变频器对不同类型电压暂降的耐受特性研究*

李晨懿，汪坤，卢文清，徐永海，龙云波

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引 言

变频器(variable-frequency drive, VFD)是一类广泛应用于工业生产中的设备。当电网发生电压暂降时，接入电网的变频器直流电压下降，触发低电压保护而跳闸，导致整个工业过程的中断，造成巨大的经济损失和人身危险[1]。特别是发电厂的一类辅机变频器一旦出现故障跳闸，可能造成机组MFT(主燃料跳闸)[2]，对电网造成进一步冲击，严重影响电网的稳定运行。电力系统中多数电压暂降是由短路故障引起的，而各种类型的短路故障引起的暂降经变压器和线路传播后主要分三相暂降、两相暂降和单相暂降三类[3]。变频器在不同类型暂降下的耐受能力有较大的不同[4]，其对三相暂降最敏感，对两相暂降和单相暂降的敏感程度次之，某些变频器甚至对两相暂降和单相暂降免疫。研究变频器在不同暂降类型下的耐受特性是进行变频器的电压暂降耐受能力分析与暂降抑制的基础。

一般敏感设备的暂降耐受特性可由电压耐受曲线(voltage tolerance curves, VTC)[5]描述，耐受曲线下方暂降会使设备故障，而其上方的暂降则反之。因此制定能够代表变频器暂降耐受特性的通用耐受曲线标准可为制造厂家改进变频器的性能、治理厂家防治电压暂降以及用户了解变频器的特性提供重要参考。现有耐受曲线的标准中，常用的有适用于信息技术工业的ITIC曲线、适用于半导体行业的SEMI F47曲线[6]；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5种免疫等级的耐受曲线[3]，可用其中一种曲线来描述一般设备的耐受能力，但是其是否符合变频器的耐受特性还有待考察；针对变频器的耐受曲线标准，只有早期的IEEE std 1346-1998[7]中给出了变频器耐受曲线上下限和平均值；我国电力行业标准DL/T 1648-2016[8]对新建发电厂和变电站的辅机变频器的低电压穿越能力做出了技术规范。以上耐受曲线标准中，只有C4.110针对三相暂降、两相/单相暂降分别给出了耐受曲线，其余标准均未指明暂降类型。此外，所有耐受曲线标准中均没有给出设备的工作运行状态(负荷水平，满载或半载等)、设备容量大小、额定电压等级、三相或单相供电等条件，是否能广泛适用于实际应用情况还值得考察。

国内相关研究大多数针对火电厂辅机变频器，并以提高其低电压穿越能力的措施[9-11]为主，对于变频器受电压暂降影响的试验研究很少。文献[9]通过试验与仿真，研究了负载大小和故障类型对变频器暂降敏感特性的影响，但文中没有给出不对称暂降对变频器影响的试验结果，并且研究的变频器品牌单一。文献[10-11]针对火电厂辅机低电压标准的要求提出了改进的方案开，但其并没有给出变频器在不同暂降类型下的通用暂降耐受特性。国外相关研究中，文献[12]详细阐述了变频器受电压暂降和短时中断影响的机理，并给出了试验结果，但该文献所分析的变频器年代较为久远，目前市场应用的变频器经更新换代后，其暂降耐受能力也有相应地提高。文献[13]通过试验研究了多种因素对变频器电压暂降耐受能力的影响，但也是针对国外品牌的变频器，并且发表时间较早。文献[14]给出了包含接触器和变频器的简单的工业过程电压暂降耐受特性的试验研究，但是没有考虑不同类型的暂降对变频器的影响。

综上，针对我国市场主流品牌的变频器，在不同类型的暂降下对其进行机理分析、仿真和试验研究，给出针对三相暂降、两相暂降和单相暂降分别给出较为通用的变频器耐受曲线，对变频器耐受曲线统一标准规范的制定具有重要参考意义。本文分析了变频器受不同类型暂降的影响机理，并在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型进行验证；选取了国内市场具有代表性的7种品牌、2种功率的8台变频器进行测试，与理论分析和仿真研究进行相互验证；通过对试验结果的分析及处理，得到了变频器在额定转矩转速时不同暂降类型下的通用耐受曲线包络线，具有实际应用价值，可为标准的制定提供重要参考。

