电压降计算论文（通用7篇）
电压降计算论文 篇1
0 引言
随着工业发展,机械设备要求的动力越来越大,电网中高压大功率电动机的应用也越来越多。电动机起动时会产生较大的电流冲击[1,2],在电网中相当于一个冲击负荷,将引起电网母线的大幅度降落,工程中常常需要采取一定的措施将电动机起动时电网母线的电压降限制在合理范围内,以免妨碍其他用电设备的正常工作。目前尚无明确的关于电机起动对电网PCC点(公共连接点)母线电压下降影响的标准,关于电网PCC点母线电压波动的限值,可以参考的几个国标如下。
国家标准GB/T 12325—2008《供电电压偏差》[3]规定:35 k V及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%;20 k V及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。国家标准GB/T 12326—2008《电压波动和闪变》规定[4]:电力系统公共连接点,由波动负荷产生的电压变动限值和变动频度、电压等级有关,对变动频度r≤1(次/h)的高压HV(35<U≤220 k V)母线,其电压变动限值为3%;同时规定对于很少的变动频度r(每日少于1次),电压变动的限度d还可以放宽。国家标准GB/T 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》[5]第2.2.1条规定:电动机起动时,其端子电压应能保证机械要求的起动转矩,且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。第2.2.2条规定:交流电动机起动时,配电母线上的电压应符合下列规定:(1)配电母线上接有照明或其他对电压波动较敏感的负荷,电动机频繁起动时,不宜低于额定电压的90%;电动机不频繁起动时,不宜低于额定电压的85%。(2)配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷,不应低于额定电压的80%。
关于电动机起动时电网母线电压降的计算方法,工程中常采用相关标准和手册中的公式进行理论计算,输入条件仅为电网及电动机的一些稳态参数,无法体现起动时间、起动功率因数等因素对电压降的影响。文中以江苏某工厂电动机负荷接入电网起动为例,利用电力系统分析综合程序PSASP对电动机的起动过程进行了仿真,分析了起动时间、起动功率因数等对电网PCC点母线电压降的影响,并将仿真结果与公式计算结果进行了比较。
1 电动机的起动方式
电动机起动时,对电网呈现为短路阻抗,因而起动电流很大,一般为额定电流的4~7倍。大的起动电流会造成电网母线电压在起动时下降,特别是电网母线短路容量较小时电压下降更大。电动机在起动时,电网对其的要求和负载对其的要求往往是矛盾的。电网从减小它所承受的冲击电流出发,要求电动机的起动电流尽可能小,但太小的起动电流所产生的起动转矩又不足以起动负载;而负载要求起动转矩尽可能大,以缩短起动时间,但大的起动转矩伴随着大的起动电流又可能不为电网所接受。因而需要平衡两方面的需要,采用适当的起动方法。电动机的起动方式可以分为以下两类[6,7,8,9]。
1)直接起动
直接起动,即全电压起动,适用于小容量电动机带轻载的情况。起动时,将定子绕组直接接到额定电压的电网上。在此工况下,电动机起动转矩很容易得到满足。
2)降压起动
常见的降压起动方法有三种:定子串电抗降压起动、Y-Δ起动器起动、自耦变压器降压起动。
定子串电抗降压起动时,起动转矩比起动电流降得更厉害,很可能不能满足负载要求。Y-Δ起动器起动时,只有正常运行时电动机定子绕组三角形接法且首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用Y-Δ起动器起动。采用Y-Δ起动器起动时,起动电流和起动转矩均降为直接起动时的1/3。自耦变压器降压起动相对较灵活,起动电流和起动转矩下降的程度一样,比较容易满足两方面的要求。
2 工程常用电网电压降公式计算方法
2.1 计算方法一
国家标准GB/T 12326—2008《电压波动和闪变》中规定了电压波动的计算方法。当已知三相负荷的有功功率和无功功率的变化量分别为ΔPi和ΔQi时,可用公式(1)计算,式中,RL和XL分别为电网阻抗的电阻、电抗分量,UN为电网母线标称电压。
在高压电网中,一般XL>>RL,则:
式中,Ssc为考察点(一般为PCC点)在正常较小方式下的短路容量。
在无功功率的变化量为主要成分时(例如大容量电机起动),可以采用式(3)进行粗略估算。
式中,ΔSi为三相负荷的变化量。
该标准适用于交流50 Hz电力系统正常运行方式下,由波动负荷如炼钢电弧炉、轧机、电弧焊等引起的PCC点母线电压的快速变动,当电网阻抗的电阻、电抗分量已知时,公式(1)的计算结果相对公式(2)、(3)精确。由于电动机起动过程复杂,而该方法计算比较简略,因此工程中很少将此方法用于计算电动机起动时电网母线的电压降。
2.2 计算方法二
《工业与民用配电设计手册》[10]第六章中给出了电动机起动时电网母线电压降的计算公式。假设系统由无限大电源容量供电,电动机投入运行前系统母线电压等于网络标称电压,以自耦变压器降压起动为例,电动机起动系统电路图如图1所示。
起动回路的额定输入容量计算如下:
式中,k为自耦变压器变比,Ss M为电动机额定起动容量,X1为起动回路每相电抗值,UN为电网母线标称电压。
起动时电网母线电压相对值如下:
式中,Ssc为电网母线的短路容量;Qfh为母线上预接负荷的无功功率。
母线电压降如下:
工程中多采用公式(6)计算电动机起动时电网母线的电压降。
3 电动机接入电网起动仿真分析
基于电力系统分析综合程序PSASP中的江苏电网模型,以某工厂电动机负荷接入系统为例进行仿真,工厂周边相关电网地理接线示意图如图2所示。220 k V通江变110 k V母线的小方式和大方式短路容量分别为915、1 718 MVA。
该工厂以1回110 k V线路接入系统,厂内有1台110/10 k V降压变压器,10 k V侧负荷为1台电动机,额定容量为15.154 MVA,额定电压为10 k V,全压起动电流倍数为3.9,起动功率因数约0.2。以自耦变压器降压82%起动方式为例,电动机从开始起动到转速达到额定转速所用的时间约27 s,电动机起动过程中电压、电流及容量的变化曲线如图3所示,图中横坐标为时间的对数。由图3知,在开始起动的0.1 s内,起动电流达到最大值,约为额定电流的2.7倍,随后逐渐减小,在27 s左右达到额定电流。
3.1 起动时间对母线电压降的影响
电动机从开始起动到起动电流达到最大值的这段时间内,引起的电网母线电压降速度较快、幅值较大,将电动机起动过程中该段时间逐渐增加10 s,分析电网母线电压降的变化过程,仿真结果如图4所示,图中横坐标为时间的对数。
由图4可知,随着电动机从开始起动到起动电流达到最大值所用时间的增加,母线电压降逐渐减小,但减小的趋势越来越不明显。对于该段起动时间在1 s以上的电动机,起动时母线电压降明显低于该起动时间在1 s以内的电动机。而采用前述工程常用的两种计算方法并不能体现出该起动时间对母线电压降的影响。
3.2 起动功率因数对母线电压降的影响
电动机起动时的冲击电流大部分是无功电流,功率因数比较低。假设电动机起动过程的功率因数为cosφ,采用自耦变压器降压起动方式,则方法一中公式(2)可以表达如下:
式中,k为自耦变压器变比,Ss M为电动机额定起动容量,Ssc为电网母线的短路容量。可知,起动功率因数越大,电网母线电压降越小。
设置起动功率因数在0.1~0.5内变化,采用公式(7)和仿真分别计算电压降,结果如图5所示,可见随着起动功率因数的增大,电网母线电压降减小。而采用前述方法二中的公式(6)则不能体现功率因数对母线电压的影响。
