实际电源条件下串联电压降落补偿器的设计和实现要点.docx
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实际电源条件下串联电压降落补偿器的设计和实现要点
实际电源条件下串联电压降落补偿器的设计和实现
摘要--近几年,电压跌落已经变成电能质量的重要考虑因素。
根据在美国进行的调查,工业用户92%的故障是电压跌落和短时停电。
电压跌落往往导致各种敏感负载的欠压故障的和随后中断的制造过程。
这样的中断往往造成严重工业损失。
在台湾和中国,大多数高科技制造商使用不间断电源,以避免中断,但这种方法的成本效益尚不清楚。
随着电网的不断提高了电源的可靠性,基于逆变器的电压骤降补偿已成为防止生产中断和电压骤降的一个可行的解决方案。
通过密切跟踪线电压并且当电压波形偏离正常值时合上补偿器的开关,现有的跌落补偿系统可在一个周期的一小部分实现快速响应。
然而,由于功率因数校正电容器的开关、断路器开关、雷击等,该电源电压的瞬态振幅可高达200%。
如果控制器非常敏感,这样的瞬态干扰可能触发骤降补偿操作。
骤降补偿逆变器的开关频率不足以补偿电压尖峰的窄脉冲。
此外,功率半导体器件(如绝缘栅双极型晶体管)的逆变器也可能由于过电压的浪涌损坏。
在本文中,对台湾高新技术产业园区的电能质量问题的一个简短的概述,将提供验证给需要通过的技术。
也提出一个以同步坐标系为基础的控制器来补偿逆变器的电压骤降。
一个跌落电压的检测机制,包括修正和及时识别的电压骤降的控制器。
类似电压尖峰的干扰会发生衰减,以避免任何错误触发补偿器。
整个系统临界负荷的电压骤降响应和恢复电压到平衡1.0pu,都在八分之一到四分之一个周期内完成,这符合行业标准的要求,如SEMI-F47标准。
仿真和实验结果验证所提出的系统性能。
关键词--电容器开关瞬变,动态电压恢复器,电能质量,电压跌落。
1.引言
近几年,电压跌落已经变成电能质量的重要考虑因素。
随着工业中电力电子应用的迅速增长,那些敏感负载很容易受电压跌落而停止运营,并造成相当大的损失。
中国台湾的新竹科学工业园区(HSIP),聚集了大多数的台湾半导体制造商,每个电压骤降事件都会引起10万到1 百万美元的损失,这包括停机时间,财务损失的清理工作,和报废产品。
图1给出了HSIP的电力分配的单线简化图。
国有企业台湾电力公司(TPC)是主要的供应商,为了提高可靠性,TPC在新竹科学工业园区给几种半导体厂和其他敏感的制造商,采用四回路供电(在变电站SS1的69kV的回路1和2,在变电站DS1的161kV的回路1和2)。
新宇能源开发商(HYED)是一个独立的电力公司,它用一套气轮发电机供电力给三厂。
由于其能力(170兆瓦)有限,该HYED发电机连接到161kV的回路2,并用TPC做后备。
总体来看,HYED的客户能享受到更高的可靠性和较高电能质量,但他们必须支付比TPC高30%的价格。
TPC还通过变电站PS1和PS3,供电给非新竹科学工业园区的客户和周边的县,因此,新竹科学工业园区之外的干扰容易影响园区内部的高科技厂商。
表1给出了由一个由TPC161kV供电的工厂的扰动记录。
在统计数据中,如果线电压下降低于0.85pu超过1毫秒,则记为电压骤降,如果电压低于0.3pu超过5毫秒,则记为电压中断。
从1997到2000的八次停电,两次是由严重的自然灾害导致的TPC系统中断,而剩下的六次是由新竹科学工业园区内的施工及设备内部故障导致的。
为了防止生产中断,大多数工厂在自己工厂内安装了备用发电机和各种类型的不间断电源(UPS)。
表二给出了新竹科学工业园区的几个厂商的备用容量,备用发电机容量和UPS的容量。
然而,即使厂商A有备用电源,从1999到2000间62.7%的电压骤降都对它有影响影响,这些预防措施的成本效益尚不清楚。
图1.HSIP的电能分配的单线简化图(2000年完成)
表1.HSIP内由161KV供电的厂商A的电能干扰统计图