1 不同类型电压暂降对变压器的影响机理分析

1.1 常见电压暂降类型

常见电压暂降类型分为单相暂降、两相暂降和三相暂降。IEEE P1668标准《低于1000V终端用户电气设备对电压暂降与短时中断穿越能力测试推荐规程》[15]中推荐测试的电压暂降类型主要分为单相暂降(Type I)、两相暂降(Type II)和三相暂降(Type III)三大类，而两相暂降又分为三小类，如图1所示。根据CIGRE C4.110的调查报告，两相暂降中，如图1(b)所示的类型在高压和中压电网中占所有两相暂降的82%～91%，因此为推荐测试暂降类型。

图1 IEEE P1668提出的测试暂降类型

根据国内4个省市、2009.7～2015.1电能质量监测系统[16]所捕获的378组实测电压暂降事件，统计不同暂降类型发生的频率，其结果为：单相暂降发生的概率最大(69.0%)，两相暂降次之(23.0%)，三相暂降发生的概率最小(9.5%)。因此研究变频器在单相暂降和两相暂降时的耐受特性尤为重要。

1.2 不同类型电压暂降对变频器的影响机理

变频器主要由整流电路、直流稳压电容、逆变电路和控制回路组成[2]，其中整流部分一般为三相不可控桥式整流，如图2所示。

图2 常用变频器拓扑

为了避免变频器不正常工作或过载，通常变频器会装设直流母线低电压保护电路。电网电压跌落时，输入端的交流电压突然降低，直流侧电压大于交流侧电压瞬时值，整流二极管截止，负载消耗的能量由直流电容储能和电机转子的动能提供，因此直流电压下降，电机转速降低；当直流电压低于保护阈值时，保护电路动作，变频器跳闸。由于变频器的低电压保护是引起变频器跳闸的决定性因素，因此分析暂降期间直流侧电压的大小就可分析变频器的耐受能力。

不同类型的电压暂降下，变频器的耐受特性会有较大的差异。从能量的角度上看，单相暂降时有两相电压始终较大，可为变频器提供能量支撑；两相暂降时有一相电压较大，可为变频器提供能量支撑；而三相暂降时，三相电压都处于较低的水平，只能通过直流电容放电以平衡负荷功率，因此直流电压下降程度最大。根据变频器的整流拓扑，供电电压正常时，三个线电压瞬时值(uAB、uBC、uCA)中最大的一个通过二极管对电容器充电，直流电压平均值在线电压上包络线的平均值与线电压峰值之间波动(空载时为线电压峰值，整流电流i连续时为线电压上包络线的平均值)[17]，维持在一个较为稳定的水平；电压暂降时，直流侧电压高于交流侧线电压峰值，直流电压下降，当其小于交流侧线电压峰值时，交流线电压又开始对电容器充电，重新达到一个新的平衡状态，此时直流电压平均值取决于暂降期间交流侧线电压的大小。根据文献[15]给出的Type I、Type II和Type III的相电压公式，可得出线电压的瞬时值表达式，空载时，直流电压在相电压峰值之间取值，i连续时，直流电压为线电压上包络线的平均值，可推导出Type I、Type II和Type III时变频器直流电压Ud1、Ud2、Ud3的表达式(i连续时)分别如式(1)～式(3)所示(限于篇幅，省略详细推导过程)。其中，E为额定电压幅值，X为单相暂降时暂降相电压幅值且X

(1)

(2)

(3)

为比较不同暂降类型下直流电压的大小，令Type I、Type II和Type III中暂降相的幅值为0.5E，可得出空载时Ud1∈(1.87E, 2.45E)，Ud2∈(0, 2.12E)，Ud3=1.22E，i连续时Ud1=1.70E，Ud2=1.35E，Ud3=1.17E。对于Type II，易知空载时的直流电压必然大于带载时的直流电压，而负载从小变大的过程中，i从断续到连续，因此空载时的直流电压则必定大于i连续时的直流电压，即Ud2∈(1.35E, 2.12E)。可见在暂降相电压幅值相等的情况下，无论空载或是带载，单相暂降、两相暂降和三相暂降下变频器的直流电压大小依次减小，越容易触发低电压保护，因此变频器对单相暂降、两相暂降和三相暂降的耐受能力也依次减弱。

