变频器电压暂降耐受特性的试验及量化方法

征稿通知

第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

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联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院）的研究人员唐松浩、陶顺、刘颖英、陈聪、肖湘宁，在2019年第10期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“变频调速器电压暂降耐受特性试验及量化方法研究II：试验及量化方法”），量化电压暂降对变频调速器的影响，有针对性地提出应对和改进措施，已成为电网公司、电力用户和制造商共同关心的重要问题。

基于Part I的试验方法，该文选取中国市场上4种主流品牌变频调速器作为受试设备，通过对10716组试验数据进行综合分析与处理，得出典型变频器耐受特性曲线。

特别是，考虑到实际存在的电压暂降特征和负荷波动的随机性及不同变频调速器（ASD）产品参数分布的差异性，基于对试验数据的统计分析，量化了ASD电压暂降耐受度的不确定性，得到了模糊区域的故障概率，为用户电压暂降影响程度的量化评估、经济损失评估以及治理方案经济性分析提供参考依据。

变频调速器（Adjustable Speed Driver, ASD）是电压暂降敏感设备之一，当其经受电压暂降时，相关生产过程可能发生中断，这不仅涉到经济损失，还涉及更严重的安全问题。因此对ASD的电压暂降耐受特性进行试验，量化电压暂降对ASD的影响，对电力用户安全生产以及设备制造商的产品改进均具有重要的意义。

目前，对于ASD电压暂降耐受特性的研究国外开展较多，国内相关研究较少。文献[6-11]通过试验研究，分析了电压暂降对ASD的影响及暂降耐受特性。

其中，文献[6]主要研究了电压暂降时电机负载特性对ASD转速的影响，但并未得到耐受特性曲线；文献[7]测试了不同的暂降类型对ASD的转矩、转速以及直流侧电压的变化情况，未进一步分析耐受能力；文献[8]通过建立测试系统，从能量角度研究了相位跳变、三相电压不平衡、负荷特性对ASD的影响，并得到了不同转矩、转速下的耐受特性曲线，但只考察了一台ASD。

文献[9]对多种不同功率的ASD进行了试验，研究了不同电压暂降类型下转矩对设备耐受度的影响，并给出了提升设备暂降穿越能力的建议，但考察的影响因素不全面；文献[10-11]开展了多种电压暂降类型、电压暂降形状对ASD的影响试验，同时还考察了暂降起始点，ASD控制策略，转矩、转速、负荷类型对ASD耐受特性的影响，但所涉及的电压暂降特征量不全面且未考虑ASD保护的影响。

随着技术的进步，ASD在主电路设计、控制保护等方面均有了较大改变，以往研究获取的ASD暂降耐受曲线需通过新的试验数据更新。同时，受源侧参数、负荷及ASD制造厂商等多种不确定性因素影响，有必要对ASD暂降耐受特性的不确定性开展深入研究。

目前还没有对ASD暂降耐受能力或低压穿越能力做出规范的国家标准，仅有国网公司对ASD的低电压穿越能力做出了技术规范，但其只是针对大型汽轮发电机组一类辅机变频器，对一般的变频器是否具有通用性尚需考虑。

针对变频器的耐受曲线，早期的IEEE Std 1346 1998中给出了变频器耐受曲线上下限和平均值。文献[14]在相关标准的基础上，结合生产规范给出了Type Ⅲ型ASD的耐受特性曲线。CIGRE/CIRED/UIE联合工作组C4.110关于设备电压暂降免疫能力的工作报告中给出了五种免疫等级的耐受曲线，可用其中一种曲线来描述一般设备的耐受能力，但其是否适用变频器仍需验证。

本文基于Part I提出的分区段全参数ASD电压暂降耐受特性试验方法，选取中国市场上四种主流品牌ASD开展试验，取得典型ASD电压暂降耐受度曲线；并进一步针对实际中存在的源侧参数的多样性、负荷的波动性及不同制造厂商ASD的差异性问题，通过对10 716组试验数据统计分析，量化了ASD暂降耐受度的不确定性，并得到模糊区域的故障概率，为用户电压暂降影响的严重程度评估、经济损失评估以及治理方案经济性分析提供参考依据。

图1  ASD电压暂降耐受特性试验平台

结论

本文通过对ASD电压暂降耐受特性测试结果分析，验证了机理分析的正确性，掌握了ASD电压暂降耐受特型影响因素及特征；量化了耐受特性概率模型，为设备标准制定，用户生产过程免疫能力评估，电压暂降经济损失的评价、治理决策提供依据。具体结论如下：

1）ASD的保护策略对其耐受特性影响较大，低电压保护阈值越低，过电流保护阈值越高，ASD对电压暂降的耐受度越高，两者需要合理配置，才能使设备耐受力最大化；控制策略对ASD有一定影响，相比于U/f控制，矢量控制下ASD的电压暂降耐受力有一定的提升。

2）ASD驱动负载的转矩以及转速对ASD的耐受度影响较大，负载越小，ASD的耐受度越高。在工况允许的条件下，降低ASD运行的负载转矩或转速，可以提升其耐受度。

3）电压暂降特征量中，电压暂降类型对ASD的影响较大，暂降相越多耐受度越低；暂降事件前电压幅值以及事件后暂降分别影响ASD耐受特性曲线的持续时间及电压幅值；暂降中谐波含量对设备的耐受度影响有限；波形起始点、相位跳变对不可控整流型ASD影响较小。

4）目前市场上的低压ASD设备的电压暂降耐受能力有所提高，以往的ASD耐受曲线太过保守，不同参数下并不完全适用；国内外不同品牌相同参数ASD的电压暂降耐受特性趋势相同，但耐受度差异较大。

5）基于大量试验数据结果，提取了ASD的电压暂降耐受度曲线，针对三相暂降，分别统计故障样本数据点在B区和C区上的分布概率，为明确ASD耐受力提供数据支撑，以及为后续的电压暂降严重程度定量评估与预测提供重要的参考依据。

受限于试验条件，本文选取的ASD均为7.5kW设备，所得到的耐受度量化结果可作为同类容量设备的参考依据。结合本文Part I和Part II的分析，将继续对其他容量等级设备及全控型ASD开展研究，同时深入研究Type Ⅰ、Type Ⅱ概率模型，进一步提高耐受曲线及概率模型的适用性。