大功率高壓變頻器的失電跨越控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電能變換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率高壓變頻器的失電跨越控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來能源問題引起了國家的高度重視，各種電動機(jī)負(fù)載是電能消耗的大戶，也 是節(jié)電潛力最大的用戶，因此國務(wù)院《節(jié)能減排"十二五"規(guī)劃》將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程列入國 家節(jié)能減排的重點(diǎn)工程。根據(jù)國家《電動機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對策研究》的報告披露， 我國電動機(jī)總裝機(jī)容量已超過5. 8億千瓦，發(fā)電總量的66%消耗在電動機(jī)類負(fù)載上。由于 電機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是按照最大化、最嚴(yán)酷工況來選擇電機(jī)，這種不合理的設(shè)計(jì)要求造 成電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率低，由于是通過擋板來控制流量，電機(jī)始終輸出額定功率，造成電 能的巨大浪費(fèi)。因此采用高壓變頻器對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制來調(diào)節(jié)流量，對于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降 耗的總體目標(biāo)具有至關(guān)重要的意義。
[0003] 在采用高壓變頻器的調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中存在以下關(guān)鍵問題：由于負(fù)載突變、 各種短時的對稱或非對稱短路等原因，電網(wǎng)會經(jīng)常存在幾百毫秒甚至數(shù)秒級的失電現(xiàn)象， 據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種擾動在電力電源系統(tǒng)發(fā)生的概率高達(dá)所有故障擾動的92%。該問題輕則導(dǎo)致 正常運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)，重則導(dǎo)致設(shè)備損毀，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。
[0004] 因此，對于高品質(zhì)的高壓變頻器產(chǎn)品，假如具備在電網(wǎng)短時失電期間的跨越功能， 并且在電網(wǎng)恢復(fù)以后，又能夠迅速恢復(fù)到電網(wǎng)失電之前的工況，則會具有更為廣泛的應(yīng)用 前景，而這種功能即稱之為"失電跨越"。為達(dá)到此目標(biāo)，需要解決以下兩個問題：
[0005] 要進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地失電檢測。
[0006] 盡量維持直流母線電壓，使之不下降過多而導(dǎo)致欠壓保護(hù)。
[0007]目前，由于用戶要求的不同和負(fù)載特性的差異，失電跨越?jīng)]有一個完全統(tǒng)一的標(biāo) 準(zhǔn)，主要有以下幾種方法：
[0008] (1)通過設(shè)計(jì)內(nèi)部模型控制器來控制調(diào)速驅(qū)動器的輸出電壓和電流，實(shí)驗(yàn)證明， 該控制器在輸出能滿足2/3負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)速能恢復(fù)的最低允許電壓跌落值為原電壓的 45%，轉(zhuǎn)速在電壓跌落的過程中保持不變的最低允許電壓跌落值為原來的20%。但是這種 方法只適用于電壓跌落比較小，同時跌落時間不長的情況，應(yīng)用起來有一定的局限性，另外 對控制器及電路參數(shù)的精確性的依賴性也很強(qiáng)。
[0009] (2)通過改變主電路拓?fù)洌热缜凹壊捎萌豍ffM整流代替不控整流來短時維持 直流母線電壓，通過控制PWM整流器實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的恒定，電路能夠承受的最大電壓 跌落取決于整流橋的電流等級和系統(tǒng)的負(fù)載。但是這種方法成本太高、控制復(fù)雜，而且調(diào)速 系統(tǒng)占地空間大，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
[0010] (3)利用儲能技術(shù)提高交流調(diào)速系統(tǒng)承受電壓跌落能力，包括：電池備份系統(tǒng)、超 級電容系統(tǒng)、電動機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)、超導(dǎo)磁性儲能系統(tǒng)、燃料電池。該方法從 承受電壓跌落的能力來講儲能是最強(qiáng)的，但是從經(jīng)濟(jì)性的角度來講其成本過高，不利于普 遍應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于現(xiàn)有主電路拓?fù)浼坝布?shù)，失電 判斷快速準(zhǔn)確，并可避免直流欠壓故障的大功率高壓變頻器的失電跨越控制方法。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)方案為，包括以下步驟：
[0013] 步驟1):判斷電網(wǎng)是否處于失電狀態(tài)，若是則執(zhí)行步驟2);
[0014] 步驟2):脫開矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制環(huán)，設(shè)定轉(zhuǎn)矩電流指令值；
[0015] 步驟3):采用直流電壓外環(huán)，轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制機(jī)制，控制直流電壓穩(wěn) 定輸出；
[0016] 步驟4):判斷電網(wǎng)是否恢復(fù)，若否則返回步驟3)，若是則執(zhí)行步驟5);
[0017] 步驟5):脫開直流電壓控制環(huán)，投入轉(zhuǎn)速控制環(huán)。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟1)中失電狀態(tài)判斷方法如下：將本周期采樣的電網(wǎng)相電壓瞬 時值與存儲在內(nèi)存中的上一個正弦周期的采樣值作比較，當(dāng)其差值的絕對值和總直流母線 電壓均達(dá)到失電標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為電網(wǎng)失電。