2 仿真研究

在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，主要由电压暂降发生源和变频调速系统组成，其原理图如图3所示。电压暂降发生源部分中，通过暂降使能信号I控制变频器的供电电源的切换，I为脉冲信号，当I>0时电源信号从正常电压信号切换到电压跌落信号，因此I的高电平时间为暂降的持续时间，电压跌落信号的幅值为暂降幅值；变频调速系统中，整流模块和逆变模块使用Simulink自带模块，通过SVPWM模块实现变频器的空间矢量控制，使变频器拖动电机带动恒定负载T。

仿真的电压暂降类型根据IEEE P1668标准设置。由于篇幅限制，仅给出持续时间为0.5 s、暂降幅值为50%额定电压时不同暂降类型下的仿真结果，如图4～图6所示。

图3 仿真原理图

图4 Type III时的仿真波形

三相暂降时，由于直流侧电压高于交流侧电压，直流电容向负载电路放电，电压下降；当直流侧电压与交流侧电压持平时，又达到新的平衡状态。通常情况下，变频器直流侧低电压保护设置在70%额定值左右，因而在实际情况下会触发低电压保护使变频器跳闸。由图4(b)、图5(b)和图6(b)可知，三相暂降、两相暂降和单相暂降时直流侧电压下降深度依次减小，尤其是单相暂降时，由于有两相电压不断给直流电容充电，使直流侧电压维持不变，因此两相暂降和单相暂降对变频器的影响较小，与机理分析一致。

此外，三相暂降过程中负载消耗的能量部分能量来自于转子动能，使得电机转速有所下降，暂降结束时的冲击电流使得转速也产生冲击，因而在对电机转速有较高要求的应用场合中将会产生较大危害；而两相暂降和单相暂降时，负载消耗的能量完全由直流侧和交流侧提供，电机转速基本无变化。综上，三相暂降、两相暂降和单相暂降下，变频器的耐受能力依次增强，受到的危害依次减弱。

图5 Type II时的仿真波形

图6 Type I时的仿真波形

3 试验研究

试验研究以获取不同类型的电压暂降下变频器的电压耐受曲线为主要目的，测试的电压暂降类型根据IEEE P1668标准设置。

3.1 试验平台

以电机对拖形式搭建试验平台，即待测变频器拖动电动机带动发电机，再通过回馈变频器将能量反馈回电网。试验平台设备主要包括：暂降发生源、控制计算机、待测变频器、电动机、发电机、回馈变频器、扭矩传感器以及录波仪等。试验平台的接线图如图7所示。

图7 试验平台现场接线图

我国低压变频器市场中，以具有代表性的国外几家品牌与国内几家品牌为主，此外，变频器市场中常以额定功率小于等于7.5 kW为小功率，大于等于11 kW为中大功率。本试验选取了国内外7种品牌(其中国内品牌有2种)，2种额定功率(18.5 kW和7.5 kW)，共8个变频器进行测试，对于我国市场中的低压中小功率变频器具有一定代表性。待测变频器的参数如表1所示。

本试验在文献[15]的基础上制定了耐受曲线的测试步骤。其基本方法是利用计算机控制电压扰动源输出短时中断和电压暂降事件，记录设备是否能耐受该扰动事件，逼近法找到被测设备临界耐受的暂降幅值和持续时间，作为耐受曲线的依据。

3.2 试验结果

试验得到了变频器在不同类型暂降下的直流电压波形和电机转速波形，绘制了大量的耐受曲线。试验发现变频器在三相暂降时直流侧电压下降得严重，转速降低的程度最大，两相暂降和单相暂降时直流电压和转速下降的情况依次减小，与理论分析和仿真研究一致。由于篇幅限制，本文仅给出变频器在不同暂降类型下的耐受曲线，足以代表变频器的耐受特性。

表1 待测变频器参数

3.2.1 不同暂降类型下的耐受曲线及分析

试验得到不同变频器在三种暂降类型下的耐受曲线，以VFD2、VFD3和VFD5为例，如图8所示。可见，变频器的耐受曲线总体呈矩形，由竖直边沿(持续时间临界值)、水平边沿(电压临界值)和过渡部分组成；变频器(VFD3、VFD5)对三相暂降、两相暂降和单相暂降的耐受能力依次增强，与理论分析和仿真研究一致。但对于VFD2，试验发现其对Type II免疫而对Type I敏感，即其对Type II的耐受能力反而强于对Type I的耐受能力。8台变频器对Type II和Type I的免疫情况如表2所示。

