城市轨道交通电梯暂态电能质量的治理

鲁玉桐，刘 辉，崔霆锐，刘 博，陈小佳

(1.北京市地铁运营有限公司，北京 100044 ；2.北京地铁运营技术研发中心，北京 102208；3.北京三得普华科技有限责任公司，北京 100085)



管理及其他

城市轨道交通电梯暂态电能质量的治理

鲁玉桐1，刘 辉2，崔霆锐2，刘 博2，陈小佳3

(1.北京市地铁运营有限公司，北京 100044 ；2.北京地铁运营技术研发中心，北京 102208；3.北京三得普华科技有限责任公司，北京 100085)

采用超级电容器作为储能技术,利用Boost升压技术将超级电容器结合到运行状态良好的动态电压恢复器上，为DVR的逆变器提供直流电。样品检验和现场调试都验证了整套设备可以全方位彻底消除各类暂态电能质量问题对电梯运行可靠性造成的影响，从而在本质上提高了地铁整体的运营安全性。

暂态电能质量；超级电容器

1 DVR工作原理和基本结构

动态电压恢复器(DVR)是一种串联型电压补偿装置，其基本结构如图1所示，主要有储能系统、逆变单元、滤波器和变压器四部分组成。该装置通过检测电网侧电压生成指令信号，对逆变器进行控制，产生需要的补偿电压，在经过滤波电路和变压器，通过串联方式叠加到负载电路中，从而确保负载电压的质量。核心部分为电压源逆变器，当电网电压发生突变时，DVR通过对直流电源的逆变产生交流电压，并与原来的故障电压叠加来保障负载侧电压正常稳定，这样就达到消除电网电压突变对后续负载的影响。

图1 动态电压恢复器装置的结构图

直流侧储能系统是DVR需要向电网输出补偿电压时，逆变器的能量来源，可以作为直流储能系统的有蓄电池、超级电容器、超导储能装置以及飞轮储能装置等，由于超级电容器使用寿命长、功率密度高、低温特性好等显著特点，适用于地铁特殊的工况，所以DVR的储能系统选择器件特性界于电池和电容之间的超级电容器；逆变器是DVR装置的电压转化单元，输出补偿交流电，逆变器单元既可以是三相桥式逆变器，也可以使用三个独立的单相全桥逆变器，使用三相桥式逆变器的DVR，结构紧凑，开关器件使用少，但是三相脉冲需要统一控制，不能互相独立，无法补偿零序电压，而在三个单相结构中，三相电压之间完全独立，可向线路注入正序、负序和零序补偿电压，更灵活地对三相电压和电流进行控制，并提供对系统电压不对称情况的补偿；DVR的输出滤波器消除输出电压的高次谐波成分，减少和避免DVR对电网造成二次污染，保证负载侧获得比较纯正的正弦交流电，DVR的输出滤波器通常采用LC滤波器，根据位置不同可分为逆变器侧和线路侧两种，工业上通常在逆变器侧安装LC滤波器，这样更靠近谐波源，可以直接从源头上滤除高次谐波；DVR通过串联变压器实现供电系统与敏感负荷之间的连接，同时可以采用升压变压器从而降低直流侧电压等级，另外，变压器还起到对逆变器和电网的电气隔离作用，提高整个装置的可靠性，无串联变压器的DVR主要适用于低压系统中。