表2.台湾半导体厂商的平均电能储备
在这一刻,共有八个300毫米晶圆代(300-mm-wafer)工厂和其他生产厂家计划在HSIP建设。
对电力的需求包括总电量、可靠性、和质量,将显著增加。
针对这种需求,TPC决定在HSIP内建立一个新的345/161kV变电站为高科技厂家专用。
新的变电站将于2006开始运作。
同时,所有的161kV架空线路改为地下电缆以减少故障。
这些努力会增加供电可靠性和降低电压跌落次数。
有了这些改进,高科技厂商可以用低成本的设备代替一些高成本和高维修的备用电源,例如UPS,来度过电压骤降事件,避免生产过程的中断。
随着地下电缆的增加,与电缆相关的杂散电容也增加,并导致了电压瞬变期间的显著尖峰。
图2示出了根据对HSIP以往调查的瞬态现象,而做出的仿真结果。
在仿真中,在HSIP的161 kV母线的功率因数校正电容器的闭合,并且暂态变化到了下游,使HSIP的480-V总线的厂商产生了严重的尖峰电压,如图2所示。
在现有的文献中,也有人认为,电源电容器的瞬时开关,可能对工业客户的低压母线产生很大的影响并且影响调速驱动器的运行。
上述调查促使本文研究一个合适的控制器,解决瞬态情况下,电压骤降补偿器的设计。
图2.HSIP内厂家的480V母线由于
电容接入
产生的瞬态电压毛刺的仿真
X轴--秒,Y轴--伏特
半导体产业为电压跌落的免疫处理设备经常参照SEMI-F47标准。
表3列出了SEMI-F47标准下电压跌落的持续时间和幅值大小。
表3.电压跌落时间和占正常电压的百分比
图3.提到的半导体设备的度过电压跌落的能力曲线(从0到100秒)
SEMI-F47标准还提出了一个更广泛的度过电压跌落的能力,如图3所示。
由信息技术工业委员会提出的ITI曲线(或CBEMA)表明了单相120-V电器对电压变化和持续时间的耐受性。
为了满足这些标准的要求,已经提出了许多基于逆变器的电压骤降补偿器,使得重要的工业负载,如西门子的动态电压恢复器(DVR),和ABB基于串联补偿器的集成门极换流晶闸管(IGCT)。
为了保证关键负载正常运行,文献中的各种论文强调补偿器在基本周期的一部分的快速响应。
大多数现有的控制方法是使用一个预定电压的大小和高精度锁相环,建立关键符合的三相正弦参考电压。
当负载电压偏离预定的参考电压时,控制器将注入不同的电压,使负载电压仅仅跟随参考电压。
然而,由于功率因数校正电容器开关、断路器开关或闪电,电源电压通常包含瞬态尖峰和振荡,如图2所示。
一些峰值可以达到幅值的200%,并且相关的瞬态振荡可维持一个基本周期。
跌落补偿逆变器的开关频率在低千赫范围(3–5KHz)时,不足以补偿与电压尖峰的窄脉冲。
同时逆变器存在较高的由于过电压损坏的风险。
现有的文献集中在减少补偿电压跌落的响应时间,但并没有解决如何避免被设备开关的激烈的电压毛刺触发。
此外,这些出版物在他们测试的结果中给出了跌落补偿逆变器的所有实际运营情况,因为现有的负载电压可能与预定的参考电压稍有不同,原因可能是各种方面,如电压调节等。
一般来说,工业设施内的电压调节保持在可接受的水平,所以正常的生产不会中断。
正确的跌落补偿电压调节需要增加千伏安等级和逆变器在线操作,这会大大降低了成本效益,和跌落补偿系统的运行效率。
在本文中,提出了一个基于同步参考坐标(SRF)的跌落补偿方案。
该控制器可以精确地计算出平衡或不平衡故障条件下所需的补偿电压,并且负载电压恢复到故障前的水平而没有任何相位延迟。
此外,为了防止被电源的瞬态电压尖峰触发,跌落检测机制的在SRF控制器下实现。
所提出控制方案的性能将通过仿真结果和各种实际条件下实验室测试结果的验证。
2.基于同步参考坐标(SRF)的控制器
图4是电力系统中故障模型的简化电路。
这个电源网络模型是是一个平衡的三相电压源,系统阻抗用
表示。
代表安装在电网上功率因数校正电容。
接在馈线1上的阻抗
表示单相或三相接地故障的电阻。
