靜止變頻器分階段啟動(dòng)控制策略

林麗

（沈陽(yáng)廣播電視大學(xué) 遼寧省沈陽(yáng)市 110003）

在電力領(lǐng)域中開始迅速普及和應(yīng)用抽水蓄能機(jī)組，這是因?yàn)樵擃悪C(jī)組能夠迅速響應(yīng)控制指令，工作人員可按照工作需要來(lái)對(duì)抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行靈活啟停。就目前來(lái)看，抽水蓄能機(jī)組已成為電力領(lǐng)域中常用的調(diào)頻機(jī)組與緊急事故備用機(jī)組。工作人員可以借助于抽水蓄能機(jī)組所具有的出色儲(chǔ)能特性，使電網(wǎng)用電高峰和低谷之間的差距得到有效縮小，進(jìn)而達(dá)到削峰填谷目的。不過，因抽水蓄能機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且啟動(dòng)一瞬間的電流強(qiáng)度非常大，因此為了確保抽水蓄能機(jī)組得以平穩(wěn)啟動(dòng)，就需要對(duì)其啟動(dòng)電流進(jìn)行控制，這也是應(yīng)用抽水蓄能機(jī)組過程中迫切需要解決的重要問題。

1 靜止變頻器的運(yùn)行原理分析

在同步電機(jī)啟動(dòng)過程中，當(dāng)采用變頻啟動(dòng)方式時(shí)則需借助于靜止變頻器來(lái)完成啟動(dòng)功能。靜止變頻器內(nèi)的主電路由電流型逆變電路與晶閘管整流電路兩部分組成，此外整個(gè)系統(tǒng)中還要配置相應(yīng)的同步電機(jī)與輸入變壓器。同步電機(jī)在利用靜止變頻器進(jìn)行控制時(shí)，需要分別檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置與同步相位，此外還要確保靜止變頻器中的電流型逆變電路及整流電路處于觸發(fā)狀態(tài)。在描述靜止變頻器中直流電和交流電在電壓、電流方面的內(nèi)在關(guān)系時(shí)，需要在變壓器二次側(cè)中對(duì)變壓器漏感進(jìn)行相應(yīng)的折算，以此便可得出具體的關(guān)系描述公式，即：

在上述關(guān)系描述公式中，三相交流系統(tǒng)的輸入相電壓有效值可由Ur來(lái)進(jìn)行表示，對(duì)于靜止變頻器主電路中的晶閘管整流電路來(lái)說，其輸出的直流電實(shí)際電壓值則可由Udr來(lái)進(jìn)行表示。在主電路中晶閘管逆變電路處于觸發(fā)狀態(tài)下，則其直流電在輸入時(shí)的實(shí)際電壓值則由Udi 來(lái)進(jìn)行表示。三相交流輸出相中的實(shí)際電壓值則由Ui進(jìn)行表示，其指的是同步電機(jī)的機(jī)端電壓。對(duì)于電抗器Ls 來(lái)說，其電感及電阻則分別由Ldc與Rdc進(jìn)行表示。除此之外，變壓器在運(yùn)行過程中的變比由k 進(jìn)行表示，而換相重疊角和延遲觸發(fā)角則分別由μi與α 進(jìn)行表示。在對(duì)電流型逆變電路在觸發(fā)過程中的換相過程進(jìn)行了解以后，可以確定的是，在獨(dú)立的工作周期中，該工作周期時(shí)間由T 來(lái)表示，則橋臂導(dǎo)通所花費(fèi)的時(shí)間可達(dá)到整個(gè)工作周期時(shí)間的三分之一，即T/3，而電流在晶閘管中開通的時(shí)間間隔則為整個(gè)工作周期時(shí)間的六分之一，即T/6。通過分析同步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)相量，可以知道電壓相位是落后于電流相位的，這使得反向電壓能夠在電流型逆變電路被觸發(fā)的狀態(tài)下產(chǎn)生，從而使晶閘管具備能量來(lái)進(jìn)行關(guān)斷。在三相同步電動(dòng)機(jī)，可利用以下方程式來(lái)描述電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的實(shí)際電磁輸出功率與轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速、摩擦系統(tǒng)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的內(nèi)在關(guān)系，即：

在上述方程式中，同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際電磁功率及勵(lì)磁電壓分別由Pem與Eq來(lái)進(jìn)行表示，而其電磁及機(jī)械轉(zhuǎn)矩則由Tem和Ti來(lái)表示。在同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則分別由ωr、D 和J 來(lái)進(jìn)行表示。

2 靜止變頻器的分階段啟動(dòng)控制策略與相關(guān)參數(shù)

