靜止變頻起動(dòng)器低頻階段起動(dòng)控制方法的研究

邵燕秋　邵宜祥　王小紅　楊合民　簡(jiǎn)優(yōu)宗

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 211000）

靜止變頻起動(dòng)器低頻階段起動(dòng)控制方法的研究

邵燕秋邵宜祥王小紅楊合民簡(jiǎn)優(yōu)宗

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 211000）

目前抽水蓄能機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組一般采用靜止變頻起動(dòng)方式。在靜止變頻起動(dòng)的低頻階段，機(jī)端電壓很小且畸變嚴(yán)重的情況，針對(duì)這一情況，研究了一種基于機(jī)組起動(dòng)恒加速度的開(kāi)環(huán)控制方法。在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了PSCAD和RTDS仿真，并在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，證明了該方法在理論上是正確的，在工程上是可行的。

靜止變頻起動(dòng)；低頻階段；恒加速度；開(kāi)環(huán)控制；仿真；動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

抽水蓄能機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組的起動(dòng)方式是電站電氣設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要問(wèn)題之一。隨著機(jī)組向大容量方向發(fā)展，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流越來(lái)越大，會(huì)對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)都造成巨大的沖擊危害，使得機(jī)組本身承受的機(jī)械沖擊、熱沖擊以及電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓降都超過(guò)限度。在抽水蓄能電站及燃?xì)怆娬咀詣?dòng)控制系統(tǒng)及成套設(shè)備中，靜止變頻器對(duì)于保證大型抽水蓄能機(jī)組及燃?xì)廨啓C(jī)組的快速起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義［1］。

靜止變頻起動(dòng)器的負(fù)載是同步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)機(jī)端電壓頻率的不同，靜止變頻起動(dòng)分為初始靜止階段、低頻階段和中高頻階段。其中低頻階段是指定子三相電壓的頻率低于0.5Hz，即轉(zhuǎn)速低于30r/min。此時(shí)轉(zhuǎn)子雖然開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于機(jī)端電壓非常微弱，定、轉(zhuǎn)子電流因轉(zhuǎn)子位置變化而引起的變化量非常小，無(wú)法從測(cè)量相關(guān)電氣量方面得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)以決定變頻器的通電方式和控制模式。低頻階段的起動(dòng)控制是靜止變頻起動(dòng)中的技術(shù)難點(diǎn)，制約著靜止變頻起動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的方法是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝位置傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置決定變頻器的控制模式。但安裝位置傳感器會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和安裝、調(diào)試及維護(hù)的工作量，降低系統(tǒng)的可靠性，在工作條件惡劣時(shí)更為嚴(yán)重。

1　低頻階段起動(dòng)控制原理

根據(jù)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程：

式中，J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；rω為轉(zhuǎn)子角速度；eT為變頻器提供的驅(qū)動(dòng)力矩；LT為機(jī)組阻力矩。

變頻器提供的驅(qū)動(dòng)力矩表達(dá)式為

式中，eC為常數(shù)；si為定子電流，由變頻器提供，選擇合適的觸發(fā)角，可以使其為常數(shù)；Φ為轉(zhuǎn)子磁通，由勵(lì)磁系統(tǒng)提供的勵(lì)磁電流決定，在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，Φ的幅值保持不變，所以eT在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為常數(shù)。而在頻率低于0.5Hz時(shí)，可近似認(rèn)為阻力矩LT為常數(shù)［2］。

從而可得式（3）至式（6）：

根據(jù)式（6），可以估算出電動(dòng)機(jī)定子電壓的頻率低于0.5Hz時(shí)，不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置。而檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置的目的是為了確定何時(shí)給變頻器的逆變橋施加觸發(fā)脈沖，以及給哪兩個(gè)逆變橋施加觸發(fā)脈沖。而在轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)結(jié)束后，已經(jīng)能確定給哪兩個(gè)晶閘管發(fā)第一組觸發(fā)脈沖，而正常情況下，晶閘管的導(dǎo)通順序是固定的，因此在這個(gè)階段只要計(jì)算出給逆變橋施加觸發(fā)脈沖的時(shí)刻，就能步進(jìn)式地使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平滑上升［3］。這就是靜止變頻起動(dòng)器在低頻階段采用的基于機(jī)組起動(dòng)恒加速度的開(kāi)環(huán)控制方法的原理。

2　具體實(shí)現(xiàn)

關(guān)于給逆變橋晶閘管施加觸發(fā)脈沖的時(shí)刻的計(jì)算方法如下。

1）逆變橋第一組觸發(fā)脈沖的確定：

圖1　低頻階段電動(dòng)機(jī)角速度曲線(xiàn)示意圖

設(shè)在t=t0時(shí)刻，變頻器解鎖，轉(zhuǎn)子初始速度ω=ω0=0rad/s ，轉(zhuǎn)子位置為轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的初始位置θ0，可以通過(guò)相關(guān)電氣檢測(cè)方法計(jì)算得到，因此有：θ1=θ0，然后依據(jù)使電動(dòng)機(jī)在該初始位置獲得最大的起動(dòng)加速度的原則給逆變橋相應(yīng)的晶閘管施加觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

