屈宪军1，刘 谦2，丁屹峰2，于希娟2，韩 帅2

　　（1.国网北京市电力公司，北京100031；2.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京100075）

　摘 要：电压暂降是目前最重要的电网电能质量问题之一。本文通过直流调速系统的传递函数分析，建立其系统模型，然后对该调速系统的电压暂降设备敏感度进行了研究，分析了该系统对不同电压暂降深度、持续时间的设备敏感度，对转矩、转速、电枢电流等运行特性进行了敏感度研究。最后利用MATLAB仿真，在正常电压、不同电压暂降深度和电压暂降持续时间等三种条件下进行了两类直流调速系统暂降敏感度的数值验证。结果显示，电压暂降会导致电机转速的下降及转矩的扰动，从而影响该调速系统的稳定运行。

关键词： 直流调速系统；电压暂降；转速；设备敏感度

0 引言

　　电能质量是21世纪现代电网的关键特征之一。作为电能质量一个重要方面,电压暂降(也有称电压凹陷或电压骤降), 是指在工频条件下电网电压有效值(RMS)快速下降到额定值的10%～90%范围内,其典型持续时间为半个工频周期到数秒钟[1]。近年来, 由于敏感供用电设备的大量应用，电压暂降给电力系统和用户造成了一系列严重问题。幅值略低于80%、持续几个周波的电压暂降就会导致部分计算机设备和电子设备跳闸，电压暂降还会引起三相变压器、感应电机、风力发电双馈发电机、交直流调速系统以及不同各类工业设备的运行异常，电压暂降给大量电力系统和用户造成了重要影响[2]。由于自动化过程中电压敏感负荷激增，电压暂降给工业用户带来巨大经济损失。据有关文献统计，近年来电压暂降问题已占所有电能质量问题的70％-90％，而其引起的用户投诉占所有电能质量问题投诉数量的80％以上，已成为国内外电工领域的一项重要研究课题[3-5]。

　　直流调速系统具有过载能力大、调速平滑及能承受频繁的冲击负载等优点，较好地满足了实际生产过程中的各种运行情况，为调速系统的重要形式之一[6]。然而，电机受电压暂降的影响较大，其许多运行特性都对其输入电压较敏感。邓建国等[7]基于感应电动机的等效模型，通过仿真方法研究了电压暂降下三相感应电动机的瞬态过程，发现暂降幅度对冲击电流和冲击转矩大小的直接影响规律。异步电动机的各种运行特性受电压暂降的影响也较大，包括转矩、运行效率[8-9]。考虑无刷直流电机及驱动电路的模型，文献[10]研究了电压暂降对无刷直流电机驱动的动态特性影响。

　　本文将主要分析直流调速系统的电压暂降设备敏感度。首先分析直流调速系统的传递函数，建立其系统模型，然后对该调速系统的电压暂降设备敏感度进行研究，分析该系统对不同电压暂降特征量的设备敏感度，对转矩、转速、电枢电流等运行特性进行敏感度研究。

1 直流调速系统模型

　　直流调速系统主要可分为开环、闭环、单环、双环等，其中，开环系统、双闭环系统最为典型。开环系统用传递函数可表示为如图1所示。

　　其中, n为转速，Ud为电压暂降等供电电压扰动导致的整流输出电压变动，Ud0、Id为电枢电压、电流，Ce为电机在额定磁通下的电动势转速比，R为系统的总电阻。E是电机反电动势，T1为时间常数，Cm为一常系数。由于电机转矩与电枢电流为近似线性关系，故通过转矩可分析电枢电流的变化规律。

　　在电压暂降发生时，由于开环系统不存在反馈环节，扰动电压Ud将直接作用于电机上，并引起Ud0的下降，导致转速n的下降，电枢电流和转矩也会相应降低。由于开环系统的机械特性较软，很多时候不能满足工业生产的要求。

　　工程上常采用转速、电流双闭环系统，结构如图2所示，实现无静差调速。其中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，均采用PI调节器，其传递函数为：W(s)=。

　　在此闭环调速系统中，扰动电压Ud首先作用于电流内环，电枢电压Ud的扰动将直接导致Id的相应变化。以Ud(s)为输入量，电流偏差量Id(s)为输出量，可建立电压暂降的电流扰动模型，若电流环设计为典型Ⅰ型系统，则扰动模型如图3所示。其扰动传递函数为：

　　考虑扰动为单位阶跃扰动，即Ud(s)=1/s，则扰动模型的输出响应为：

　　由图4可发现，单位阶跃电压扰动产生电流输出223%的超调量，调节时间为0.054 s，即发生阶跃扰动0.054 s后电枢电流扰动才能减小至5%。另外，由于电流环采用PI的反馈调节控制，电枢电流的稳态偏差为0。在外部电压扰动的作用过程中，由于其电压变化量Ud(s)是直接作用于电流环内，因而导致电枢电流Id的较大扰动Id(s)，但是双闭环调速系统通过电流负反馈使其得到及时的调节，而不需要在其影响到转速后才进行调节，这使得其抗扰性能比单环系统有了较大提高，且通过反馈实现稳了态无偏差。如果电压暂降扰动较大，则电流环无法通过负反馈控制及时完成Id(s)的有效调节，此时Id(s)的变化就导致电机转速n(s)的较大扰动，则转速环负反馈起调节作用。这样，在电压暂降的大扰动情况下，双闭环系统通过转速、电流双反馈有效保证了转速、转矩的稳定，具有相对较好的抗扰性。