2.1 靜止變頻器分階段啟動(dòng)控制策略

工作人員在啟動(dòng)同步電機(jī)時(shí)，需要采取靜止變頻器來(lái)實(shí)施分階段控制，在此過程中通過觸發(fā)后級(jí)電流型逆變電路來(lái)達(dá)到穩(wěn)頻控制目的。具體控制階段包括兩個(gè)，分別是低速階段與高速階段。在低速階段中，通過斷續(xù)換相法來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使其經(jīng)過拖動(dòng)后的實(shí)際轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10%，而在高速階段中，則需通過自然換相法來(lái)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以使其經(jīng)過拖動(dòng)后的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，超出比例可達(dá)到105%以上。在靜止變頻器中，其逆變電路在控制過程中會(huì)以電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相位或者轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置來(lái)對(duì)導(dǎo)通信號(hào)進(jìn)行確定，這樣無(wú)論是在哪個(gè)時(shí)間段，相比于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)相位，電樞電流相位都是處于超前的，從而有效防止了同步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)失步運(yùn)行問題。當(dāng)電機(jī)處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其機(jī)端電壓較弱，而且在負(fù)載換相過程中的難度很大，為了解決這一問題，便需要通過斷續(xù)換流法來(lái)解決。要想使轉(zhuǎn)矩得到最大程度的提升，就需要確保初始導(dǎo)通的β0值為0。對(duì)于自然換相來(lái)說，其又被叫做負(fù)載換相。根據(jù)a 相反電動(dòng)勢(shì)最大時(shí)可確定出轉(zhuǎn)子位置的角起始參考值，所以在高速階段中要想避免電流型逆變電路產(chǎn)生換相失敗問題，便需要將空載超前換流角β0設(shè)置成60 度。

在低速階段中，如果對(duì)速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行應(yīng)用，以使其形成雙閉環(huán)來(lái)對(duì)整流電路導(dǎo)通進(jìn)行控制，考慮到同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)速參考值有著很大差距，而且直流電流的連續(xù)性較弱，這便會(huì)導(dǎo)致整流電路中的延遲觸發(fā)角α 出現(xiàn)劇烈變化，從而影響到控制穩(wěn)定性。因此在本文中需要通過整流電路觸發(fā)角來(lái)實(shí)施開環(huán)控制，在此過程中需要對(duì)α 的初始值進(jìn)行設(shè)置，以確保系統(tǒng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際輸出值能夠超過負(fù)載轉(zhuǎn)矩并且還要對(duì)直流電流進(jìn)行設(shè)置，以防止設(shè)備出現(xiàn)損壞。

在上述公式中便明確描述了電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)際輸出值要比負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，其中整流電路初始導(dǎo)通角；I dmin 為使同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，其直流電的最小值由α0來(lái)表示，而同步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)所設(shè)置的電流限值則由Idmax來(lái)表示。

當(dāng)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，也會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大的摩擦力矩，要想提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，就必須要確保靜止變頻器的輸出功率足夠大，而且還要增加整流電路中的輸入功率。在高速階段中，靜止變頻器中的前級(jí)整流電路在導(dǎo)通晶閘管時(shí)采取雙閉環(huán)控制策略，也就是電流內(nèi)環(huán)與速度外環(huán)。其中，速度外環(huán)能夠確保同步電機(jī)在運(yùn)行過程中的實(shí)際速度在控制過程中始終接近于額定轉(zhuǎn)速，而對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來(lái)說，則可使閉環(huán)調(diào)節(jié)變得更加快速、便捷。

2.2 靜止變頻器中的控制參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 低速階段

對(duì)于靜止變頻器來(lái)說，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于低速運(yùn)行階段時(shí)，其內(nèi)部整流電路會(huì)通過開環(huán)控制方式來(lái)確保電機(jī)運(yùn)行過程中的電磁轉(zhuǎn)矩始終保持充足，以確保上升率能夠穩(wěn)定提高。在低速階段中，變頻器中的電流型逆變電路通過應(yīng)用斷續(xù)換相法，來(lái)提高直流電流強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通過前饋與反饋相結(jié)合的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電流逆變器對(duì)回路電流的控制。

在上述公式中，某時(shí)間段為t，則該時(shí)間段中的前饋及反饋產(chǎn)生的控制量分別由Cfw(t)與Cfb(t)進(jìn)行表示。

在設(shè)置前饋控制量時(shí)，需將其初始值Cinit 設(shè)置為0，前饋控制器參數(shù)則由Kfwi表示，在控制器中設(shè)置的計(jì)算周期由Δiupl表示，反饋控制器中的設(shè)置參數(shù)由Kfbp表示，電流變化量由ΔT 表示，該時(shí)間段中直流電實(shí)際測(cè)量值和參考值之間的偏差由Δi(t)表示。以控制指標(biāo)為依據(jù)，在采用斷續(xù)換相法時(shí)，該方法的持續(xù)時(shí)間為TD，以電流型逆變電路切換成自然換相法以后，其超前導(dǎo)通角由Cfw(TD)來(lái)表示，一般而言，該導(dǎo)通角的值設(shè)定為60°。利用控制器運(yùn)算可對(duì)周期ΔT 進(jìn)行計(jì)算，前饋控制器的輸入值Δipul 的取值范圍則為0.1～0.2，對(duì)相應(yīng)的前饋控制輸入量Δipul進(jìn)行合理選擇，則可以得出前饋控制器的參數(shù)Kfwi，即：以啟動(dòng)同步電機(jī)的電流限定值及其超前導(dǎo)通角最大值為依據(jù)，便可對(duì)反饋控制器的參數(shù)進(jìn)行確定。