2）逆變橋第二組觸發(fā)脈沖的確定：

第二組觸發(fā)脈沖的正確給定是電動(dòng)機(jī)能否在低頻階段成功起動(dòng)的關(guān)鍵。因?yàn)檗D(zhuǎn)子初始位置的不確定性，導(dǎo)致第二組觸發(fā)脈沖與第一組觸發(fā)脈沖之間，轉(zhuǎn)子掃過(guò)的電角度從0°到60°都有可能。而換相時(shí)轉(zhuǎn)子電角度為60°的整數(shù)倍，因此在已知轉(zhuǎn)子初始位置時(shí)，發(fā)第二組觸發(fā)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子位置角2θ可以用式（7）表示：

經(jīng)常關(guān)注《試驗(yàn)方案》下發(fā)單位的網(wǎng)站動(dòng)態(tài)信息，下載并仔細(xì)閱讀《試驗(yàn)方案》，明確本單位承擔(dān)的試驗(yàn)組別、類(lèi)型、組數(shù)、試驗(yàn)品種數(shù)量等相關(guān)信息。

式中，mod表示整除所得商的整數(shù)部分，1θ為發(fā)第一組觸發(fā)脈沖時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子的初始位置角，2θ為發(fā)第二組觸發(fā)脈沖時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角。

由圖1可知三角形AOB的面積AOBS為

由式（7）和式（8）可得逆變橋第二組觸發(fā)脈沖的時(shí)刻為

3）逆變橋第三組觸發(fā)脈沖的確定：

逆變橋由第二組觸發(fā)脈沖時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置θ2轉(zhuǎn)過(guò)60°后，即到達(dá)第二次換相點(diǎn)，需要對(duì)逆變橋發(fā)第三組觸發(fā)脈沖。由圖1可知梯形ABCD的面積SABCD為

可得逆變橋第三組觸發(fā)脈沖的時(shí)刻為

4）逆變橋第i組觸發(fā)脈沖的確定：

同理，由前面的推導(dǎo)可得

這樣，便確定了低頻階段給逆變橋晶閘管施加觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)刻，按照預(yù)定的順序給相應(yīng)的晶閘管施加觸發(fā)脈沖，便可以完成同步電動(dòng)機(jī)在低頻階段的起動(dòng)控制。

3　PSCAD和RTDS仿真驗(yàn)證

在PSCAD中搭建的逆變橋和電動(dòng)機(jī)模型如圖2所示。若晶閘管按照?qǐng)D2所示來(lái)編號(hào)，則晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)椋═6和T1）→（T1和T2）→（T2和T3）→（T3和T4）→（T4和T5）→（T5和T6）→（T6和T1）…逆變橋通常是兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，只有在換相過(guò)程中才會(huì)出現(xiàn)3個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象［4］。

圖2　靜止變頻起動(dòng)器中的逆變橋和電動(dòng)機(jī)模型

為了便于描述，對(duì)于一個(gè)晶閘管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)用一個(gè)二進(jìn)制的編碼來(lái)表示，見(jiàn)表1。這個(gè)二進(jìn)制的第一位表示晶閘管T6的狀態(tài)，最后一位表示晶閘管T1的狀態(tài)，其它位代表的晶閘管依次類(lèi)推。某位為“1”表示該位對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通，為“0”表示該位對(duì)應(yīng)的晶閘管關(guān)斷。這個(gè)二進(jìn)制編碼直觀(guān)地表示了6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷情況。為了便于觀(guān)察，將6位二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制編碼。

表1　晶閘管的二進(jìn)制和十進(jìn)制編碼

采用前面介紹的估算逆變橋晶閘管換相時(shí)刻的方法，得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管，如圖3所示。因?yàn)樵趽Q相過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，為了輸出非換相時(shí)候?qū)ǖ木чl管，需要對(duì)逆變橋三相電流進(jìn)行采樣，當(dāng)某相電流的絕對(duì)值小于某一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)，說(shuō)明該相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)晶閘管都沒(méi)有導(dǎo)通；當(dāng)某相電流的絕對(duì)值大于某一個(gè)基準(zhǔn)值時(shí)，說(shuō)明該相兩個(gè)晶閘管中有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，至于導(dǎo)通的是上橋臂的晶閘管還是下橋臂的晶閘管，可以根據(jù)采樣電流的方向來(lái)判斷。以圖2所示的電流方向?yàn)槔?，電流為正表示?dǎo)通的是上橋臂的晶閘管，電流為負(fù)表示導(dǎo)通的是下橋臂的晶閘管。

圖3　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管

從圖3中可以看出，逆變橋的晶閘管按照表1所示的順序輪流導(dǎo)通，且導(dǎo)通間隔越來(lái)越短，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在逐漸升高。