3.3 起动电流对母线电压降的影响
电动机的起动电压一定时,起动电流越大,起动容量就越大,电压降随之增大。以电网小方式运行情况为例,成比例改变电动机的起动电流,采用公式(3)、(6)以及仿真分别计算电压降,结果如图6所示。
由图6知,随着起动电流的增大,电压降几乎成比例增加。在仿真中,起动电流增至2倍以上时,周边发电机组失稳,系统不能正常运行,说明过大的冲击电流对电网的稳定性有很大影响,而公式计算不能反映出失稳现象。
4 公式与仿真计算比较
以上述电动机起动为例,采用自耦变压器降压82%起动方式,电动机全压起动电流倍数为3.9。假设电网阻抗的电阻、电抗之比为0.1,采用方法一中公式(1)、方法二中公式(6)以及仿真三种方法计算电网母线电压降,结果如表1所示。
由表1知,仿真计算电压降结果最大,方法一计算电压降结果最小;电网母线短路容量越大,三种方法计算电压降结果越接近。方法一计算比较简略,工程中常用方法二进行计算。方法二中假设系统由无限大电源容量供电,电动机投入前系统母线电压等于网络标称电压,而实际系统中母线短路容量并非无限大,因此方法二计算电压降结果比仿真结果偏小。
此外,由前述分析可知,方法二的输入条件仅为电动机及电网的稳态参数,无法体现起动时间、起动功率因数等因素对电网母线电压降的影响,具有一定的局限性。在实际的工程应用中,如果电动机起动过程中电压、电流等物理量随时间的变化曲线明确时,建议采用仿真计算电网母线的电压降。
5 结语
电动机起动时会带来电网母线的电压降,文中总结了工程中使用的两种公式计算电压降的方法,并以江苏某工厂电动机负荷接入电网起动为例进行仿真,得出以下几点结论:
(1)电动机从开始起动到起动电流达到最大值的时间内,电网母线电压降落最快,对于该段时间在1 s以上的电动机,起动时母线电压降明显低于该段时间在1 s以内的电动机。
(2)电动机起动时,起动功率因数增加,母线电压降减小;起动电流增加,母线电压降基本呈线性增加。
(3)仿真计算电压降结果比公式计算结果大,PCC点母线短路容量越大,公式与仿真计算电压降结果越接近;方法一计算简略,结果最小;方法二在工程中应用最多,但无法体现起动时间、起动功率因数等因素对电网母线电压降的影响,具有一定的局限性。工程实际应用中如果数据充分,建议采用仿真方法计算电动机起动时电网母线的电压降。
摘要：介绍了工程中常用的两种公式计算电网母线电压降的方法,以某工厂电动机负荷接入系统起动为例进行仿真,分析了起动时间、起动功率因数等对母线电压降的影响。公式与仿真计算比较表明,母线短路容量越大,公式与仿真计算电压降结果越接近;公式计算方法的输入条件仅为电网及电动机的一些稳态参数,无法体现起动时间、起动功率因数等对母线电压降的影响;工程实际应用中如果数据充分,建议采用仿真方法计算电动机起动时电网母线电压降。
关键词：电动机起动,电压降,仿真计算,公式计算
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电压暂降分析及解决方案 篇2
电压暂降是配电系统中常见的电压扰动现象, 无论如何提高电力系统的可靠性, 电压暂降现象仍然存在。电压暂降不同于电压波动或欠电压, 是指母线电压有效值大幅度快速下降且持续时间极短的突发事件。国际电工委员会 (IEC) 将其定义为下降到额定值的90%至1%, 国际电气与电子工程师协会 (IEEE) 将其定义为下降到额定值的90%至10%, 其典型持续时间为0.5个周期至1 min[1]。
就现象而言, 电压暂降并不是新问题。但是, 由于其危害和影响十分突出, 使它成为近年来日益引起电工界关注的最重要的电能质量问题。CIRED KL2002国际供电会议主席指出, 把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要问题, 而电能质量的首要问题是电压骤降, 应该作为研究解决的重点。到目前为止, 电压骤降还没有统一的国际标准, 现有的标准主要有:国际电气与电子工程师协会1346标准和欧洲的EN50160标准等, 我国至今还无相关标准。
1 电压暂降的起因和危害
1.1 电压暂降的起因
导致电压暂降的原因非常复杂, 有自然因素, 也有人为因素, 有供电部门系统保护的因素, 也有设备原因和误操作等因素。引起电压严重暂降的主要原因是系统元件或线路的故障, 其特征为:暂降幅度大、近乎矩形曲线、持续时间短 (即故障在线时间) ;引起电压暂降的另一主要原因是大功率的用电设备突然启动, 其特征为:暂降幅度小、非规则矩形、持续时间长。据统计, 非本线路故障引起电压暂降所占比例可达77%, 且配电线路故障引起电压暂降的比例大于输电线路引起电压暂降的比例[1]。
1.2 电压暂降的危害
电压暂降和中断是影响大工商业用户的最主要的电能质量问题。当保护装置动作时该供电线路上将出现电压中断, 而相邻线路上都将发生不同程度的电压暂降, 因此, 电压暂降远比电压中断发生的次数多。所以从总体上来看, 电压暂降所带来的损失是巨大的。
大多数电力电子设备对动态电压扰动非常敏感, 电压暂降会引起整套设备或生产线都受到牵连和影响, 导致产品报废、设备损坏以及重新启动达到生产所需的条件需要较长的时间, 给用户带来巨大的经济损失。电压暂降对不同行业和设备, 会产生不同影响[2]。
1) 冷却控制装置:对生产电子器件的厂家来说, 在发生电压暂降的情况下, 制冷用的大型电动机可能跳闸而停止工作;
2) 直流电机控制:在印刷与塑料生产中, 发生电压暂降期间, 直流驱动的控制器和卷绕机都可能断电, 造成巨大的经济损失;
3) PLC:在工业生产中, PLC的某些部分对电压暂降非常敏感;
4) 机械装置:电压的任何波动, 特别是电压暂降, 都有可能引起自动装置或复杂机械的不安全运行;
5) 可调速装置:电压暂降可能引起可调速驱动装置跳闸。
2 电压暂降的解决方案
2.1 提高设备抵御电压暂降的能力
根据ITIC曲线、SEMI曲线和国家标准GB/T17626.11-2008和GB/T22841-2008中所要求的或建议的对设备抗扰度的能力, 供电部门可建议用户在用电设备的订货合同上向设备制造商明确这方面的技术要求, 以使设备对某种程度内的电压暂降或电压短时中断有抵御能力。供电部分也可根据GB/T22841-2008的规定, 制定进入电网的设备应符合的抗扰度要求, 在审图意见方面进行规范。
2.2 安装电压补偿装置
2.2.1 动态电压调节器 (DVR)
DVR是一种串联型电能质量调节器, 采用基于电力电子器件的PWM逆变器结构, 其主电路由以下四个部分组成:基于全控器件的电压源型逆变器、输出滤波器、串联变压器和直流储能单元。DVR相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源, 采用适当的控制方法可以使该电压源产生所需填补的瞬时电压波形, 并串联加入电网, 使负荷侧近似保持为正弦波形额定电压[3,4]。单相DVR的原理图见图1。
2.2.2 动态电压暂降补偿装置 (Dy SC)
大多数的DVR补偿装置仅有补偿50%的电压暂降能力。Dy SC可以提供更深的电压暂降能力, 同时还可提供对短时电压中断的补偿。在响应时间上它可以在2 ms内提供对电压暂降的补偿。目前Dy SC的补偿容量可做到从250W到3MW。主要适用于对点的补偿。单相Dy SC的原理图见图2。从图中我们可以看出, Dy SC是由一个固态旁路开关和一个并联在输入输出端的校正储能模块构成。在正常运行情况下, 反并联晶闸管导通, 电源电压经过晶闸管给负荷供电, 同时电容器充电。在检测到电压暂降或中断时, 反并联晶闸管关闭, 校正储能模块串联在配电系统中, 在输入电压上叠加适当的补偿电压, 为负荷提供近似正常的工作电压, 同时电容可继续充电。Dy SC与DVR相比由于没有串联于线路中的变压器, 因此, 有效地防止了变压器饱和, 减少损耗, 提高输电效率。同时比DVR有更高的补偿深度和更短的响应时间。