2.2.2 高速階段

在高速階段中，機(jī)端電流I 的控制是采用雙閉環(huán)控制器來(lái)完成的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr 的控制，這樣便可明確機(jī)端電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的內(nèi)在關(guān)系，具體公式為：

在上述公式中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和CM、CR有著密切的關(guān)系，而在對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行分析時(shí)，可對(duì)其小信號(hào)模型進(jìn)行提取，提取方法為線性化方法。利用小信號(hào)來(lái)分析直流回路，在此過程中需對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行忽略，這樣便可獲得輸入直流電壓與直流電流之間的關(guān)系式，即：

在上述公式中，系統(tǒng)的擾動(dòng)量分別是Δωr、ΔI、ΔIdc與ΔUdr，而其則分別對(duì)應(yīng)著狀態(tài)量ωr、I、Idc與Udr，由此便可確定靜止變頻器中的傳遞函數(shù)。在電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)中主要包括電流反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞、整流電路傳遞函數(shù)以及電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，因整流電路在被觸發(fā)時(shí)會(huì)有一定的延遲時(shí)間，所以可以得出整流電路的傳遞函數(shù)，對(duì)于電流反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞系數(shù)Hif(s)來(lái)說，則可通過一階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行表示，即：

在該式中的Kci 表示電流傳感器產(chǎn)生的增益，而τif則是其時(shí)間常數(shù)。在設(shè)計(jì)電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)過程中，則需要達(dá)到三個(gè)條件，其一是要保證電流閉環(huán)能夠在所有操作條件中穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)；其二是依據(jù)電流參考指令或產(chǎn)生的擾動(dòng)，要求定子電流在迅速響應(yīng)過程中的超調(diào)量與阻尼量較小；其三是參考電流出現(xiàn)變化過程中，僅會(huì)產(chǎn)生較小或不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。在確保系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)態(tài)性能時(shí)，通過比例積分控制器的應(yīng)用，以使系統(tǒng)具備更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。在經(jīng)典控制理論中便明確了頻率ωc 中有開環(huán)傳遞函數(shù)得以穿越時(shí)會(huì)產(chǎn)生適量的相位裕度與單位增益。對(duì)于轉(zhuǎn)速外環(huán)來(lái)說，其主要起到控制電機(jī)速度的作用，在該外環(huán)中則涉及到電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)、轉(zhuǎn)速估計(jì)環(huán)節(jié)、同步電機(jī)傳遞函數(shù)以及速度補(bǔ)償器，其中速度補(bǔ)償器可對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保其性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在速度補(bǔ)償器也對(duì)比例積分控制器進(jìn)行了應(yīng)用，并且電流內(nèi)環(huán)參數(shù)以及參數(shù)設(shè)計(jì)所采用的方法是一致的。

3 仿真驗(yàn)證

本文利用Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)對(duì)相應(yīng)的仿真模型進(jìn)行了搭建，在設(shè)置同步電機(jī)參數(shù)時(shí)則參考了某水電站中的機(jī)組參數(shù)。在對(duì)傳統(tǒng)控制策略和改進(jìn)后的控制策略進(jìn)行同步電機(jī)啟動(dòng)比較，以此測(cè)量和分析轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置，可以發(fā)現(xiàn)在改進(jìn)后的控制策略中，通過靜止變頻器的控制，轉(zhuǎn)子處于低速階段時(shí)，該階段持續(xù)了0.2s，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止增加至額定轉(zhuǎn)速105%的啟動(dòng)時(shí)間則持續(xù)了3.2s，其轉(zhuǎn)速上升過程趨于線性，并且從從低速階段至高速階段的過渡過程只會(huì)產(chǎn)生很小的加速度，相當(dāng)于軟切換，這充分說明了改進(jìn)后的控制策略在同步電機(jī)靜止變頻的分階段啟動(dòng)控制中有著更加明顯的優(yōu)勢(shì)。并且，通過觀察直流電流波形可知，無(wú)論是在低速階段，還是在高速階段，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升時(shí)，其直流電流始終接近于參考值，這進(jìn)一步說明采用改進(jìn)后的控制策略后，同步電機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性得到了顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文分析了靜止變頻系統(tǒng)的運(yùn)行原理，通過抽水蓄能機(jī)組與電流型逆變器的高效配合，以此確保負(fù)載換相的順利實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)靜止變頻器進(jìn)行改進(jìn)后的分階段啟動(dòng)控制策略，以便于針對(duì)同步電機(jī)中轉(zhuǎn)子的高速階段與低速階段來(lái)實(shí)施平穩(wěn)控制，以此提高靜止變頻器的控制性能。通過靜止變頻器，可確保抽水蓄能機(jī)組在啟動(dòng)、調(diào)速及并網(wǎng)時(shí)能夠全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。當(dāng)然，考慮到靜止變頻器在運(yùn)行過程中會(huì)有大量諧波產(chǎn)生，進(jìn)而影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，所以在應(yīng)用靜止變頻器過程中還要致力于研究更加先進(jìn)的諧波抑制技術(shù)。