电压补偿器串接在馈线2上,它补偿关键负载。
正常情况下,旁路开关闭合,关键负载直接由电源供电。
当电压骤降时,因为流过大的故障电流,造成额外的电压降,所以馈线2的电压幅值
将低于正常水平。
在逆变器通过耦合变压器
注入补偿电压之前,控制器将根据测量的
,计算补偿电压,并关闭旁路开关。
负载电压
将恢复到故障前的平衡电压而且没有任何相移。
由于晶闸管的低传导损耗和高浪涌电流能力,它适合实现旁路的开关。
因为晶闸管的额定电流为1000A,与外部交换的典型关断时间是在1毫秒,这足够用于开关了。
图5显示了基于晶闸管的反并联连的旁路开关。
电压跌落补偿逆变器能产生高频电压脉冲来关断晶闸管。
如果跌落补偿逆变器用IGCT逆变器实现,那么,由于IGCT的浪涌电流额定值很高,所以可用IGCT逆变器代替外部的晶闸管旁路作为旁路开关。
图4.测试电压跌落补偿器的简化电路
图5.晶闸管旁路开关和耦合变压器的连接
图6显示了基于SRF变换的补偿控制器,它已被用来实现各种有源滤波器。
测量电网电压
,并变到静止参考下下
静态参考坐标电压
转换到动态参考坐标为
注意,电网的频率
可以由一个锁相环(PLL)电路得到。
正常情况下,电源电压
是三相平衡的。
转化为同步参考坐标系后,他们的同步参考坐标分量
成为直流量。
这些值经过滤后存储为参考值
。
参考电压通过检测实际电压不断更新。
如果电压骤降时,最新更新的参考电压将被锁定,作为计算补偿指令的基值。
参考电压的更多细节将在后面部分给出。
当电压骤降发生时,逆变器需要注入故障电网电压和所需的平衡负载电压之间的差值电压,使负载电压维持在故障前水平。
因此,逆变器的控制电压,计算公式如下:
然后把控制电压
再转换到静止坐标下,并且通过补偿逆变器用PWM合成。
电网电压通常包含由功率因数补偿电容器或其他瞬态切换引起的尖峰。
尤其是在高科技工业园区,地下电力电缆的广泛用于提高供电可靠性。
这些电缆的电容也可能加剧的瞬态电压尖峰。
由于这些尖峰电压的振幅太大(200%),跌落补偿可能触发操作,但跌落补偿器的带宽不足以弥补这些尖峰电压。
此外,跌落补偿器的起动瞬变可能加剧振荡,或补偿逆变器的功率半导体器件可能由于电压尖峰而损坏。
为了避免这种错误启动造成的电压尖峰,应用如图6所示的干扰滤波器(DFS),分别衰减
和
的高频干扰。
滤波器的波特图如图7所示。
为了消除由不平衡电压骤降的负序分量所造成的纹波,过滤器在120Hz有一个缺口。
截止频率设置为200HZ。
图6.基于SRF的补偿控制器
图7干扰滤波器的波特图
为了获得同步坐标下的参考电压
和
,
要经过低通滤波(截止频率在20赫兹),采样间隔为50毫秒,以确保电压骤降前,参考电压
能准确表示负载电压。
一旦检测到电压跌落,抽样过程将被锁定,在采样的现存值将保持,并作为补偿的参考电压。
当故障发生时,产生的电压暂降转化为减少的电源电压正序分量。
正序分量的大小可以计算如下:
如果正序分量值
低于预设值
,骤降补偿逆变器将开始启动。
阈值电压取决于同步坐标下的参考电压
和一个阈值常数
K可设定在0和1之间,它取决于关键负载对电压骤降有多敏感。
通过监测的正序分量的大小,可及时明确的确定电压骤降。
尖峰由干扰滤波器衰减,因此,该补偿器可以避免由于误操作的瞬态电压尖峰。
3.测试平台
基于图4所示的测试电路与图6中的控制器,可得到仿真结果和实验室测试结果。
系统参数如下。
电源:
220V(线–线,RMS),
。
注意,为了在故障时引起较大的跌落,
要足够大。
变压器
把电压变到110V(线–中线,RMS)给负载。
图、8单项接地故障仿真结果
图、9三相接地故障仿真结果
负载:
三相R-L负载,R=280Ω,L=2mH。
补偿器:
传统的三相电源电压逆变器为三极开关。
开关频率
,逆变器输出电压通过变比为1比2(逆变器侧,母线侧)的耦合变压器Tc注入到母线中。
逆变器直流母线电压由连接交流线的整流器末端改变。