2 电压跌落的检测

DVR电压跌落的检测算法应该能迅速、准确地检测出电压跌落的起止时刻，电压幅值跌落的深度以及电压跌落时的相角跳变，才能在电压跌落发生的瞬间迅速将动态电压恢复器投入运行，而当供电电压恢复到正常水平时则退出运行。敏感负荷对电压幅值的跌落和敏感，因此传统的有效值计算方法只注重对电压幅值的监测，但有效值计算方法至少需要半个周期的历史数据，有一定的时延，因此它不能准确地给出电压跌落的起止时刻，更不能反映电压跌落时可能出现的相角跳变和不对称。用离散傅里叶分析方法可以计算出电压的幅值和相位角，但该方法也需要一个工频周期的数据，在电压跌落时难以保证其电压值的实时性。基于“abc-dq”变换的检测算法可以瞬时确定电压的有效值，根据dq坐标系下的直流分量的均方根与标准电压进行比较，从而判断电压幅值是否下降，添加锁相环可以准确地检测出基波正序分量相角的跳变。由于滤波器的响应延时是不可避免的，因此对算法稍作改进，其改进框图如图2所示，从分离出的两个直流分量可以得到基波正序分量的相角信息，进而可以得到dq轴的参考值，其公式如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

图2 基于Park变换的电压检测算法

2 电压补偿算法

理想的DVR是当电网侧电压发生骤降后，以骤降前的负载侧电压为参考电压，输出补偿电压，使负载侧电压和骤降前保持一致。常用的补偿方法有完全补偿、同相位电压补偿和最小能量补偿。完全电压补偿是指补偿后电压可完全恢复至电压变化前的值，其中期望的瞬时电压可以通过锁相环来实现，但当骤降幅值过大或相角偏移过大时很难实现，同时其经济性也较差，实际中很少采用；同相位电压补偿电压与瞬时电压同相位，只能进行幅值的补偿，不能补偿相角变化，无法适用于相位波动敏感的负荷，但实现简单，补偿速度快，在相位波动不敏感的场合应用广泛；最小能量补偿通过引入无功功率来实现补偿，采用与网侧电压有一个合适的的相位超前的电压注入可以减少有功交换，通过使补偿器提供的有功功率最小化来实现电网提供的有功功率最大化，使电网的功率因数增加，本文从单相角度出发，采用最小能量注入补偿策略中。

3 逆变器控制策略

逆变器信号经PWM电路形成PWM驱动信号，从而控制逆变单元各功率器件的开通和关断，当DVR装置检测到电网电压有偏差时，与标准正弦电压比较产生补偿电压指令。逆变器产生的补偿量实时跟踪指令信号的变化，常用的跟踪PWM的控制方法有两种：三角波比较方式和瞬时值滞环比较方式。三角波比较方式直接采用三角波做载波，对指令信号进行调制实现正弦脉宽调制，比较适用于调制普通工频正弦信号，调制不同于工频正弦信号时效果不够理想；而滞环比较方式将参考电压和负载电压的反馈信号进行比较，将两者的差值作为滞环比较器的输入，由滞环比较器产生信号用以控制开关管通段的PWM，从而控制负载电压跟踪参考电压变化，瞬时值滞环比较方式能够很好的实现电压补偿，中间环节少，控制响应速度快，时间短，能够很好地保证负载电压跟随参考电压，其原理图如图3所示：

图3 滞环比较方式PWM控制原理

4 结 论

本文在考虑地铁供电特殊工况，提出了利用Boost升压技术将超级电容器结合到具有良好工作特性的动态电压恢复器中，通过理论分析，方案设计和样机在地铁霍营站的调试验证了暂态电能质量补偿装置可以全方位彻底消除各类暂态电能质量问题对电梯运行可靠性造成的影响，实现了在本质上提高地铁整体的运营安全性。

[1] 张春凤. 动态电压恢复器的理论研究及其仿真[D]. 合肥:合肥工业大学, 2007.

[2] 王同勋, 薛禹胜,S.S.CHOI. 动态电压恢复器研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(9): 101-107.

[3] 郭上华, 黄纯, 王磊, 曹国剑. 电压波动和闪边的检测与控制方法[J]. 继电器, 2004, 32(3): 45-48.

[4] 彭春萍, 陈允平, 孙建军. 动态电压恢复器及其检测方法的探讨[J]. 电力自动化设备, 23(1): 68-71.

[5] 徐爱亲. 动态电压恢复器(DVR)系统建模及控制策略研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2010.

2016-02-02

鲁玉桐(1970-)，硕士，高级工程师。

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