屈憲軍1，劉  謙2，丁屹峰2，于希娟2，韓  帥2

　　（1.國網北京市電力公司，北京100031；2.國網北京市電力公司電力科學研究院，北京100075）

　　摘  要： 電壓暫降是目前最重要的電網電能質量問題之一。本文通過直流調速系統的傳遞函數分析，建立其系統模型，然后對該調速系統的電壓暫降設備敏感度進行了研究，分析了該系統對不同電壓暫降深度、持續時間的設備敏感度，對轉矩、轉速、電樞電流等運行特性進行了敏感度研究。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時間等三種條件下進行了兩類直流調速系統暫降敏感度的數值驗證。結果顯示，電壓暫降會導致電機轉速的下降及轉矩的擾動，從而影響該調速系統的穩定運行。

　　關鍵詞： 直流調速系統；電壓暫降；轉速；設備敏感度

0 引言

　　電能質量是21世紀現代電網的關鍵特征之一。作為電能質量一個重要方面,電壓暫降(也有稱電壓凹陷或電壓驟降), 是指在工頻條件下電網電壓有效值(RMS)快速下降到額定值的10%～90%范圍內,其典型持續時間為半個工頻周期到數秒鐘[1]。近年來, 由于敏感供用電設備的大量應用，電壓暫降給電力系統和用戶造成了一系列嚴重問題。幅值略低于80%、持續幾個周波的電壓暫降就會導致部分計算機設備和電子設備跳閘，電壓暫降還會引起三相變壓器、感應電機、風力發電雙饋發電機、交直流調速系統以及不同各類工業設備的運行異常，電壓暫降給大量電力系統和用戶造成了重要影響[2]。由于自動化過程中電壓敏感負荷激增，電壓暫降給工業用戶帶來巨大經濟損失。據有關文獻統計，近年來電壓暫降問題已占所有電能質量問題的70％-90％，而其引起的用戶投訴占所有電能質量問題投訴數量的80％以上，已成為國內外電工領域的一項重要研究課題[3-5]。

　　直流調速系統具有過載能力大、調速平滑及能承受頻繁的沖擊負載等優點，較好地滿足了實際生產過程中的各種運行情況，為調速系統的重要形式之一[6]。然而，電機受電壓暫降的影響較大，其許多運行特性都對其輸入電壓較敏感。鄧建國等[7]基于感應電動機的等效模型，通過仿真方法研究了電壓暫降下三相感應電動機的瞬態過程，發現暫降幅度對沖擊電流和沖擊轉矩大小的直接影響規律。異步電動機的各種運行特性受電壓暫降的影響也較大，包括轉矩、運行效率[8-9]。考慮無刷直流電機及驅動電路的模型，文獻[10]研究了電壓暫降對無刷直流電機驅動的動態特性影響。

　　本文將主要分析直流調速系統的電壓暫降設備敏感度。首先分析直流調速系統的傳遞函數，建立其系統模型，然后對該調速系統的電壓暫降設備敏感度進行研究，分析該系統對不同電壓暫降特征量的設備敏感度，對轉矩、轉速、電樞電流等運行特性進行敏感度研究。

1 直流調速系統模型

　　直流調速系統主要可分為開環、閉環、單環、雙環等，其中，開環系統、雙閉環系統最為典型。開環系統用傳遞函數可表示為如圖1所示。

　　其中, n為轉速，Ud為電壓暫降等供電電壓擾動導致的整流輸出電壓變動，Ud0、Id為電樞電壓、電流，Ce為電機在額定磁通下的電動勢轉速比，R為系統的總電阻。E是電機反電動勢，T1為時間常數，Cm為一常系數。由于電機轉矩與電樞電流為近似線性關系，故通過轉矩可分析電樞電流的變化規律。

　　在電壓暫降發生時，由于開環系統不存在反饋環節，擾動電壓Ud將直接作用于電機上，并引起Ud0的下降，導致轉速n的下降，電樞電流和轉矩也會相應降低。由于開環系統的機械特性較軟，很多時候不能滿足工業生產的要求。

　　工程上常采用轉速、電流雙閉環系統，結構如圖2所示，實現無靜差調速。其中ASR為轉速調節器，ACR為電流調節器，均采用PI調節器，其傳遞函數為：W(s)=。

　　在此閉環調速系統中，擾動電壓Ud首先作用于電流內環，電樞電壓Ud的擾動將直接導致Id的相應變化。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模型，若電流環設計為典型Ⅰ型系統，則擾動模型如圖3所示。其擾動傳遞函數為：

　　考慮擾動為單位階躍擾動，即Ud(s)=1/s，則擾動模型的輸出響應為：

　　由圖4可發現，單位階躍電壓擾動產生電流輸出223%的超調量，調節時間為0.054 s，即發生階躍擾動0.054 s后電樞電流擾動才能減小至5%。另外，由于電流環采用PI的反饋調節控制，電樞電流的穩態偏差為0。在外部電壓擾動的作用過程中，由于其電壓變化量Ud(s)是直接作用于電流環內，因而導致電樞電流Id的較大擾動Id(s)，但是雙閉環調速系統通過電流負反饋使其得到及時的調節，而不需要在其影響到轉速后才進行調節，這使得其抗擾性能比單環系統有了較大提高，且通過反饋實現穩了態無偏差。如果電壓暫降擾動較大，則電流環無法通過負反饋控制及時完成Id(s)的有效調節，此時Id(s)的變化就導致電機轉速n(s)的較大擾動，則轉速環負反饋起調節作用。這樣，在電壓暫降的大擾動情況下，雙閉環系統通過轉速、電流雙反饋有效保證了轉速、轉矩的穩定，具有相對較好的抗擾性。