表2 不同变频器对Type I、Type II的免疫情况

注：“√”代表“是”，“×”代表“否”。

VFD2在Type I时跳闸是因为缺相保护作用，而最严重的Type II下，暂降相幅值设置为额定值的50%，不足以触发缺相保护；并且Type I和Type II并没有触发低电压保护或过电流保护。从能量支撑的角度上看，Type I时有两相电压可以给直流侧充电提供能量支撑，而Type II时只有一相电压提供能量支撑，因而变频器对Type I的耐受能力强于对Type II的耐受能力，若无缺相保护，VFD2将会对Type I和Type II免疫。而实际结果是VFD2对Type I的敏感度反而大于Type II，与只考虑低压保护和过电流保护的变频器暂降耐受能力的研究结果不同。因此，变频器对单相暂降的耐受能力不一定比两相暂降强。从另一角度上看，对于VFD1和VFD7，当Type I最严重时(Va=0)，此时已是缺相，1 min的缺相却没有触发缺相保护，其保护动作滞后时间是否设计得过长，值得考虑。

图8 暂降类型影响下的耐受曲线

3.3.2 通用耐受曲线包络线

通过对7种国内外品牌、2种功率(18.5 kW和7.5 kW)的8台变频器进行重复性试验，提取了大量的耐受曲线。将8台变频器不同暂降类型下的耐受曲线进行包络化处理，即统计某一电压幅值下耐受时间的最大值和最小值，分别将耐受时间最大值和最小值连接成线，可得到变频器耐受曲线的上下包络线。考虑到变频器在实际应用中的工况通常是额定转矩和转速，因此给出额定转矩和转速下的变频器耐受曲线的包络线，如图9所示。由于某些变频器对Type I和Type II免疫，在VT平面上无法画出其耐受曲线，因此对于Type I和Type II型暂降，只有耐受曲线上包络线。

图9 不同暂降类型下的耐受曲线包络线

由图9(a)可见，耐受曲线的时间临界值范围为10 ms～62 ms、电压临界值范围为64%～76%。假设ITIC、SEMI F47、IEEE std 1346-1998和DL/T 1648-2016给出的是三相暂降下的耐受曲线标准，将变频器耐受曲线与ITIC、SEMI和C4.110曲线相比较，其曲线的基本形状不完全一致。将其与IEEE std 1346-1998标准相比较，电压临界值最大值减小了6%，最小值增加了4%；时间临界值的最小值减小了8 ms，最大值减小了23 ms；耐受曲线包络线范围整体上有所减小，上限有一小部分在标准范围之外。再将试验所得耐受曲线与DL/T 1648-2016关于一类辅机变频器的低压穿越标准相对比，可见大部分中小功率低压变频器的暂降耐受特性并不符合该标准的要求，本试验所得的通用耐受曲线包络线可为标准的制定提供重要参考。

由图9(b)可见，变频器关于Type II的耐受特性是一条近似水平的曲线，暂降幅值在50%～66%之间波动；而变频器关于Type I的耐受特性近似呈矩形，持续时间临界值为19 ms、幅值临界值在37%～46%之间波动。而C4.110提出的关于Type II和Type I的耐受曲线并不完全符合变频器的耐受特性。试验所得的耐受曲线上包络线可为标准的制定提供重要参考。

4 结束语

本文分析了变频器受三相暂降、两相暂降和单相暂降的影响机理，并搭建了仿真模型进行验证；选取国内市场具有代表性的7种品牌变频器进行测试，试验结果与理论分析和仿真研究基本一致。试验发现某些变频器在缺相保护作用下对单相暂降的耐受能力反而比对两相暂降的耐受能力弱。通过对试验结果的分析及处理，得到了变频器在额定转矩转速时不同暂降类型下的通用耐受曲线包络线，与现有耐受曲线标准对比，有所差异。现有耐受曲线标准并未指明暂降类型，本文得出的关于不同暂降类型的变频器耐受曲线包络线具有实际应用意义，可为变频器耐受曲线标准的制定提供重要参考。