4、仿真结果
基于图4所示电路,单相接地短路和三相接地短路通过SFR控制器的滞后补偿功能进行仿真验证。
接入电容Cpf也要经过DF和滞后探测器的有效性模拟测试。
所有的模拟都在ATP-EMTP平台上进行。
A单相接地故障
为了模拟有单行接地故障引起的电压滞后,进线1的A相的接地阻抗Zf在t=0.8s时会产生一个滞后的电压如图8所示。
由于单线接地故障,Vsa、Vsb、Vsc的幅值由正常值的155V(峰值)155V(所有的峰值)分别减少到97.2,136.9V。
控制器的阈值电压Vth设置为90%(k=0.9)的正常电压,当故障发生正序电压Vpos下降到Vth后5ms,t=0.805s时电压滞后触发逆变触发器动作。
逆变器注入补偿电压保持负载电压Vla,Vlb,Vlc在1.0标幺值且没有相位的改变。
为了检测系统不受尖峰电压的影响,电容Cpf在t=0.7秒是打开。
大的电压峰值可以在电源电压和负载电压处被观测到如图8(a)和(b)所示。
尖峰峰值达到-250v的时。
如图8(c)所示,补偿器并没有被触发,因为高频率峰值被正序分量电压的幅值Vpos所抑制。
由于在电容Cpf开启后线电压增长不多,阈值电压Vth也会在t=0.75s是更新增长。
B三相故障
所有三相进线一通过故障阻抗Zf接地,来模拟三相接地故障。
如图9(a
)所示,所有三相电压幅值由155V减少到87.1V。
正序分量电压幅值Vpos在逆变器于t=0.8007s(即故障发生后0.7ms)启动后大幅减少,如图9(c)所示。
负载电压被补偿为1.0pu且没有任何的相位的改变,如图9(b)所示。
功率因素修正电容Cpf在t=0.7s时打开。
如图9(a)所示为电压尖峰达到-250v后的结果。
滞后补偿并没有触发,因为尖峰在滞后探测器中衰减,Vops的水平受影响很少,如图9(c)所示。
阈值电压Vth在t=0.75s更新时减少,因为线电压在电容Cpf开启后减少的很小。
图10单相接地故障实验测试结果
图11三相接地故障实验测试结果
5、验证试验结果
测试在实验室中进行以对所提出的补偿方案进行探讨。
电路图如图4所示。
控制器由来自德州电器的TM320C240数字信号处理器来实现。
额定负载电压为110V(有效值,中性线)补偿器由三相开关IGBT逆变器来输出逆变波形。
A单相接地故障
如图4所示A相故障阻抗Zf是模拟单相接地故障。
如图10(a)所示三相电压Vsa、Vsb、Vsc在单相接地故障发生后由158V(峰值)158v(所有的峰值)分别变为108V和151.2V。
负载电压Vla,Vlb,Vlc在故障发生时瞬时下降。
负载电压的下降由控制器立即感知,在故障发生后4.2ms逆变器启动注入补偿电压,所以负载电压被修复到1.0pu如图10(b)所示。
逆变器的补偿电压如图10(c)所示。
B三相接地故障
所有三相由阻抗Zf接地,以模拟三相接地故障。
如图11(a)所示,三相电源电压在三相接地故障发生后由158V(峰值)下降到108V(峰值)。
控制器可以迅速感应电压下降在故障发生后1ms启动逆变器注入补偿电压。
负载电压可以立即被补偿到1pu且平衡,如图11(b)所示。
逆变器的补偿电压如图11(c)所示。
如图12所示补偿器在故障发生后的所有相应补偿很清晰。
电源电压Vsa在故障发生后大约100ms后下降到108V。
逆变器注入补偿电压
以提升负载电压Vla使其在故障中保持在正常值。
故障完结后,电源电压Vsa回到正常值,逆变器注入电压减少到0,控制器接着会关闭逆变器。
负载电压Vla在故障中甚至在转换中都保持在1pu。
C瞬态电压峰值
电容Cpf为电路的一个开关,用来创造瞬态电压尖峰如图13(a)所示。
在图13(b)中尖峰电压达到200v巨大的尖峰同步于相关框架d轴电压
。
尖峰流过滤波器时发生衰减,因此在
上仅可以观察到很小的扰动,当电容开关打开的时候。
降落探测器在实际的电压骤降中成功的区分出了瞬态电压峰值。