2.2.3 不间断电源 (UPS)
UPS为一种长见的解决电压暂降和短时中断的不断电系统。其串联于供电端与负载间, 经整流与逆变器转换提供标准的电源到负载, 因此, 负载不会感受到供电电源的异常现象。日前, 市场上供应的UPS电源设备种类较多, 一般UPS用于低压系统, 输出容量可由50 VA~3 000 k VA, UPS一般采用蓄电池作为储能元件, 因此, 存在电池寿命、电池维护与监测等问题。飞轮储能装置和超导储能装置可以应用在UPS中代替蓄电池作为储能元件。
另外, 电压补偿装置还有铁磁谐振变压器、静态转换开关等。
2.3 改变配网系统设计
变电站某条线路发生接地或短路故障, 造成本线路出现电压中断, 也会造成同一母段其它线路出现电压暂降, 使事故进一步扩大、恶化, 给工业生产带来重大损害。因此, 把重要负荷和经常出现故障的线路或干扰源分开是降低电压暂降的可行方案之一。如:用户可投资建设自己的专线, 不接入其它用户;供电部门可考虑将同一区域内的对电能质量要求高、电量需求大的企业接入同一主变, 此主变不给其它用户供电等。改变系统设计是供电部门在与用户签署供用电合同时事先考虑的问题。
2.4 减少故障数目、缩短故障切除时间
在用户减少自身设备对本身影响的同时, 供电部门也应该努力降低因系统方面的原因造成的电压暂降。线路故障是一种随机事件, 不可能完全避免。但是减少发生的次数是能够实现的。如:加强线路巡视, 及时修剪线路走廊两旁的树枝来防止通过树木造成的短路;在电力设备周围加设护栏防止动物造成的短路;定期清洗绝缘子防止污染等。只有尽量减少故障数目, 才是最好的解决方案。
在线路发生故障至断路器成功切除故障之间同一母段其它线路会产生不同程度的电压暂降。电压暂降的幅值跟短路地点、线路阻抗、短路的类型等多种因素有关我们无法控制, 但是电压暂降的时间是由断路器的故障切除时间所控制的, 设备会随着电压暂降时间的减小而得到可以抵御更深幅度的电压暂降的能力, 因此, 减少故障切除时间可以使更多的设备抵御干扰。
3 结语
电压暂降是一个特别突出的电能质量问题, 本文提出了几种解决电压暂降的方案, 以期降低电压暂降次数及危害, 这不仅对电网安全意义重大, 而且对国家的经济发展也有重要意义。需进一步开展的工作有: (1) 电能质量在线监测系统软件要不断的健全完善, 提高电能质量的全面检测能力; (2) 我国至今还无电压暂降方面的相关标准, 因此, 需要建立相关标准, 以协调供电部门与用户之间的利益关系。
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电池电压暂降保持电路的设计 篇3
针对电压暂降的问题，电能质量治理领域中的研究者们提出了众多解决方案。例如，Westinghouse公司研制了世界上第一台动态电压恢复补偿系统并安装在美国Duke电力公司的电网系统中，用以保证某自动纺织厂的供电质量[1]。在此，笔者在比较4种电压暂降解决方案后，设计了一种简单且经济有效的电池电压暂降保持电路，为系统的高可靠性和高稳定性运行提供一种有参考价值的方法。
1 电压暂降的概念(1)
电压暂降是指在极短的时间内电压突然下降(与稳定工作电压偏差较大)，然后在相对比较短的时间内又重新恢复正常的现象。电压暂降深度为系统的电压额定值与电压暂降过程中的最小值之差。IEEE推荐标准(IEEE Std.1159～1992)中对电压暂降的定义为:工频电压有效值的下降，其持续时间为10ms～1min。另外，也有文献将相移作为描述电压暂降的特征量之一[2]。
典型的电压暂降是由重型负荷的启动引起的，当大功率负荷瞬间启动时会引起一个瞬间的冲击电流，该电流比系统稳态下的电流大得多，造成电池电压在某一时刻突然偏离正常工作范围，然后经过很短的一段时间后又恢复正常。在这段极短的时间里，很可能会影响电器和电子设备的性能。因此电压暂降的危害和影响十分突出，并且将成为电工界最为重要的电能质量问题。
2 电压暂降的案例分析
在日常生活中经常会出现电压暂降现象，笔者以汽车电子控制系统中的电压暂降现象为例进行分析。车辆启动瞬间，蓄电池需要很大的电流供应发动机让它转动，并且会在数百毫秒内产生低压脉冲。但是对于使用时间较长的蓄电池来说，由于蓄电池和导线上的内阻较大，这种低压脉冲很可能会造成车用辅助电源重启，使汽车电子控制系统陷入混乱。图1为蓄电池电压时间曲线，可以看出，24V的蓄电池在车辆启动瞬间电池电压会暂降到8V左右，且维持时间长达100ms。最后，由于控制系统不断重启导致车辆无法正常启动，影响日常出行[3]。该现象的主要原因是在蓄电池电压暂降时没有足够的电能接续，因此可以从电源电路设计方面加以解决。
在信息业工作中，据统计，80%的服务器瘫痪和45%的用户端数据丢失与出错，均与电压暂降有关[4]。
在高新科技、大型敏感工业用户中，如半导体、芯片制造业中，电压暂降也会产生巨大影响，造成经济损失[5]。
电压暂降对常用电子设备的影响也很大。研究表明，当设备的供电电压突然降至额定电压的50%以下，并且维持20ms以上时，接触器就会脱扣，甚至停止工作[6]。
3 电源保持电路的设计
3.1 几种方案对比
方案1———UPS不间断电源模块[7]。UPS模块在工作前先将能量存储下来，当工作中蓄电池的电压跌落至某一门限值且被检测到时，UPS模块自动将内部存储的能量释放给后级辅助电源，并且能够在一定时间内保持稳定，给系统一个持续电能补充，使之稳定工作。UPS模块的实用性较强，但造价相对较高，对蓄电池的要求也相对较高，而且还涉及到电池定期维护和更换的问题，属于高能耗产品。
方案2———动态电压调节装置[8]。动态电压调节装置的原理是通过逆变器将暂降后的电压提升到系统稳定时的电压。对于电压暂降到30%～40%的情况，该装置都能起到很好的补偿作用，并且能够保证在2ms内进行动态响应和补偿。动态电压调节装置具有不需要蓄电池、免维护等优点，适用范围广，但价格昂贵，不适合直流低压产品。
方案3———辅助电源切换[9]。图2为辅助电源切换电路。如果电压监测电路监测到24V蓄电池A瞬间下降，则光耦立刻工作并采用24V蓄电池B进行电压补偿，使系统稳定运行。该电路控制简单、价格低廉，但效率不高，很容易受到外界干扰，且对象单一。
方案4———电容储能供电。在负载电路的电源部分添加电容储能供电电路，利用大电容的充放电原理，负载能够在短时间内不受蓄电池电压暂降的影响，继续正常工作。该电路简单、价格经济且方案可靠有效。
针对电池电压暂降的问题，采取适当的方法保证产品的核心系统正常工作是极其重要的。对比4种可行的方案后，就可靠性、器件价格及占用空间等多方面的考虑，以方案4最为经济有效。
3.2 电路设计
根据方案4，笔者设计了一个可靠有效的电池电压暂降保持电路，具体如图3所示。
当系统正常稳定工作时，控制器由24V蓄电池进行供电，比较器U1A同向端经24V输入电压又经电阻R1和R2分压后，被钳位二极管钳位到5V,U1A的反向端电压为2.5V，比较器U1A输出为高电平，此时DCDC电源芯片正常工作，并将5V电源电压升压，通过稳压和限流电路将大电容充电到一个合适的电压值V2。另外，比较器U1B经过同向端和反向端的OC门输出高电平，MOS管不导通。
