变频调速器电压暂降耐受特性试验及量化方法研究I：机理分析与试验方法
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网杭州供电公司的研究人员陶顺、唐松浩、陈聪、肖湘宁，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出，变频调速器（ASD）是电压暂降敏感负荷之一，其暂降耐受能力受到不同因素的影响。
本文利用直流侧动态方程和异步电机动态方程，分析ASD电压暂降耐受特性受ASD自身（保护、控制方式）、负荷侧（负荷特性）以及源侧（暂降类型、电压暂降前/后电压幅值、暂降形状）因素的影响机理；在机理分析和现有标准测试项目与试验方案的基础上，提出一种基于源侧暂降特征、设备敏感机理和负荷特性的分区段全参数ASD电压暂降耐受特性试验方法，并针对ASD耐受特性曲线最左侧与时间轴垂直、水平部分向左下倾斜的特点，提出一种能够在一定程度上提高试验效率的测试点选择方法——改进封闭法。为量化变频器的电压暂降耐受能力提供基础，同时为标准制定、厂家设备制造和用户电能质量治理提供参考。
变频调速器（Adjustable Speed Driver, ASD）是常见的非线性电力电子设备，在工业、商业、交通等多个行业广泛应用，电压暂降和短时中断会影响ASD的正常工作，不仅增加了用户的电能质量经济损失，也带来了严重的安全问题。
文献[5-6]利用能量守恒原理解释了电压暂降与短时中断对ASD的影响机理。文献[7]通过分析直流侧电压到达最低电压的时间阐释了ASD因保护触发而受到影响，但现有文献ASD的暂降耐受机理分析仍有待结合ASD自身、源侧及负荷侧影响因素开展深入研究。
目前已有一些文献基于仿真研究了ASD对电压暂降耐受能力的影响因素。文献[8-10]在Matlab上建立了ASD的简化模型，研究了不同暂降类型、不同的负荷类型、相位跳变的影响，但其仅考虑了暂降对ASD的转矩、转速以及直流侧电压的变化情况。
文献[11]得到了不同转速下三种暂降类型的耐受特性曲线。文献[12-13]利用PSCAD/ EMTDC分析了暂降类型、电机负载、转速以及控制策略的影响，并得到了相应的耐受特性曲线。可以看出，现有的仿真分析考虑因素不够全面且未能结合物理进一步验证得到不同影响因素对ASD耐受特性曲线上的直观影响。
文献[5,14-18]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[5,14]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，但考虑的影响因素不全面，且未进一步分析耐受能力；文献[15]主要分析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[16]讨论了相位跳变、三相不平衡、负荷特性的影响，获得相应的耐受特性曲线，但仅是一台ASD的综合耐受特性曲线，结论不具有普遍性；文献[17-18]开展了不同暂降类型、暂降形状、负荷类型、暂降起始点、控制方式、转矩、转速对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。
随着敏感设备电压暂降耐受特性试验研究的开展，已有一些标准逐步规范了测试项目、流程及耐受特性描述形式。文献[19]首次提出了低压设备电压暂降耐受特性试验方法，能够得到较为准确的耐受特性曲线；并且针对不同暂降类型提出了相应的试验方法，但并未结合ASD的特殊性，也未考虑设备自身参数、负荷特性以及其他暂降特征量的影响。
SEMI F470706给出了半导体工厂单相各相依次测试与三相测试两种测试流程，并且提出以电压暂降耐受曲线表示设备的耐受特性，但仅关注暂降幅值与持续时间两个特征量，且电压幅值测试间隔不能超过5%。GB/T 17626.11 2008、IEC 61000 4 11: 2009分别为了检测电气与电子设备和大电流电力电子设备对电网内电压暂降的耐受能力，因此只给出了有限暂降幅值和参数下的测试点。
综上所述，目前对于ASD电压暂降耐受特性的研究，国外开展较多，国内相关研究则较少、而且机理分析不够完善，未成体系；试验研究主要存在电压暂降特征量、设备自身因素和负荷特性选择不全面以及试验效率不高等问题。
因此，本文第Ⅰ部分首先利用直流侧动态方程和异步电机动态方程分析了保护策略及控制策略、负荷特性、电压暂降类型及特征量对ASD耐受特性的影响机理，在机理分析和现有标准测试项目与试验方案的基础上，提出了一种基于源侧暂降特征、设备敏感机理和负荷特性的分区段全参数ASD电压暂降耐受特性试验方法，并针对ASD耐受特性曲线最左侧与时间轴垂直、水平部分向左下倾斜特点提出了一种改进封闭法，并在第Ⅱ部分中测试得到典型ASD耐受特性曲线，进一步考虑实际存在的电压暂降特征和负荷波动的随机性及不同ASD产品参数分布的差异性，得到了ASD的电压暂降耐受特性模糊区域的故障概率。
图1 ASD结构原理
图7 试验平台接线原理图
本文基于ASD直流侧动态方程式和异步电机动态方程式，分析了ASD受电压暂降影响的机理，在机理分析和现有标准测试项目与试验方案的基础上，提出了一种分区段全参数的ASD电压暂降耐受特性试验方法。主要结论如下：
1）ASD的最低工作电压由低电压保护所决定，过电流保护决定了ASD暂降恢复时所允许的最大充电电流的大小，二者互相影响；控制方式与保护阈值共同决定了ASD的运行范围，采用U/f相比于VC和DTC时的耐受度要低。
2）负荷越大，ASD的暂降耐受度越高。
3）ASD对三种类型暂降的耐受度Type Ⅲ＜Type Ⅱ＜Type Ⅰ，恢复充电电流受暂降后电压幅值、暂降形状的影响；暂降前电压幅值决定了直流侧电压初始值，进而影响了ASD所能承受的最大暂降持续时间。
4）改进封闭法能够在一定程度上提高试验效率，为后续基于试验量化ASD耐受特性奠定了良好的基础。
基于上述的分析和所提出的试验方案，本文将在Part Ⅱ进一步测试量化源侧电压暂降特征、设备自身及负荷参数等对ASD耐受特性的影响。