如图13(b)所示,补偿器的触发器不受瞬态电压的影响。
注意到直流分量
改变很少是因为在电容开关打开后线电压增加。
图13由电容开关产生的瞬态电压峰值
D测试继电器敏感性
继电器被广泛应用到工业自动化领域。
根据报告指出在电压下降时的继电器跳闸是造成半导体机器损坏的主要原因。
广泛应用的继电器OMRONLY4J(100v/110Vac)连接110v负载母线到测试台如图14所示以激励继电器线圈,30v直流源和负载阻抗连接到继电器。
为了测试继电器的敏感性,补偿器被故意的关掉了。
如图15(a)所示Vsa、Vsb由110v减少到55v而补偿电压
保持为0。
继电器在电压下降后10ms后启动因此,Vr由30v下降到0。
Vsa和Vla在故障结束后回到110v。
继电器返回且Vr回到30v
如图15(b)所示补偿器被测试结果所激活。
当Vsa发生50%的电压下降的时候,补偿器注入补偿电压1.5ms来保持负载电压Vla在110v如图15(b)所示。
继电器在整个故障期间保持稳定没有扰动。
图14测试继电器敏感性的装置平台
6.结论
一个基于SFR的电压降落补偿方案和对扰动不敏感的探测器已经被提出。
仿真结果和实验室测试结果显示所提出的系统可以有效地补偿平衡或者不平衡电压降落通过基本的框图。
干扰滤波器有效地衰减了电网的瞬态尖峰电压所以补偿器不会被触发。
大多数电压补偿逆变器缺少有效的带宽来补偿瞬态峰值。
而且这样的尝试可能损坏逆变器的晶体管。
此外,工业负荷通常依靠浪涌保护器件,例如MOV以避免损坏。
MOV保护的典型电压水平为1.6pu-2.0pu。
这正适合与浪涌保护。
所提出的SFR控制器可以避免由瞬态电压峰值引起的误触发。
所提出的理论利用SPF变换把基波电压中的正序分量转化为直流分量。
应用干扰滤波器的可以达到衰减高频瞬时尖峰电压和120hz负序分量的脉动的效果,且直流分量不变。
因此,相关电压
和
为希望得到的正序电压没有任何的相角的·延迟和幅值的衰减。
补偿器会使负载电压达到故障前的水平。
基于SFR的方案在不变的框架中或者三相框架中处理电压信息有明显的优势。
因为任何适用于正弦电压波形的滤波器都会导致相角的延迟和幅值的衰减。
因此,基于SFR的控制器可以有效地抑制高频瞬态电压峰值来保持精度和补偿的灵活性。
在电压补偿器的现场操作中这是至关重要的,但是现有的文献并没有解决这个问题。
本文以台湾高新技术园区为例,说明了这个问题。
并提出了有效的解决方案。
选择性的干扰滤波器在台湾有着特别的要求,因为高科技生产设施通过电缆供电。
众所周知这会产生高的瞬态电压峰值。
现有的参考文献使用预定的相关电压作在线补偿。
所以任何电压的偏差包括电压调节和瞬态电压峰值会被补偿。
所提出的SFR控制器可以动态更新相关电压,和阈值电压水平。
因此,补偿器只会在电压骤降并导致正序电压分量大幅减少时才会动作。
只要调节电压在一个可以接受的范围内,负载就会正常运行。
补偿器就会关闭。
本文的离线补偿器的设计相对于现有的补偿器设计来说有较高的成本收益和能源效率。
降落容忍标准如ITI(CBEMA)曲线11和SEMI-F47已经在工业领域被广泛接受。
如图16所示,比较SEMI-47标准和在实验室中测量的系统的补偿能力。
提出的系统可以提供1.0pu的负载电压,在平衡或者不平衡电压骤降中。
图15继电器敏感性实验结果
图16
对于台湾的高新技术产业来说,基于逆变器的电压骤降补偿可能为将来的解决方案。
固态开关STS也是一种有效地解决办法。
但是公共事业公司可能无法提供备用的电源来满足目前STS的要求。
未来的工作包括:
探索在补偿器补偿带宽下低频瞬态电压补偿的可能性。
探索基于SFR控制方案的零序电压补偿能力。
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- 实际 电源 条件下 串联 电压 降落 补偿 设计 实现 要点