在大功率负载启动的瞬间，由于蓄电池供应负载需要很大电流，所以蓄电池电源24V会出现暂降情况。当电池电压掉落到触发电压(约7V)时(如果触发电压太低，则掉电中断还未触发，MCU已经无法正常工作，所以选择触发电压时，要考虑系统掉电的最低电压;同时还要考虑整个电路的干扰信号，应尽可能多地滤除外部干扰信号，防止误触发掉电中断)，比较器U1A(OC门输出)的同向端电压小于反向端，则比较器U1A输出低电平，即DCDC电源芯片停止工作;同理，比较器U1B的输出也变低，MOS管导通，电容进行放电，为控制器供电，使负载能够在短时间内不受蓄电池电压暂降的影响，继续正常工作。
4 实测结果
图4所示为实际测量的掉电保持时间波形图，CH2表示蓄电池电压，CH1表示CPU的供电电压。可以看出，电源电压24V掉电到7V左右后又掉到5V，此时CPU持续工作，维持时间约185ms。
实测结果表明，笔者设计的电池电压暂降保持电路有效地防止了电压暂降问题。
5 结束语
电压暂降是影响电能质量的重要因素，笔者针对此问题设计了一个电池电压暂降保持电路。该电路应用低成本的运放芯片、DCDC电源芯片、电解电容和尽可能少的辅助元件，实现了电池电压瞬间跌落的动态、快速补偿。该电路结构简单、占用空间小，触发电压可以精确选择控制，能够适用于绝大多数产品。目前，笔者设计的电池电压暂降保持电路已成功应用于杭州盟控有限公司的柴油发电机组控制器产品中，效果理想，表明该保持电路具有良好的可行性与实用性。
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电压降计算论文 篇4
某重要电力用户A是一家致力于半导体铸造的制造商, 装备了中国最先进的半导体生产线, 提供从0.13μm到55nm晶圆制程工艺设计和制造服务。晶圆是硅半导体集成电路制作所用的硅晶片, 通过在硅晶片上加工制作成各种电路元件结构, 而成为具有特定电性功能的IC产品。2011年3月10日, 发生15台化学机械研磨设备停机事故, 并导致83片芯片报废。
事故原因
调用当日用户A电能质量在线监测装置日志, 记录了一起电压暂降事件 (三相电压暂降到额定电压的26%, 持续时间为61ms) 。现场运行人员指出事故期间有多个接触器脱扣。初步判断事故原因是化学机械研磨设备电气控制回路中交流接触器因电压过低造成电磁线圈无法吸磁, 导致设备停机。利用便携式工业用电压暂降发生装置, 对同型号的机械研磨设备进行电压暂降扰动测试。设置电压暂降发生器输出扰动为电压暂降至额定电压的26%, 持续时间为61ms, 研磨设备停机, 事故重现, 从而可判定此次事故是由机械研磨设备电气控制系统中的交流接触器失压引起的。
事故影响
用户A为全天24小时连续生产, 机台设备停机后, 重启需要数个小时, 给企业造成严重的生产损失。重启前需要进行生产环境的清理, 恢复特定的生产温度、湿度及清洁度。所有环境指标测试合格后, 才可重启机台, 期间耗费的水、电、人力等重启成本数目可观。另外, 研磨工序导致的芯片报废也带来较大的经济损失。
解决方案
交流接触器电压暂降耐受能力分析
分析交流接触器电压暂降耐受能力, 对于合理制定解决方案具有重要指导意义。交流接触器主要由电磁系统和触点系统构成。电磁系统由电磁线圈和铁芯组成, 控制触点的闭合与断开。其工作原理是当电磁线圈接通工作电压时, 电磁力克服弹簧反作用力将衔铁吸向铁芯, 使主触点闭合, 常开辅助触点闭合, 常闭辅助触点断开。当接触器电磁线圈不通电或工作电压偏低时, 弹簧的反作用力大于线圈电磁力, 使主触点断开, 常开辅助触点断开, 常闭辅助触点闭合。对用户A交流接触器样品 (施耐德LC1 D50) 进行电压暂降耐受能力试验研究, 测试系统框图如图1所示。
图1中电压暂降发生装置可产生初始相位角、深度及持续时间可控的电压暂降事件, 用以测试交流接触器在不同电压暂降情况下的耐受能力。利用测试系统进行多次试验研究, 部分测试数据如下:交流接触器电磁线圈供电电压暂降初始相位角和持续时间均相同, 分别为100° (电压暂降最敏感相角) 和200ms;电压暂降深度不同, 从线圈额定电压的0%变化至90%;若200ms内不脱扣, 暂降持续时间增至10000ms。试验数据如表1所示。数据显示, 在电压暂降至43%及以上时, 交流接触器可以长时间保持吸合而不脱扣。由以上数据可绘制交流接触器电压暂降耐受能力特性曲线, 如图2所示。这条曲线将平面分为两个区域, 左侧为交流接触器正常工作区, 右侧为交流接触器非工作区。当电压暂降事件落于工作区时, 交流接触器可正常工作;暂降事件落于非工作区时, 交流接触器会脱扣。
用户A要求同时治理电压暂降和短时中断问题, 由表1可知交流接触器最小电压耐受能力为8.59ms, 因而选择治理设备时, 设备的动作时间应小于该时间值。在此参考时间值下, 可供选择的治理设备有固态切换开关 (Solid State Transfer Switch, SSTS) 和动态电压恢复器 (Dynamic Voltage Restorer, DVR) 等。
SSTS解决方案
SSTS主要由并联快速开关PS1和PS2、反并联晶闸管开关TS1和TS2以及电力开关Q0、Q1、Q2等组成, 其基本结构如图3所示。
正常运行期间, 由主电源给负载供电, 并联高速机械开关PS1闭合, 晶闸管开关TS1被旁路, 电力开关Q0闭合。当主电源发生电压暂降, 并且暂降幅值超过敏感负载正常运行所能承受的限值时, SSTS控制系统发出切换指令, PS1关断, 同时触发TS1导通, 电流立即转移到晶闸管上, 在PS1打开时, 几乎不会有电弧, 即使有也会因为晶闸管的导通而迅速熄灭。然后撤销TS1的触发信号, 晶闸管将在此后电流第一次过零时关断。随后触发另一侧的晶闸管开关TS2导通, 备用电源开始给负载供电。此时, 实际上己经完成了切换。待经过一段时间稳定后, 控制系统再发出闭合PS2的命令, 此时晶闸管TS2还在导通, 两端压降接近于零, 闭合PS2不会产生电弧, 然后撤销TS2的触发信号完成整个切换过程。当SSTS需要维护时, 通过电力开关Q1或者Q2来给负载不间断供电[1,2,3,4]。
SSTS两路电源典型切换时间为5ms, 不同品牌SSTS切换时间不尽相同, 为了保证满足用户A的需求, 需要进行SSTS性能测试, 测试系统框图如图4所示。
利用测试系统对某品牌的SSTS进行多次试验研究, 部分测试数据如下:电压暂降发生装置使主用电源电压暂降至额定值70%, 持续时间20ms, SSTS检测到电源异常, 将负载从主用电源切换至备用电源, 波形如图5所示;图5中, 蓝色曲线代表备用电源C相电压, 红色曲线代表主用电源C相电压, 绿色曲线代表SSTS输出端C相电压, 电压探头衰减500:1, 由图5可知SSTS切换时间为6.5ms, 可确保机械研磨设备电气控制系统安全连续运行。
DVR解决方案
DVR是定制电力技术中常用的串联型电能质量调节装置, 它相当于一个串联在电网和负荷之间可控的电压源, 如图6所示。当电网侧电压出现一定的暂降时, DVR产生可控幅值和相角的电压分量, 向电网加入需要的补偿电压, 由此来维持用户负载电压处于正常水平, 从而保证负载不受电网电压波动的影响。典型DVR拓扑结构主要由直流储能单元、逆变单元、滤波单元和耦合单元组成[5,6,7]。为了保证满足用户A的需求, 需要进行DVR性能测试, 测试系统框图如图7所示, 其中监测点有两个, 分别为监测点A和监测点B, 位于DVR装置的输入端和输出端。
利用测试系统对某品牌的DVR进行多次试验研究, 部分测试数据如下:电压暂降发生装置使供电电源电压暂降至额定值30%, 持续时间6000ms, 测试DVR从检测到电源异常到开始动作补偿的响应时间以及最大的补偿时长。测试波形如图8、图9所示。图中, 蓝色曲线代表监测点B的C相电压, 红色曲线代表监测点A的C相电压, 电压探头衰减都为500:1, 由图可知DVR补偿响应时间以及最大的补偿时长分别为1.6ms、5.05s。测试结果表明DVR可以满足用户A机械研磨设备电气控制系统安全连续运行。