2 直流調速系統的電壓暫降設備敏感度分析

　　電壓暫降主要有兩個特征量：暫降深度、暫降持續時間。暫降深度反映電壓暫降的劇烈程度，常以暫降后系統殘留電壓和額定電壓的百分比表示。暫降持續時間是指從電壓有效值下降到低于正常值90%所持續的時間。針對這兩個特征量，下面將對開環、雙閉環系統的電壓暫降設備敏感度以及運行特性影響進行仿真算例分析。

　　2.1 正常電壓下的運行特性分析

　　在正常電網電壓下，開環、雙閉環直流調速系統的啟動與運行特性如圖5所示，圖中實線為轉矩（N·m），虛線為轉速（rad/s），橫坐標為時間（s），下同。

　　從圖5可發現，與開環系統相比，雙閉環系統的啟動特性較理想，啟動時間由5.8 s縮短到1.9 s，實現了系統的快速啟動。

　　2.2 不同電壓暫降深度下的運行特性分析

　　系統在啟動仿真的8.0 s處開始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降，而電壓暫降持續時間設置為0.5 s，暫降深度則分別設置為85%、70%，此時開環、雙閉環系統的運行特性分別如圖6所示。

　　由圖6（a）發現，開環系統的轉速由322 rad/s降至279 rad/s，轉矩也發生了大幅短視時下降，由148 N·m降至61 N·m，在電機反電動勢的作用下，逐漸上升。當暫降在7.5 s處結束后，在正常電壓的作用下轉矩瞬時回升，并產生超調，之后轉速逐漸恢復正常值，12 s時重新恢復到暫降前的狀態。由圖6（b）可見，雙閉環系統中85%暫降對轉速影響幾乎可忽略，轉矩在暫降的起止時刻有較小的短暫波動，對系統運行無明顯的影響。由圖6（c）可發現，深度暫降對雙閉環系統的轉速、轉矩擾動仍較大, 轉速由287 rad/s降至254 rad/s，轉矩也發生了大幅短時下降，由148 N·m降至115 N·m，設備敏感度較高。

　　2.3 不同電壓暫降持續時間下的運行特性分析

　　系統在啟動仿真的7.0 s處開始，外部電壓由正常電壓改為電壓暫降作用，電壓暫降深度設置為75%、持續時間分別設置為0.5 s、1.5 s和2.5 s，此時開環、雙閉環系統的運行特性分別如圖7(a)~(d)所示。

　　由圖7(a)、(b)可知，持續2.5 s的電壓暫降比0.5 s的電壓暫降所造成的開環系統轉速跌落要大，前者轉速從322 rad/s降至201 rad/s，而后者只降至279 rad/s，即暫降持續時間越長，轉速跌落值越大。轉矩在暫降開始時刻迅速由148 N·m降至40 N·m，之后轉矩由于反饋系統逐漸上升，暫降結束時轉矩瞬時上升，并導致轉速的快速恢復。同時，不同暫降持續時間的轉速恢復時間不同，2.5 s暫降較0.5 s暫降的恢復時間要長。由圖7(c)、(d)可見，在持續時間為0.5、2.5 s的暫降作用下，雙閉環系統轉速分別由291 rad/s降至280 rad/s、251 rad/s和249 rad/s，在暫降過程中轉矩基本保持穩定，暫降結束時，轉矩瞬時變大，使轉速迅速恢復暫降前的值，暫降結束后0.5 s內可恢復到暫降前的轉速。

　　通過上述算例發現，在電壓暫降的作用下，開環、雙閉環直流調速系統的轉速、轉矩均產生了不同程度的降落，影響系統的正常運行。盡管雙閉環系統具有電流、轉速雙反饋環，但在較大深度和較長持續時間的嚴重電壓暫降作用下，其運行特性仍表現出較大的擾動。

3 結論

　　隨著新技術、新工藝在生產中的廣泛應用以及新型電力負荷的迅速發展，用戶對電能質量的要求日益提高，電壓暫降逐漸成為導致計算機設備、調速系統等敏感負荷生產故障的主要原因，是最為突出的電能質量問題之一。因此，研究直流調速系統等敏感負荷的電壓暫降設備敏感度及擾動下的實際運行特性，對這些設備抗擾動和穩定運行具有重要意義。本文研究結果顯示，電壓的暫降深度、持續時間對開環、雙閉環直流調速系統的實際運行具有明顯影響。輕微的電壓暫降就會引起開環系統的運行特性惡化，擾動結束后的恢復時間也較長。相比而言，雙閉環系統對較淺和較短時的電壓暫降，其運行特性基本維持正常，但對于低于60%、持續時間大于0.5 s的嚴重電壓暫降，其轉速特性、轉矩等仍嚴重偏離正常值, 即該設備的暫降敏感度較高，需要考慮采用改進技術提高設備的低電壓穿越能力，或者采用DVR等動態補償設備提高電源的電能質量水平。

參考文獻

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