[0019] 進(jìn)一步的，所述失電標(biāo)準(zhǔn)為：本周期采樣的電網(wǎng)相電壓瞬時值與存儲在內(nèi)存中的 上一個正弦周期的采樣值的差值絕對值大于額定值的5%，總直流母線電壓低于額定值的 80%〇
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟2)中轉(zhuǎn)矩電流指令值設(shè)定為零安培。
[0021] 進(jìn)一步的，所述步驟2)中還需將定子磁鏈指令值設(shè)定為額定指令值的一半。
[0022] 進(jìn)一步的，所述步驟3)中，采用直流電壓外環(huán)，轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制機(jī)制 控制直流電壓穩(wěn)定輸出的具體方式為：設(shè)定功率單元的直流電壓指令為標(biāo)定值，根據(jù)實(shí)時 采樣獲得的直流母線電壓值計(jì)算直流電壓偏差，通過PI控制算法實(shí)時調(diào)整變頻器吸收或 發(fā)出的轉(zhuǎn)矩電流的大小，使直流電壓以標(biāo)定值穩(wěn)定輸出。
[0023] 進(jìn)一步的，所述步驟3)中，直流電壓外環(huán)，轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制機(jī)制的轉(zhuǎn) 矩電流指令限幅值為[-1515]。
[0024] 進(jìn)一步的，所述步驟4)中電網(wǎng)恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)為電網(wǎng)相電壓的有效值大于額定值的 90 %，且總直流母線電壓大于額定值的90 %。
[0025] 進(jìn)一步的，所述步驟5)中，脫開直流電壓控制環(huán)，投入轉(zhuǎn)速控制環(huán)后，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn) 速指令為電網(wǎng)失電之前的轉(zhuǎn)速值，以固定加速度平穩(wěn)恢恢復(fù)機(jī)轉(zhuǎn)速。
[0026] 進(jìn)一步的，所述步驟5)中，脫開直流電壓控制環(huán)，投入轉(zhuǎn)速控制環(huán)后，設(shè)定電機(jī)磁 鏈指令為額定值，以固定加速度平穩(wěn)恢復(fù)磁鏈。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：本方法無需改變現(xiàn)有的主電路拓?fù)浼坝布?shù)，幾乎不增加 設(shè)備成本；采用電網(wǎng)電壓瞬時值結(jié)合直流電壓來進(jìn)行電網(wǎng)失電的檢測，兼具快速性和準(zhǔn)確 性，避免了誤動作；整個電網(wǎng)失電期間，利用矢量控制算法，脫開轉(zhuǎn)速環(huán)，并直接設(shè)定轉(zhuǎn)矩電 流指令值為零安培，避免了直流欠壓故障；設(shè)定定子磁鏈指令為額定磁鏈值的一半，避免由 于直流電壓下降導(dǎo)致PWM過調(diào)制；利用直流電壓控制算法，利用電機(jī)轉(zhuǎn)軸的慣性能量穩(wěn)定 直流電壓，避免欠壓保護(hù)停機(jī)；電網(wǎng)恢復(fù)后，僅需通過同時恢復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈，即可保證 調(diào)速系統(tǒng)恢復(fù)到失電之前的工況穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)失電跨越。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明控制流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖；
[0030] 圖3為基于定子磁鏈定向的無速度傳感器矢量控制算法原理框圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明直流電壓外環(huán)、轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)控制策略原理框圖；
[0032] 圖5為轉(zhuǎn)矩電流波形圖；
[0033] 圖6為功率單元直流電壓波形圖；
[0034] 圖7為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖；
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)例并結(jié)合附 圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0036] 以圖2中的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為例，對本發(fā)明所提出的"失電跨越"控制方法的原 理及實(shí)際實(shí)施進(jìn)行說明。如圖1所示，本發(fā)明所示方法包括以下步驟：
[0037] 步驟1):判斷電網(wǎng)是否處于失電狀態(tài)，若是則執(zhí)行步驟2)。為避免在停機(jī)或待機(jī) 狀態(tài)啟動"失電跨越"控制方法，判斷電網(wǎng)是否處于失電狀態(tài)的前提是系統(tǒng)處于正常運(yùn)行工 況。電網(wǎng)的失電判斷，傳統(tǒng)的方法采用電網(wǎng)電壓有效值檢測或者直流電壓檢測等，但是檢測 及判斷時間往往大于10mS，可能導(dǎo)致直流欠壓保護(hù)。本發(fā)明通過電網(wǎng)電壓瞬時值的變化結(jié) 合直流電壓值進(jìn)行電網(wǎng)失電檢測，檢測算法的原理是：將本周期采樣的電網(wǎng)相電壓瞬時值 與存儲在內(nèi)存中的上一個正弦周期的采樣值做比較，當(dāng)差值的絕對值大于額定值的5%，且 總直流母線電壓低于額定值的80%，則認(rèn)為電網(wǎng)失電。采用瞬時值進(jìn)行判斷，能夠保證失電 檢測快速性，電網(wǎng)失電的檢出時間小于ImS ;同時，增加直流電壓值的判據(jù)，又避免了誤判 斷發(fā)生。
[0038] 步驟2):脫開矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制環(huán)，設(shè)定轉(zhuǎn)矩電流指令值。一旦算法確認(rèn) 電網(wǎng)失電，則立即進(jìn)入"失電跨越"狀態(tài)機(jī)，在該狀態(tài)機(jī)中，控制霍城主要分為"快速響應(yīng)"、 "發(fā)電饋能穩(wěn)壓控制"、"電網(wǎng)來電轉(zhuǎn)速恢復(fù)"三個階段。步驟2)屬于"快速響應(yīng)"階段，此階 段基于定子磁鏈定向的