结束语
电压暂降问题已引起电力公司和重要电力用户的高度关注, 特别是一些高科技园区、大型医院、商场和银行等, 由此引起的用电投诉数量近年呈上升趋势。电力公司从提升用户服务意识和服务质量、改善企业社会形象角度出发, 有必要掌握电压暂降对重要电力用户的影响以及典型的电压暂降综合治理技术, 为重要电力用户定制供用电提供技术支持与无缝的咨询服务, 指导用户对高质量用电进行投资, 促进节能与增效。
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芯片制造厂电压暂降问题及治理 篇5
随着上世纪90年代电力电子设备的广泛应用, 电压暂降才日益成为关注的焦点。在影响电能质量的诸多因素中, 电压暂降引起用户的投诉最多, 主要有以下几方面原因:
1) 电压暂降发生的频率远高于其它电力品质问题, 根据美国电力研究协会 (EPRI) 调查工业界面临的最大电力品质问题就是电压暂降。据统计60%以上的电压暂降事件都和雷击、台风、暴雨等恶劣的天气有关。当高压输电线路发生风筝、热气球引起的短路故障时, 该线路上甚至几公里外的电力用户依然会受到影响。
2) 由于电压暂降所引起的生产设备误动作、中断等事件会给社会带来巨大的经济损失, 严重时甚至造成意外伤亡事件。
3) 现代自动化机电设备对电压暂降的要求比传统的设备要求更高。
所以电压暂降对芯片制造的影响不可忽略, 必须对它加以治理。
1 电压暂降的定义及对芯片制程的影响
国际电气与电子工程师协会I E E E Std1159-1992电压暂降 (voltage sag) , 定义为:供电系统中某点的工频电压均方根值突然下降至额定值的10%~90%, 并在随后的10ms~1min的短暂持续期后恢复正常。如果持续时间超过1min, 则认为是电压偏低。
对于制造芯片这样的高科技产业, 由于生产的产品种类繁多、加工步骤繁多、属于重复混合加工的制造形式, 因此芯片制程中的每一道加工工艺都显得非常重要。常规的动态存储内存的加工工艺约需要200道以上的工序, 其中任何一步的出错都会直接影响产品的良率, 让昂贵的芯片一文不值。制造芯片机台有生产光掩膜的曝光机、光刻机、离子注入机、炉管、等离子刻蚀机、等离子体增强化学气相淀积机等。这些芯片制造机台在工作过程中的优良特性, 例如真空度、沉淀速率、温度、离子注入计量等参数, 在很大程度上依靠稳定可靠的电力品质。
电压暂降导致芯片制造厂生产设备停机有以下几方面原因。第一在生产芯片过程中大量使用有毒有害的气体及化学品, 为避免意外泄露事件的发生都会使用紧急停机连锁功能。在发生电压暂降时, 紧急停机连锁功能的电气控制回路中的继电器会因电压低而触发, 从而导致设备的停机。第二生产过程程中中所所使使用用设设备备的的控控制制单单元元如如PPLLCC及及变变频频器器等的运转参数中对电压暂降的忽略或延时功能没有激活导致设备停机。最后供给生产设备所必须的气体、化学、纯水、冷却水、排气、制程真空等厂务系统当发生电压暂降停机时, 制程设备由于对这些系统的压力等参数有连锁功能因此也会停机。图1芯片制造厂房、设备及厂务系统示意图。由图可以看出无尘室的环境、厂务供应系统、设备控制系统等都相互关联, 只要一个环节因电压暂降导致停机都会影响芯片产能及良率。
2 SM公司电压暂降治理方案的分析及改善
SM公司目前在上海建有多座200MM及300MM晶圆厂, 厂区采用三回路35KV高压供电设计, 经各级变压器转换为10KV/380V/208V向下游负载供电。由于在建厂初期没有考虑电压暂降的问题, 随着这几年产量的不断屡创新高对电压暂降的困扰也是进一步增加。电压暂降的治理分两个方面, 一方面需要提高设备本身抗电压暂降的能力。在设备制造层面应符合SEMI-F47标准, 芯片制造厂在购买设备验收时也应进行抗电压暂降检测。目前已使用设备也需要根据实际情况更换相关器件或对相应的控制单元如单片机、PLC及变频器等的参数进行修改, 激活对电压暂降的忽略或延时功能。由于公司目前已在生产, 大规模修改设备内部器件及参数可能会导致一定的生产风险。
另一方面按照投资回报率高低来提高设备局部或全部供电的电力品质。芯片生产机台电力是否需要电压暂降治理可依据设备同时制造芯片的数量作评估, 例如炉管机台一次有上百片的芯片同时氧化处理, 一旦发生电压暂降的异常停机所造成的损失非常巨大, 因此需要考虑上应该把炉管的机台电源进行抗电压暂降治理。但由于炉管的机台功率有200KVA左右功率比较大不适合全部接入, 因此经过多方面衡量最后把炉管的控制系统及真空泵纳入电压暂降治理范围而主机台仍然用市电。对真空泵电源进行电压暂降治理的目的是:第一电压暂降时可继续维持炉管腔内的真空度避免腔体玷污后芯片报废, 第二避免真空泵跳脱后因互锁导致主机台停机。提高控制系统电力品质的目的是为了在发生电压暂降时, 即使发生主机台停机但由于控制系统仍在工作可以记录整个芯片当前正在工作的工序, 当主机台复机后可继续工作避免长时间停机导致的芯片报废及产能损失。
厂务供应系统方面, 将与生产直接相关的厂务系统中的关键设备纳入电压暂降治理范围。例如芯片制造厂中的制程抽真空系统, 当真空系统中的真空泵突然停止时会发生自动化机器手臂吸取的芯片掉落破片的事故。排气系统主要用于抽除设备所排出的有毒、有害废气。由于有安全隐患排气的压力往往与机台设备有互锁关系, 当发生由电压暂降引起的排气停机导致排气压力降低时会导致所有相关联的机台停机。制程冷却水是供给机台工作过程中降温所使用的, 机台与冷却水的流量有互锁关系。超纯水为芯片制程提供最为清洁的清洗介质, 芯片每一步的加工工序都需要利用超纯水来清洗祛除杂质。气体及化学供应系统由于直接和生产相关, 系统的稳定直接与芯片的制造良率相关联。因此这些系统在电力系统规划时需要考虑抗电压暂降问题。
公司以往的电压暂降治理策略是按照发生暂降后的严重程度分步骤安装不间断电源 (UPS) 。但由于芯片制造厂的电力消耗非常巨大, 因此全部安装UPS所需费用太大而不现实, 并且UPS也有其致命的弱点:1) 由于目前大陆市场没有与机台电压相匹配的208V/50HZ UPS, 需要安装降压变压器这将导致整体效率下降。2) UPS储能器件是电池, 但电池需要25℃的环境温度来维持寿命, 这会增加空调费用。每季度进行电池检测、每4~5年需要更换电池此费用也非常高。电池中所含的铅对环境是高污染。
目前公司进行电压暂降治理的趋势正在从以往使用不间断电源向动态电压补偿器 (DVR, Dynamic Voltage Regulator) 过渡。DVR是一种电压源补偿装置, 串接于电源与负荷之间。当发生电压暂降时, DVR能在几毫秒内将下游负载的电压恢复到正常。DVR是一项新技术, 动态负载性能佳、日常运行损耗小、维护工作量小、它没有蓄电池, 正在被越来越多的制造企业所接受。
结合公司近10年电压暂降记录与动态电压补偿器的补偿曲线, 并分析各品牌动态电压补偿器的优缺点, 最终选择美国SQ公司的DVR。所选择的动态电压补偿器的保护范围及SM公司电压暂降记录的比对如图2所示。发生单相电压暂降时, DVR的保护范围为AA、BB、CC三个区域即可以单相停电保护5S。发生两相电压暂降时, DVR的保护范围为AA、BB区域。发生三相电压暂降时, DVR的保护范围为AA区域即可以停电保护0.2S。从图中可以看出此款DVR完全满足电压暂降的治理要求, 可以保护SM公司近十年来的全部的电压暂降事件。
