200kVA动态电压恢复器的研制与应用

2024-05-03程丽艳何天鹏刘红飞

电器工业 2024年5期

程丽艳何天鹏刘红飞

（1.山东华天电气有限公司 2.浙江中控技术股份有限公司 3.北京天鸿同信科技有限公司济南分公司）

0 引言

随着精密制造、加工、医疗行业的蓬勃发展，出现了大量对电压质量特别敏感的设备。电网、配电设施的大负荷冲击或故障会引起电压暂降、骤升，导致用电设备运行异常、产品质量下降、计算机数据丢失等一系列问题。GB/T30137—2013《电能质量电压暂降与短时中断》定义电压暂降是指工频电压方均根值突然降低至10%～90%pu，在10ms～1min后恢复正常的现象。目前电网电压暂降每年给制药、半导体、石化、钢铁、汽车等行业造成几十亿元的损失，根据EPRI（美国电科院）权威数据，92%以上的电能质量事件为电压暂降和暂升，其他电能质量事件所占比例不到8%，电压暂降已经被众多的国际研究机构确定为电力系统中最为普遍发生的事件。因此对敏感设备进行电压暂降（暂升）保护显得尤为重要。动态电压恢复器（DVR）是治理电压暂降问题的一种关键设备，文献[1]对DVR的功能进行详细说明。针对DVR目前的市场应用情况，华天电气大量调研并投入研发中坚力量进行研制。

1 动态电压恢复器原理

华天200kVA HTDVR系列动态电压恢复器是以电力电子[3]技术为基础，采用全控型电力电子器件IGBT[4]，主要由储能元件（超级电容）、逆变器、静态开关（STS）[2]、变流器、控制单元以及旁路开关组成，采用逆变器并联、切换开关串联在供电电源和受保护的负载之间的形式接入系统，当系统电压发生暂降、暂升和短时中断时，HTDVR会立即切断输入侧电源，同时从装置自带的储能器件中吸取所需的能量，通过三相桥式逆变电路系统产生一个与电网电压幅值、相位均相同的电压供给负荷，输出电压无缝链接达到额定值，不中断负载供电，保障设备稳定运行。储能式产品的优点是无论是单相、两相还是三相跌落，甚至跌落至0%，均可治理，为负载提供合格的电能，保证负荷安全可靠运行。系统结构如图1所示。

图1 DVR结构图

HTDVR主要有四种工作模式：

1）电网电压处于稳定状态：动态电压恢复装置DVR控制器执行相应操作：启动静态开关STS，关闭逆变器。电网通过此回路向负载供电。此时逆变器处于热后备状态，但保持与电网电压同步，以便在电网扰动时立即动作。同时 HTDVR 实时监测电网电压，如果出现电网电压超出额定范围（±30%可设定），则将工作模式迅速转换为补偿状态。补偿过程中检测到电网电压恢复到正常，HTDVR装置会将DVR输出的电压波形与电网波形进行同步，同步完成后重新导通STS，继续由电网向负载供电。

2）电网电压发生电压扰动：动态电压恢复装置DVR控制器执行相应操作：关闭静态开关STS，启动逆变器。逆变单元将超级电容的能量逆变为与电网电压跌落前等幅同相位的标准正弦波提供给负载，保障负载设备的稳定运行。

3）电网电压重新稳定：当HTDVR补偿过程中检测到电网电压恢复到正常，HTDVR装置会将DVR输出的电压波形与电网波形进行同步，同步完成后重新导通STS，继续由电网向负载供电。

4）故障旁路工作：HTDVR自身发生故障的情况下，负载电流自动转换到故障安全旁路，电流通过并联在STS两端的旁路电路为负载供电，此时DVR装置不会响应电网的异常事件。

基于以上工作原理，华天电气研制的动态电压恢复器如图2所示。

图2 200kVA HTDVR样机

2 200kVA HTDVR单模块调试

2.1 HTDVR主控制器调试

按照控制器外部接线端子进行接线：

1）控制器接线端子X2—9～12分别接入220VAC供电，控制器均可正常工作（内部±15VDC+24VDC电源正常）；24V电源端子电压应为24VDC。

2）接线端子X2—1～4连接DVR显示器，显示器应能通讯正常。

3）控制器电压检测STS输出电压、STS输入电压端子A、B、C分别于N接入220VAC电压信号，HTDVR显示器对应项输出电压、电网电压应均能正确显示。

4）控制器输出电流采样端子AS1、AS2；BS1、BS2；CS1、CS2分别接入1A电流信号，HTDVR显示器对应项输出电流应均能正确显示。

5）控制器直流电压采样端子接入24VDC电压信号，HTDVR显示器对应项超级电容柜电压应能正确显示。

6）分别短接端子 24VG IN1；24VG IN4；24VG IN5；24VG IN8显示屏主界面的对应超级电容过压、过热、STS过热、DC熔断器故障指示状态发生改变，如图3所示。

