)不同電壓暫降特征量的設(shè)備敏感度,，對(duì)轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速,、電樞電流等運(yùn)行特性進(jìn)行敏感度研究。

1 直流調(diào)速系統(tǒng)模型

　　直流調(diào)速系統(tǒng)主要可分為開(kāi)環(huán),、閉環(huán),、單環(huán)、雙環(huán)等,，其中,，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、雙閉環(huán)系統(tǒng)最為典型,。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)用傳遞函數(shù)可表示為如圖1所示,。

　　其中, n為轉(zhuǎn)速，Ud為電壓暫降等供電電壓擾動(dòng)導(dǎo)致的整流輸出電壓變動(dòng),，Ud0,、Id為電樞電壓、電流,，Ce為電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比,，R為系統(tǒng)的總電阻。E是電機(jī)反電動(dòng)勢(shì),，T1為時(shí)間常數(shù),，Cm為一常系數(shù)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電樞電流為近似線性關(guān)系,，故通過(guò)轉(zhuǎn)矩可分析電樞電流的變化規(guī)律,。

　　在電壓暫降發(fā)生時(shí)，由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不存在反饋環(huán)節(jié),，擾動(dòng)電壓Ud將直接作用于電機(jī)上,，并引起Ud0的下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n的下降,，電樞電流和轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)降低,。由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性較軟，很多時(shí)候不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求,。

　　工程上常采用轉(zhuǎn)速,、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示,，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速,。其中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器,，均采用PI調(diào)節(jié)器,，其傳遞函數(shù)為：W(s)=。

　　在此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,，擾動(dòng)電壓Ud首先作用于電流內(nèi)環(huán),，電樞電壓Ud的擾動(dòng)將直接導(dǎo)致Id的相應(yīng)變化,。以Ud(s)為輸入量，電流偏差量Id(s)為輸出量,，可建立電壓暫降的電流擾動(dòng)模型,，若電流環(huán)設(shè)計(jì)為典型Ⅰ型系統(tǒng)，則擾動(dòng)模型如圖3所示,。其擾動(dòng)傳遞函數(shù)為：

　　考慮擾動(dòng)為單位階躍擾動(dòng),，即Ud(s)=1/s，則擾動(dòng)模型的輸出響應(yīng)為：

　　由圖4可發(fā)現(xiàn),，單位階躍電壓擾動(dòng)產(chǎn)生電流輸出223%的超調(diào)量,，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.054 s，即發(fā)生階躍擾動(dòng)0.054 s后電樞電流擾動(dòng)才能減小至5%,。另外，由于電流環(huán)采用PI的反饋調(diào)節(jié)控制,，電樞電流的穩(wěn)態(tài)偏差為0,。在外部電壓擾動(dòng)的作用過(guò)程中，由于其電壓變化量Ud(s)是直接作用于電流環(huán)內(nèi),，因而導(dǎo)致電樞電流Id的較大擾動(dòng)Id(s),，但是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)電流負(fù)反饋使其得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，而不需要在其影響到轉(zhuǎn)速后才進(jìn)行調(diào)節(jié),，這使得其抗擾性能比單環(huán)系統(tǒng)有了較大提高,，且通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)了態(tài)無(wú)偏差。如果電壓暫降擾動(dòng)較大,，則電流環(huán)無(wú)法通過(guò)負(fù)反饋控制及時(shí)完成Id(s)的有效調(diào)節(jié),，此時(shí)Id(s)的變化就導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速n(s)的較大擾動(dòng)，則轉(zhuǎn)速環(huán)負(fù)反饋起調(diào)節(jié)作用,。這樣,，在電壓暫降的大擾動(dòng)情況下，雙閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)速,、電流雙反饋有效保證了轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，具有相對(duì)較好的抗擾性,。

2 直流調(diào)速系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度分析

　　電壓暫降主要有兩個(gè)特征量：暫降深度,、暫降持續(xù)時(shí)間。暫降深度反映電壓暫降的劇烈程度,，常以暫降后系統(tǒng)殘留電壓和額定電壓的百分比表示,。暫降持續(xù)時(shí)間是指從電壓有效值下降到低于正常值90%所持續(xù)的時(shí)間。針對(duì)這兩個(gè)特征量,，下面將對(duì)開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)系統(tǒng)的電壓暫降設(shè)備敏感度以及運(yùn)行特性影響進(jìn)行仿真算例分析,。

　　2.1 正常電壓下的運(yùn)行特性分析

　　在正常電網(wǎng)電壓下，開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)與運(yùn)行特性如圖5所示,，圖中實(shí)線為轉(zhuǎn)矩（N·m），虛線為轉(zhuǎn)速（rad/s）,，橫坐標(biāo)為時(shí)間（s）,，下同。

　　從圖5可發(fā)現(xiàn),，與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比,，雙閉環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性較理想，啟動(dòng)時(shí)間由5.8 s縮短到1.9 s,，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速啟動(dòng),。