SQ-DVR工作原理:1) 当市电正常即电压高于额定电压88%时, DVR由静态旁路开关提供电力。2) 市电电压暂降至额定电压50%~88%时, 由逆变器提供补偿需要的电压差。当电压暂降至额定电压55%且交流电处于正半周波时, 整流器D2向电容器C2充电至输入电源的峰值电压。逆变器S1开始通电, C1电容器上的45%额定电压与电源处于串联回路, 负载电压为55%+45%额定电压, 如图3所示。当交流电处于负半周波时, DVR的另一半器件工作也达到电压补偿的作用。3) 当市电电压暂降至额定电压0%~50%时, 利用交叉耦合及电容放电来进行电容补偿。DVR在单相或两相发生电压暂降时, 能充分利用未发生电压暂降相位的电能量以交叉耦合方式, 在电压暂降过程中起到更好的保护效果, 如图4所示。
但DVR有个致命的缺陷就是无法补偿对超过0.2S的停电事件, 为了更好的治理电压暂降甚至短时停电事件需要对原有的DVR进行相应的改造。
由于公司采用三路高压进线, 根据10年来电压暂降事件的统计, 两路同时都发生低于50%的电压暂降的概率非常低, 可以把DVR中交叉补偿的电源回路改造成了另外一路进线电源如图5所示。这样改造后当主回路发生电压暂降而补偿电源正常时, 可以使原系统保护单相停电5S的基础上拓展到两相乃至三相停电5秒的补偿效果。
同时为了系统更有效的工作在电力系统10.5KV侧增加备自投功能 (BZT) 。即在电源回路1发生停电时, 延时1.5S后回路1-1断路器断开、Tie断路器闭合, 此时电源1回路下的负载全部有电源回路2供应。
在改造完成后当电源1发生停电事件时, 由3路电源与电容可以补偿5秒, 但在1.5秒时10.5KV侧备自投会动作使得1路电源下的负载全部转移到2路电源, 因此1.5秒后DVR主电源又恢复正常, 所以DVR下游的负载可以不受电压暂降的影响。
3 改进型动态电压补偿器在厂务系统的应用
由于电压暂降治理项目涉及公司的设备、系统非常繁多, 若短时间全面展开可能会导致公司产能的损失及项目运行的风险。因此决定从厂务纯水系统 (Ultrapure Water, UPW) 开始治理, 发生电压暂降并导致生产影响的都是由于UPW系统中供应用户侧的循环泵、压力提升泵的停机而导致UPW压力过低从而影响生产线设备。因此只要把UPW系统相关的泵治理好就能大大提高整套系统抗电压暂降的能力, 这缩小了UPW系统电压暂降治理的范围。
为了更好的对比治理后的效果, 首先以没有进行治理前发生在2009年6月27日18:43分的电压暂降为例。电压降到额定电压的75.1%, 持续时间为68毫秒, 暂降导致UPW系统出口压力由0.56Mpa降到0.28Mpa, 纯水的流量由399CMH降到318CMH。由于UPW压力波动所导致5台刻蚀设备停机、8台化学机械研磨设备停机, 并导致54片芯片报废。
2011年1月到2月间, SM厂区分别发生3次电压暂降事件。经过公司的电力品质监测仪记录为:1月26日, 发生两相电压暂降到额定电压的83%, 持续时间为72毫秒。2月17日, 发生两相电压暂降到额定电压的68.8%, 持续时间为84毫秒。2月23日, 发生三相电压暂降其中C相降到额定电压的74.7%, 持续时间101毫秒。按照以往情况, 以上电压暂降会导致UPW水压波动以及制程设备的异常停机。但经过治理后由于DVR的电压输出波形完全符合UPW循环泵及压力提成泵的电力品质要求, UPW系统未受到电压暂降的影响如图6。
4 结语
电压暂降已上升为芯片制造厂最为重要的电力品质问题, 在影响芯片制造良率的诸多电力品质问题中占90%以上。本文对电力系统与动态电压补偿器进行改造使之达到电压暂降治理的全覆盖, 通过真实暂降事件的考验, 验证治理方案完全满足要求。
摘要：分析目前配电系统电压暂降治理方案存在的缺陷, 深入研究动态电压补偿器的原理并进行改造, 达到电压暂降治理的全覆盖。
关键词：芯片制造厂,电压暂降,不间断电源,动态电压补偿器
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电压降计算论文 篇6
随着电力电子技术飞速发展,各种敏感、变频设备在电力系统中的广泛应用,电压暂降问题现已成为威胁设备安全和正常稳定运行的严重动态电能质量问题。即使短时电压暂降也可能引发敏感设备故障或停运,造成重大的经济损失[1]。本文主要采用电压暂降频次[2]作为指标来准确刻画和估计电网中电压暂降信息。
母线节点上安装电能质量监测仪可直接记录此节点发生的电压暂降频次,但出于经济性考虑,为使电网建设成本最小化,优化配置后电网中监测仪安装的数量变得有限[3,4,5,6],如何利用监测节点发生的电压暂降频次来准确估计未装监测设备母线节点的暂降频次,进而获得整个电网的电压暂降信息,是一项具有重要现实意义的研究课题[7,8,9]。
系统故障受网络拓扑、故障类型、故障点、故障阻抗、变压器接线方式等多种不确定性因素影响,增加了评估难度。现有方法主要分两类: 基于实测的统计分析法[6,8,9,10]和基于随 机建模的 随机估计法[7,8,9]。实测统计法合理的精确度需要很长的测量周期,需要安装监测设备,成本较高,且统计故障率易受天气因素、绝缘子污秽程度以及人为因素等外界影响[11]。随机估计法主要分临界距离法和随机故障点法[9]。基于此我国学者王宾较早提出电压暂降状态估计方法[4],该方法采用最小二乘法搜索故障点所在路径,进而估计非监测点电压暂降幅值特征,但该方法只局限于简单辐射性电网,不适用于环网; 文献[9]采用随机故障点法将线路故障段均一划分得到电压暂降状态估计方程,但此方法获取较高的精确度需要设置较多的故障点,计算量较大,并且对如何合理地设置故障点数目和位置至今没有统一标准。本文将解析法[12,13]和随机故障点法相结合,利用节点阻抗矩阵,根据电压暂降幅值对传输线故障距离的解析式计算得到各种短路故障情况下各电压限值对应的临界故障点,合理划分线路故障区间可大量减少计算量的同时满足评估精度的要求。
2 VSSE 的基本原理
状态估计中,通用的数学表达式为:
式中,H为量测矩阵,本文和文献[5]相似,H中每个元素表示装有量测设备的母线节点记录的电压暂降频次,暂降电压对应于一个预先设定的临界电压值; 状态变量X基于故障位置的概念,X中每个元素表示线路故障区间发生故障频次[14]; M为量测量和状态变量的关系矩阵; I为测量误差,可忽略不计[8]。式( 1) 中相关变量矩阵具体形成阐述如下。
3 VSSE 建模
首先,假设电网有N个节点,L条支路,监测仪的数量设为C,显然,本文讨论的问题中C < N。
3. 1 量测矩阵 H 的建立
H由C个监测仪记录量测的电压暂降频次数据直接形成。通常,暂降表示故障发生时母线残余电压小于预先设定的临界电压值。若是三相不对称故障,母线残余电压取其中电压幅值最小的一相。
给定一个临界电压值V,得到相对应的量测量HV。HV中每个元素表示母线残余电压低于临界电压值V时相应的监测仪记录的暂降次数。因此,HV中共包含C个元素,且都为整型。
3. 2 状态变量矩阵 X 的建立
随机故障点法的基本思想为: 预先随机设定系统中的故障点,通过计算这些故障点故障所引起的电压暂降,来具体分析其具体的特征量信息。如图1所示,图中横轴代表故障线路的百分比,t1表示预先设定的临界电压阈值。若故障点数选取过少,线路故障区间随机划为0 ~ p1,p1~ p2,p2~ 1,由于实际母线电压包含在p1~ p2区间内,这对于发生在p1~ p2区间故障点检测与估计将造成不准确,进而导致评估结果精度变差。反之一味增加故障点数则会加大计算冗余度。如何设置故障点的位置与数目对电压暂降状态估计分析计算至关重要。
为了合理划分线路故障区间,可以利用解析法分析系统短路故障,基本原理如图2所示。假定线路p-q上的节点r处发生故障,节点k为监测点。
监测点处的电压Ek根据叠加原理可以用故障前的电压Ek0和节点阻抗矩阵表示:
式中,Zkr、Zkq、Zkp、Zpq分别为阻抗矩阵Z中节点k、r、p、q间的互阻抗; Zrr、Zpp、Zqq代表节点r、p、q的自阻抗; zpq代表线路p-q段的阻抗。
基于此,本文将解析法和故障点法相结合合理确定线路故障区间。如图3所示,为简单起见,此事例中只包含一条被监测的母线m1和一条待估计母线m2,图中表示系统中沿某条线路li发生故障时在母线m1和m2求得的残余母线电压的幅值。对于预先设定的电压阈值为t1,利用上述方法推导得到系统故障时节点电压对输电线路故障距离的函数表达式,再对应不同的电压暂降临界值得出线路上的临界故障点,将线路li划分为0 ~ p1,p1~ p2,p2~ p3,p3~ 1四个区段。
用上述方法遍历系统中所有线路L则可获得全网在电压阈值t1下线路总的故障区间P1。状态变量矩阵X1中每个元素表示每个故障区间内发生的故障次数。
3. 3 关系矩阵 M 的建立
由式( 1) 可知,矩阵M1( 对应临界电压值t1) 表示状态变量矩阵X1与量测量矩阵H1之间的关系。建立M1具体步骤如下:
( 1) 由3. 2节方法求得全网在电压阈值t1下线路总的故障区间P1;
( 2) 根据电网的参数和拓扑结构,随机模拟发生P1个故障区间内短路故障。
( 3) 分别计算出故障区间P1内发生短路故障时在C个安装在母线节点监测仪记录的母线残余电压。
将计算得出的电压值与相应的临界电压值比较形成关系矩阵M1。M1为二进制矩阵,M1中每个元素对应一条被监测母线与一个故障区间发生故障的关系,其值为1或0,即:
式中,A表示故障区间p发生故障时在监测母线产生的残余电压低于临界电压值t1; B表示故障区间p发生故障时在监测母线产生的残余电压高于临界电压值t1。
通过图3,易理解M1的形成,图中假设只有一条被监测的母线m1,则M1为:
由于p1,p4所在故障区间内发生故障求得母线m1残余电压小于t1,则,同时表示在母线m1引发电压暂降;
同理m1( 1,2) = m1( 1,3) = 0,因为在p2所在故障区间内发生故障求得母线m1残余电压大于t1,表示未引发母线m1电压暂降。
考虑整个电网所有输电线路,新的列将被加入矩阵M1,每一列对应线路的一个故障区间。值得注意的是,矩阵M1仅仅取决于被考虑电网的性质,对于一个给定电网和一个给定临界电压值只需要估算一次。
需要说明的是,电网中监测仪的安装数量与位置会影响VSSE的精度,本文监测仪安装配置采用文献[6,12]的方法,保证系统中任何位置发生故障至少能被一台监测仪测量记录。如此,M1中每列至少包含一个非0元素,即M1行满秩。
3. 4 VSSE 一般化
设定一个临界电压值t,则
考虑整个电网,VSSE一般形式为:
式中,Ht1,Ht2,…,Ht T为量测量,表示在监测母线在给定临界电压值t = t1,t2,…,tT时监测仪记录相对应的电压暂降频次; Mt1,Mt2,…,Mt T为临界电压值t= t1,t2,…,tT时相对应的二进制关系矩阵; X为状态变量。
式( 3) 可简化写为:
4 基于广义逆算法求解 VSSE
4. 1 状态变量 X 的求取
传统的状态估计方程往往是超定的,然而由于量测量不足,本文中由于监测仪的数量少于母线节点数,即C < N,式( 7) 为欠定方程或者叫病态方程。针对该问题,文献[12]采用了整数线性规划( ILP)的方法,但此方法求解速度较慢,文献[15,16]分别采用神经网络算法( ANN) 和遗传算法( GA) 通过迭代寻优的方法求解欠定方程组,相比ILP算法提高了计算效率。但GA算法对于求解高维度、多局部极值复杂问题,在迭代的过程中可能导致算法陷于局部最优的情况,在收敛速度和精度上难以达到期望要求[9],且该方法在交叉和变异时参数的选择目前大部分依靠主观经验,这严重影响解的品质。基于此本文则采用广义逆算法[15,16,17],此方法本身没有算法参数约束问题,且相对于ILP、ANN、GA算法,该方法不需要迭代,不存在收敛性问题,由于此方法计算复杂度较小,计算历时明显减少,同时也适合任何复杂电网。
基于广义逆算法理论,对于式( 7) ,易证明关系矩阵M满足Moore-Penrose方程[9],本文中由于优化配置使得电网中任意位置发生故障至少能被一台监测仪所检测,因此关系矩阵M中每列元素至少有一个非零元素,即M行满秩,所以存在M的Moore-Penrose逆为[11]:
结合式( 8) 则式( 7) 解为:
定理可证明方程组MX = H为欠定方程组时,解X = M+H不但是最小二乘解,而且是具有极小范数的最小二乘解,或最佳逼近解[12,16],简记为LNLS解。利用广义逆算法的求解结果实质上是满足以下约束条件:
式中,min‖x‖_2表示状态变量的最小二次范数。
4. 2 电压暂降频次的估计
为估计全网的电压暂降频次,还需建立关系矩阵Mtnm,和3. 3节中M矩阵建立相似,不同的是Mtnm中考虑的是未安装监测仪的母线节点。Mtnm的元素形成如下:
式中,A表示故障区间p发生故障时在未被监测母线产生的残余电压低于临界电压值t; B表示故障区间p发生故障时在未被监测母线产生的残余电压高于临界电压值t。
将求得的关系矩阵Mtnm与状态变量相乘即可得带估计母线节点的电压暂降频次:
结合式( 10) ,则式( 11) 转化为:
式中,Htnm中每个元素表示电压阈值t下,未安装监测仪母线节点的电压暂降频次。
5 算例仿真
利用上述方法应用于IEEE30节点标准测试系统,系统数据由文献[18]提供,电网接线图如图4所示,由6个发电厂、30条母线、37条传输线和10台变压器组成。本文模拟故障为三相短路故障,不对称故障参看文献[15],本文不再赘述。利用GA算法和广义逆算法仿真结果对比如图5 ~ 图7所示。
图5 ~ 图7分别描绘电压阈值设置为0. 7pu、0. 9pu、0. 8pu时实际母线电压暂降频次和估计的暂降频次,误差结果见表1和表2,误差定义为:
表1和表2误差结果表明广义逆算法精度明显优于遗传算法,利用该方法估计出平均电压暂降频次和实际值非常接近,其有效性和准确性显著。表3为针对不同阶数网络两种算法在Matlab中运算时间结果对比。从表3明显可以看出,由于广义逆算法无需迭代,计算历时相比遗传算法大幅度减少,比如针对IEEE-30节点电压阈值设为0. 7pu时,运用GA算法需要1087s,但通过广 义逆算法 只需要9. 53s的短暂时间。
( 单位: s)
另外,注意到随着设定电压阈值的降低,平均误差也随之升高,这是由于电压阈值设置越低,对应监测仪的监测范围随之减小,评估结果误差会相应增加。
6 结论
电压降计算论文 篇7
随着大功率电力电子和自动控制等技术的迅猛发展,以及各种新型用电设备和冲击性负荷的大量使用,供、用电双方对电能质量提出了越来越高的要求[1]。在电能质量问题的各种现象中,电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题之一[2]。电压暂降不仅导致电压敏感设备不能正常工作,而且会带来巨大的经济损失,甚至造成设备毁坏和人员伤亡。 引起电压暂降的原因有很多,其中短路故障、大负荷装置启动和雷击是引起电压暂降的最主要原因; 在输配电系统中发生开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时,也会引起电压暂降[3]。国内外广大电力工作者对如何改善和治理电压暂降问题, 做了广泛的研究[4,5,6,7,8,9,10]。而解决这些问题的前提是快速准确地定位电压暂降的发生以及检测其持续时间。Flavio B. Costa等提出了一种基于小波系数能量的电压暂降分析方法[11],该方法由于使用了均方根电压值进行数据分析,导致时间滞后,从而产生了定位误差。文献[12]提出了一种使用强跟踪滤波器检测暂态电能质量扰动的方法,在处理电压暂降问题中能够有效捕捉电压暂降的发生,但需要对大量的数据进行处理,实时性不高。M. Sabarimalai Manikanda等提出了一种使用稀疏信号分解检测和分类电能质量扰动的方法[13],在处理电压暂降问题时,需要同时提取原始信号的细节和近似信号,再对包含细节或近似信号的瞬时均方根波形进行提取分析,运算繁杂,计算量大。