2 直流调速系统的电压暂降设备敏感度分析

　　电压暂降主要有两个特征量：暂降深度、暂降持续时间。暂降深度反映电压暂降的剧烈程度，常以暂降后系统残留电压和额定电压的百分比表示。暂降持续时间是指从电压有效值下降到低于正常值90%所持续的时间。针对这两个特征量，下面将对开环、双闭环系统的电压暂降设备敏感度以及运行特性影响进行仿真算例分析。

　　2.1 正常电压下的运行特性分析

　　在正常电网电压下，开环、双闭环直流调速系统的启动与运行特性如图5所示，图中实线为转矩（N·m），虚线为转速（rad/s），横坐标为时间（s），下同。

　　从图5可发现，与开环系统相比，双闭环系统的启动特性较理想，启动时间由5.8 s缩短到1.9 s，实现了系统的快速启动。

　　2.2 不同电压暂降深度下的运行特性分析

　　系统在启动仿真的8.0 s处开始，外部电压由正常电压改为电压暂降，而电压暂降持续时间设置为0.5 s，暂降深度则分别设置为85%、70%，此时开环、双闭环系统的运行特性分别如图6所示。

　　由图6（a）发现，开环系统的转速由322 rad/s降至279 rad/s，转矩也发生了大幅短视时下降，由148 N·m降至61 N·m，在电机反电动势的作用下，逐渐上升。当暂降在7.5 s处结束后，在正常电压的作用下转矩瞬时回升，并产生超调，之后转速逐渐恢复正常值，12 s时重新恢复到暂降前的状态。由图6（b）可见，双闭环系统中85%暂降对转速影响几乎可忽略，转矩在暂降的起止时刻有较小的短暂波动，对系统运行无明显的影响。由图6（c）可发现，深度暂降对双闭环系统的转速、转矩扰动仍较大, 转速由287 rad/s降至254 rad/s，转矩也发生了大幅短时下降，由148 N·m降至115 N·m，设备敏感度较高。

　2.3 不同电压暂降持续时间下的运行特性分析

　　系统在启动仿真的7.0 s处开始，外部电压由正常电压改为电压暂降作用，电压暂降深度设置为75%、持续时间分别设置为0.5 s、1.5 s和2.5 s，此时开环、双闭环系统的运行特性分别如图7(a)~(d)所示。

　　由图7(a)、(b)可知，持续2.5 s的电压暂降比0.5 s的电压暂降所造成的开环系统转速跌落要大，前者转速从322 rad/s降至201 rad/s，而后者只降至279 rad/s，即暂降持续时间越长，转速跌落值越大。转矩在暂降开始时刻迅速由148 N·m降至40 N·m，之后转矩由于反馈系统逐渐上升，暂降结束时转矩瞬时上升，并导致转速的快速恢复。同时，不同暂降持续时间的转速恢复时间不同，2.5 s暂降较0.5 s暂降的恢复时间要长。由图7(c)、(d)可见，在持续时间为0.5、2.5 s的暂降作用下，双闭环系统转速分别由291 rad/s降至280 rad/s、251 rad/s和249 rad/s，在暂降过程中转矩基本保持稳定，暂降结束时，转矩瞬时变大，使转速迅速恢复暂降前的值，暂降结束后0.5 s内可恢复到暂降前的转速。

　　通过上述算例发现，在电压暂降的作用下，开环、双闭环直流调速系统的转速、转矩均产生了不同程度的降落，影响系统的正常运行。尽管双闭环系统具有电流、转速双反馈环，但在较大深度和较长持续时间的严重电压暂降作用下，其运行特性仍表现出较大的扰动。

3 结论

　　随着新技术、新工艺在生产中的广泛应用以及新型电力负荷的迅速发展，用户对电能质量的要求日益提高，电压暂降逐渐成为导致计算机设备、调速系统等敏感负荷生产故障的主要原因，是最为突出的电能质量问题之一。因此，研究直流调速系统等敏感负荷的电压暂降设备敏感度及扰动下的实际运行特性，对这些设备抗扰动和稳定运行具有重要意义。本文研究结果显示，电压的暂降深度、持续时间对开环、双闭环直流调速系统的实际运行具有明显影响。轻微的电压暂降就会引起开环系统的运行特性恶化，扰动结束后的恢复时间也较长。相比而言，双闭环系统对较浅和较短时的电压暂降，其运行特性基本维持正常，但对于低于60%、持续时间大于0.5 s的严重电压暂降，其转速特性、转矩等仍严重偏离正常值, 即该设备的暂降敏感度较高，需要考虑采用改进技术提高设备的低电压穿越能力，或者采用DVR等动态补偿设备提高电源的电能质量水平。

参考文献

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