图3 主控制器显示界面

2.2 HTDVR变流器模块调试

变流器的调试步骤如下：

1）HTDVR变流器模块的720V开关电源接入720VDC供电，检查主控板电源±15VDC、+24VDC是否正常。

2）供电正常后检查主控板是否正常工作（主控板运行指示灯—绿色正常闪烁），调试显示屏通讯正常。

3）显示屏参数零点校准，并按照HTSVG—100kvar模块调试指导书对HTDVR变流器模块进行调试。

4）HTDVR变流器模块处于调试状态，固定无功60%，运行时直流母线侧缓慢加入720V电压的同时，观察HTDVR-100kVA变流器模块输出电流模型是否正常（电流波形应为正弦波）。

5）模块整机老化72h。注：因此HTDVR-100kVA变流器模块为拔插式接线方式，无输出继电器和缓冲电阻，老化上电应严格按照以下顺序上电：

①直流可调电源输出端对应接入HTDVR变流器模块为拔插式端子的正负母线端子上，调节电源使其缓慢充电至720VDC。②市电断路器导线对应接入HTDVR变流器模块为拔插式端子的A、B、C、N线端子上，待HTDVR变流器正负母线电压升至720VDC后，断开直流可调电源输出断路器，同时10s内闭合市电断路器。③设置HTDVR变流器模块相关参数，使其额定电流老化72h。

6）老化完毕的HTDVR变流器模块烧写变流器模块程序。

7）运用HTDVR变流器模块调试平台对HTDVR-100kVA变流器模块进行检测与HTDVR主控制器和HTDVR显示屏是否通讯正常。

通讯正常判断标准：HTDVR显示器—实时数据—逆变单元—对应编号模块—温度数值应和HTSVG显示屏显示的温度参数一一对应。

2.3 STS模块调试

STS模块通电调试步骤：

1）接线端子CN3—L1、N1或L2、N2分别接入220VAC，STS模块应均可正常工作；风机运转、STS模块控制回路供电正常、STS控制板24VDC供电正常。

2）选用一组端子CN3—220VAC供电，分别测量输入铜排A1、B1、C1对应输出铜排A2、B2、C2应导通；接线端子CN2—2、3、4接入24VDC（CN2—1、2短接、CN2—1、3短接、CN2—1、4短接），A1、B1、C1与A2、B2、C2断开。

3）STS模块的老化：STS模块输入、输出两端接入无功补偿HTSVG模块，设置HTSVG模块输出固定无功电流至STS模块额定电流值，运行4h进行老化。

2.4 超级电容调试

利用AC-DC、DC-DC充放电模块调试工装，对超级电容柜充放电试验5次，并记录每个阶段各只超级电容的电压。

3 200kVA HTDVR整机调试

完成以上初步检测后，方可接入输入电压及能馈负载进行以下检测。接入市电后，抽出HTDVR变流器模块，使其插拔端子脱离，使用数字示波器测量设备输入、输出电压波形。闭合输入断路器，设备的HTDVR主控制器、显示单元正常工作中，STS模块风机运转，晶闸管开始逐步导通。

STS模块市电导通波形如图4所示，其中通道1为市电电压波形，通道2为STS模块输出电压波形。输出电压有效值随STS模块导通角展开而逐步增大至市电电压。

图4 STS市电导通波形

STS正常运行后，进行充电测试。插入HTDVR变流器模块，闭合输入断路器，设备的HTDVR主控制器、显示单元正常工作中；STS模块风机运转，晶闸管开始逐步导通。随着STS模块的导通，超级电容的电压随之逐步增大至480VDC左右（320VAC线电压的整流电压值），超级电容柜电压＞450VDC时，变流器模块控制供电正常，主从双向通讯异常故障信号消失，HTDVR与HTDVR变流器模块之间数据传输正常，显示器可读取变流器的数据信息（实时数据—逆变模块）。80s后，变流器主动对超级电容充电至720VDC。

STS模块输入/输出电压波形图如图5所示，其中通道1为输入电压波形，通道2为输出电压波形。