为了克服传统算法运算复杂、检测精度较差的问题,本文基于电压暂降发生时电压下降伴随电流上升导致阻抗大幅跌落的特性,提出了一种结合Hilbert变换的电压暂降定位方法,用于检测线路故障引起的电压暂降。首先对检测到的电力系统电压和电流信号分别进行Hilbert变换,构造其解析式, 然后计算出对应的阻抗模值以及相位。在电压暂降发生时,该方法相较于电压幅值的变化,阻抗幅值会相对急剧,结合设定的超限判别,可以准确定位电压暂降的发生以及检测其持续时间。实验表明, 阻抗模值会凸显电压暂降的发生,同时由于检测精度高,易于判别,具有较高的应用价值。
1基于复阻抗的电压暂降定位原理
1.1 Hilbert变换
对于检测的任意实因果信号st , st 的Hilbert变换[14,15,16]定义为
式(1)中, h(t) =1/ πt的Fourier变换是符号函数sgn(ω)。s(t)与(t可组成一个复共轭对,得到解析信号:
式(2)中a(t) 为振幅,φ(t 为相位,即
通过以上分析可以得出,Hilbert变换相当于幅频特性为1,负频率分量+90°相移、正频率分量-90° 相移的全通滤波器。信号st 经过Hilbert变换后, 解析信号剔除了实信号的负频率成分,同时不会造成任何信息损失。
对于离散时间信号,信号sn 的Hilbert变换定义为
其中
式(5)中,k为整数。同样,构造sn 的解析信号为
1.2电压暂降信号检测
复阻抗应用于电能质量扰动信号分析,首先需要定义其抽样信号模型,这里构造电压和电流信号的仿真模型为
式中:U、I分别为电压、电流的有效值; f为频率;α、β 为初始相位。
式(7)经Hilbert变换以后得到电压、电流信号的解析信号为
本文所求的阻抗模值Z以及相位φZ分别为
1.3电压暂降超限判别
电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件,其典型持续时间为0.5~30周波, IEEE将其定义为下降到额定值的90%~10%。而且, 电压暂降往往还伴随有电压相位跳变。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量[1]。
离散的电压电流信号分别经过Hilbert变换,构造出相应的解析信号,得到实际复阻抗的模值和相位;同时由软件锁相环获取的额定电压信号和实际电流信号分别经过Hilbert变换,构造相应解析信号后得到复阻抗的额定模值和额定相位。根据式(10) 及电压暂降相关定义获取电压暂降的发生时间和持续时间,从而判定电压暂降的发生。其中Zact、Zspe为实际阻抗和额定阻抗,、和分别为实际电压、电流和额定电压构造的相应解析信号。
根据电压暂降的定义,设定实际阻抗下降到额定阻抗的90%~10%之间,即发生电压暂降。通过软件锁相环锁定获取判别基准线Zspe,从而划定两条分别为0.9 p.u.和0.1 p.u.的电压暂降判别线。在电压暂降发生的判定中,根据阻抗模值与其判别线的两次相交,判定电压暂降的产生时刻和持续时间。
在电压暂降发生时,电流会随之上升,对应的阻抗模值则会大幅下降,从而更精准地检测到电压暂降的发生;阻抗相位的检测主要用于电压发生暂降时导致相位跳变相关机理的分析。
2基于复阻抗的电压暂降定位仿真
为了对扰动信号进行分析,下面模拟了电压暂降的信号。首先讨论发生电压暂降时未伴随相位跳变的情况,构造的电压和电流信号模型如式(11)和式(12)所示。
输入的电压和电流信号波形如图1所示。将上述信号分别进行Hilbert变换,构造其解析信号,从而得到相应的阻抗模值和相位,阻抗模值中的虚线表示电压暂降的两条判别线,如图2所示。
由图2可以看出,在电压暂降发生的0.1~0.2 s, 阻抗模值从22 Ω 跌落至5 Ω,相位保持在60°不变, 仅在0.1 s和0.2 s处有两个小突起,电压暂降持续了0.1 s。
接下来对比发生电压暂降时伴随相位跳变的情况,构造的电压和电流信号模型如式(13)和式(14) 所示。
电压和电流信号的波形如图3所示,此时发生电压暂降的同时伴随了相位跳变,电压初相位由2π/3跳变为 π/3,电流初相位由 π/3跳变为2π/3。将上述信号分别经过Hilbert变换,得到其解析信号,检测出对应的阻抗模值和相位,同样阻抗模值中的虚线表示电压暂降的两条判别线,如图4所示。
由图4可以看出,电压暂降发生在0.1~0.2 s, 阻抗模值也从22 Ω 跌落至5 Ω,而阻抗相位由60° 跳变到了-60°,电压暂降同样持续了0.1 s。在实际应用中,阻抗模值为判定标准,相位用于辅助分析。
基于上述实验效果,下面通过搭建三相电压暂降的模型进行验证,此模型为定步长采样,检测时间在0~0.5 s。设置三相电源相间电压为380 V,频率为50 Hz,内阻为0.312 Ω,电抗量为2.081 82 Ω;线路Line 1、2、3、4均为50 km;三相开关在0.15~0.3s闭合,A、B、C三相同时作用,开关电阻为0.001Ω,缓冲电阻为0.000 006 Ω,缓冲电容无穷大。图5、 图6和图7分别为仿真模型、三相电压和电流波形。
可以看到图6中A、B、C三相的电压幅值从311.81 V降至180.78 V,在三相开关作用的0.15 s和0.3 s都发生了短暂的畸变,0.3 s之后A、B、C三相的电压幅值最大时分别达到514.35 V、753.29 V和582.66 V,之后三相电压幅值又很快回到了初始的311.81 V;图7中A、B、C三相的电流幅值初始值为20.98 A,0.15 s三相开关闭合后发生显著增大, 最大幅值分别达到49.89 A、42.07 A和44.32 A,之后在0.3 s三相开关断开后又恢复到之前的20.98 A。
下面将得到的仿真波形数据提取出来进行分析。对三相中的每一组电压电流数据分别进行Hilbert变换获取其解析信号,从而得到相应的阻抗模值和相位;同时结合软件锁相环获取的电压暂降判别线,检测这三组数据,阻抗模值中的虚线即表示电压暂降的两条判别线,如图8所示。
由图8可以看出,A、B、C三相的阻抗模值与电压暂降判别线分别发生了两次相交,第一次相交分别在0.152 s、0.149 s和0.152 s,第二次相交分别在0.300 s、0.299 s和0.302 s。这里说明了此次电压暂降发生的时间在0.15~0.3 s之间,持续时间为0.15 s。通过以上阻抗模值和电压暂降判别线的相交可以准确地将电压暂降发生的时间进行定位,表明本文提出的方法具有一定的实用价值。
3实际数据分析
为了进一步验证该方法的可行性,对某大型企业的电压和电流信号进行监测,提取了某日11时06分38秒感应电动机启动时的电压和电流数据, 如图9和图10所示。测得电压、电流信号的初始幅值分别为310.23 V和26.14 A,感应电动机启动平稳后的幅值分别为295.13 V和25.98 A。
如图11所示,对检测到的上述三相电压、电流信号进行处理,可见阻抗模值在感应电动机启动前为11.87 Ω,平稳后为11.36 Ω。A、B、C三相阻抗模值与电压暂降判别线的两次相交时间分别在38.321 s、38.318 s、38.318 s和38.348 s、38.349 s、38.351 s,即电压暂降发生的时间在38.32~38.35 s之间,持续了0.03 s。感应电动机启动前阻抗相位在28.74°,启动平稳后变为42.49°。
4结论