　　2.2 不同電壓暫降深度下的運(yùn)行特性分析

　　系統(tǒng)在啟動(dòng)仿真的8.0 s處開(kāi)始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降,，而電壓暫降持續(xù)時(shí)間設(shè)置為0.5 s,，暫降深度則分別設(shè)置為85%、70%,，此時(shí)開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行特性分別如圖6所示。

　　由圖6（a）發(fā)現(xiàn),，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速由322 rad/s降至279 rad/s,，轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了大幅短視時(shí)下降，由148 N·m降至61 N·m,，在電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的作用下,，逐漸上升。當(dāng)暫降在7.5 s處結(jié)束后,，在正常電壓的作用下轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)回升,，并產(chǎn)生超調(diào)，之后轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)正常值,，12 s時(shí)重新恢復(fù)到暫降前的狀態(tài),。由圖6（b）可見(jiàn)，雙閉環(huán)系統(tǒng)中85%暫降對(duì)轉(zhuǎn)速影響幾乎可忽略,，轉(zhuǎn)矩在暫降的起止時(shí)刻有較小的短暫波動(dòng),，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)明顯的影響。由圖6（c）可發(fā)現(xiàn),，深度暫降對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,、轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)仍較大, 轉(zhuǎn)速由287 rad/s降至254 rad/s，轉(zhuǎn)矩也發(fā)生了大幅短時(shí)下降，由148 N·m降至115 N·m,，設(shè)備敏感度較高,。

　　2.3 不同電壓暫降持續(xù)時(shí)間下的運(yùn)行特性分析

　　系統(tǒng)在啟動(dòng)仿真的7.0 s處開(kāi)始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降作用,，電壓暫降深度設(shè)置為75%,、持續(xù)時(shí)間分別設(shè)置為0.5 s、1.5 s和2.5 s,，此時(shí)開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行特性分別如圖7(a)~(d)所示。

　　由圖7(a),、(b)可知,，持續(xù)2.5 s的電壓暫降比0.5 s的電壓暫降所造成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速跌落要大，前者轉(zhuǎn)速?gòu)?22 rad/s降至201 rad/s,，而后者只降至279 rad/s,，即暫降持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速跌落值越大,。轉(zhuǎn)矩在暫降開(kāi)始時(shí)刻迅速由148 N·m降至40 N·m,，之后轉(zhuǎn)矩由于反饋系統(tǒng)逐漸上升，暫降結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)上升,，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的快速恢復(fù),。同時(shí),，不同暫降持續(xù)時(shí)間的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間不同,，2.5 s暫降較0.5 s暫降的恢復(fù)時(shí)間要長(zhǎng)。由圖7(c),、(d)可見(jiàn),，在持續(xù)時(shí)間為0.5、2.5 s的暫降作用下,，雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速分別由291 rad/s降至280 rad/s,、251 rad/s和249 rad/s，在暫降過(guò)程中轉(zhuǎn)矩基本保持穩(wěn)定,，暫降結(jié)束時(shí),，轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)變大，使轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)暫降前的值,，暫降結(jié)束后0.5 s內(nèi)可恢復(fù)到暫降前的轉(zhuǎn)速,。

　　通過(guò)上述算例發(fā)現(xiàn)，在電壓暫降的作用下,，開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均產(chǎn)生了不同程度的降落，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行,。盡管雙閉環(huán)系統(tǒng)具有電流,、轉(zhuǎn)速雙反饋環(huán)，但在較大深度和較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的嚴(yán)重電壓暫降作用下,，其運(yùn)行特性仍表現(xiàn)出較大的擾動(dòng),。

3 結(jié)論

　　隨著新技術(shù)、新工藝在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用以及新型電力負(fù)荷的迅速發(fā)展,，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求日益提高,，電壓暫降逐漸成為導(dǎo)致計(jì)算機(jī)設(shè)備、調(diào)速系統(tǒng)等敏感負(fù)荷生產(chǎn)故障的主要原因,，是最為突出的電能質(zhì)量問(wèn)題之一,。因此，研究直流調(diào)速系統(tǒng)等敏感負(fù)荷的電壓暫降設(shè)備敏感度及擾動(dòng)下的實(shí)際運(yùn)行特性,，對(duì)這些設(shè)備抗擾動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義,。本文研究結(jié)果顯示，電壓的暫降深度,、持續(xù)時(shí)間對(duì)開(kāi)環(huán),、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行具有明顯影響。輕微的電壓暫降就會(huì)引起開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行特性惡化,，擾動(dòng)結(jié)束后的恢復(fù)時(shí)間也較長(zhǎng),。相比而言，雙閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)較淺和較短時(shí)的電壓暫降,，其運(yùn)行特性基本維持正常,，但對(duì)于低于60%、持續(xù)時(shí)間大于0.5 s的嚴(yán)重電壓暫降,，其轉(zhuǎn)速特性,、轉(zhuǎn)矩等仍嚴(yán)重偏離正常值, 即該設(shè)備的暫降敏感度較高，需要考慮采用改進(jìn)技術(shù)提高設(shè)備的低電壓穿越能力,，或者采用DVR等動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)備提高電源的電能質(zhì)量水平,。

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