圖4為在低頻階段轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的電角度，圖5為在此時(shí)間段內(nèi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系。兩條曲線(xiàn)的形狀幾乎是一樣的，都是以一定的加速度上升。

圖4　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置

圖5 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系

圖4、圖5表明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在平穩(wěn)上升，說(shuō)明采用上述估算換相時(shí)刻，給逆變橋應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管施加觸發(fā)脈沖的方法在理論上是正確的。

圖6為采用上述方法在RTDS仿真中錄波得到的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置波形。

圖6 RTDS仿真得到的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置波形

圖6中，第一條曲線(xiàn)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形，第二條曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置波形。轉(zhuǎn)子從145°的初始位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位置曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)速都比較平滑，說(shuō)明上述方法能夠使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在低頻階段平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，也說(shuō)明該方法在工程上是可行的。

理論分析及PSCAD和RTDS仿真結(jié)果都表明：在低頻階段采用的基于機(jī)組起動(dòng)恒加速度的開(kāi)環(huán)控制方法在理論上是正確的，在工程上也是可行的。

4　動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

低頻階段采用基于機(jī)組起動(dòng)恒加速度的開(kāi)環(huán)控制方法，即前文研究的估算逆變橋晶閘管觸發(fā)脈沖的時(shí)刻，然后按照一定的順序給逆變橋晶閘管施加觸發(fā)脈沖，步進(jìn)式地使電動(dòng)機(jī)升速。低頻階段的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 低頻階段實(shí)驗(yàn)波形

圖7中第一條曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置波形，第二條曲線(xiàn)為直流電流波形。由第一條曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)：在給逆變橋的晶閘管發(fā)第三組觸發(fā)脈沖之前，轉(zhuǎn)子共出現(xiàn)一次停頓和一次抖動(dòng)現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室采用的電動(dòng)機(jī)容量較小，而轉(zhuǎn)子剩磁又比較大的原因造成的。工程中的大型同步電動(dòng)機(jī)容量都很大，因此在變頻起動(dòng)的低頻階段不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子停頓和抖動(dòng)現(xiàn)象。該結(jié)論已在潘家口抽水蓄能電站的抽水蓄能機(jī)組的變頻起動(dòng)中得到證實(shí)。

經(jīng)過(guò)大量的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管在低頻階段轉(zhuǎn)子實(shí)時(shí)位置會(huì)受到轉(zhuǎn)子剩磁的影響，但卻未出現(xiàn)因剩磁問(wèn)題導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗的現(xiàn)象，因此可以暫時(shí)忽略轉(zhuǎn)子剩磁的影響。當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)子剩磁對(duì)前兩次換相時(shí)轉(zhuǎn)子位置波動(dòng)的影響時(shí)，在低頻階段，轉(zhuǎn)子位置曲線(xiàn)和直流電流曲線(xiàn)都比較平滑，且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間和相鄰兩次晶閘管換相的間隔都越來(lái)越短，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)在平穩(wěn)升速，也說(shuō)明低頻階段采用恒加速度的開(kāi)環(huán)控制方法在機(jī)組起動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮了很好的作用。前述的低頻階段起動(dòng)控制方法在實(shí)際系統(tǒng)中是可行的。

5　結(jié)論

對(duì)低頻階段的起動(dòng)控制方法進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，最后在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明了該方法在理論上是正確的，在工程上也是可行的。關(guān)于靜止變頻起動(dòng)低頻階段起動(dòng)控制的相關(guān)文獻(xiàn)較少，本文是對(duì)以往文獻(xiàn)的補(bǔ)充，也為變頻起動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)支撐，同時(shí)為變頻起動(dòng)器的國(guó)產(chǎn)化制造奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 方軍民. 抽水蓄能機(jī)組變頻啟動(dòng)技術(shù)介紹［J］. 水電

站機(jī)電技術(shù)， 2012， 35（2）： 17-19， 64.

［2］ 李崇鑒. 交流同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］. 北京： 科學(xué)出版社， 2006.

［3］ 李志民， 張遇杰. 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1996.

［4］ 黃俊， 王兆安. 電力電子變流技術(shù)［M］. 北京： 中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社， 2012.

The Control Method of the Static Frequency Converter in the Low Frequency Period

Shao Yanqiu Shao Yixiang Wang Xiaohong Yang Hemin Jian Youzong
（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211000）

At present， static frequency converter is usually used for pump/motor and gas turbine starting. The synchronous machine's voltage is small and distorted seriously in the low frequency period，an open loop control method based on constant acceleration is put forward. PSCAD and RTDS simulation verification test and dynamic simulation experiment has been done based on the theoretical analysis， which verified the theoretical correctness and the engineering feasibility of the method.

static frequency converter； low frequency period； constant acceleration； open loop control method； simulation； dynamic simulation experiment

邵燕秋（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向：大型同步電動(dòng)機(jī)靜止變頻啟動(dòng)技術(shù)。