大功率高壓變頻器的失電跨越控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電能變換技術領域，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】
[0002] 近年來能源問題引起了國家的高度重視，各種電動機負載是電能消耗的大戶，也 是節電潛力最大的用戶，因此國務院《節能減排"十二五"規劃》將電機系統節能工程列入國 家節能減排的重點工程。根據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策研究》的報告披露， 我國電動機總裝機容量已超過5. 8億千瓦，發電總量的66%消耗在電動機類負載上。由于 電機傳動系統的設計都是按照最大化、最嚴酷工況來選擇電機，這種不合理的設計要求造 成電機的實際運行負載率低，由于是通過擋板來控制流量，電機始終輸出額定功率，造成電 能的巨大浪費。因此采用高壓變頻器對電動機進行調速控制來調節流量，對于實現節能降 耗的總體目標具有至關重要的意義。
[0003] 在采用高壓變頻器的調速系統的實際應用中存在以下關鍵問題：由于負載突變、 各種短時的對稱或非對稱短路等原因，電網會經常存在幾百毫秒甚至數秒級的失電現象， 據統計，這種擾動在電力電源系統發生的概率高達所有故障擾動的92%。該問題輕則導致 正常運行的調速系統發生故障停機，重則導致設備損毀，嚴重影響了生產的效率和質量。
[0004] 因此，對于高品質的高壓變頻器產品，假如具備在電網短時失電期間的跨越功能， 并且在電網恢復以后，又能夠迅速恢復到電網失電之前的工況，則會具有更為廣泛的應用 前景，而這種功能即稱之為"失電跨越"。為達到此目標，需要解決以下兩個問題：
[0005] 要進行快速、準確地失電檢測。
[0006] 盡量維持直流母線電壓，使之不下降過多而導致欠壓保護。
[0007]目前，由于用戶要求的不同和負載特性的差異，失電跨越沒有一個完全統一的標 準，主要有以下幾種方法：
[0008] (1)通過設計內部模型控制器來控制調速驅動器的輸出電壓和電流，實驗證明， 該控制器在輸出能滿足2/3負載轉矩時，轉速能恢復的最低允許電壓跌落值為原電壓的 45%，轉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，應用起來有一定的局限性，另外 對控制器及電路參數的精確性的依賴性也很強。
[0009] (2)通過改變主電路拓撲，比如前級采用全控PffM整流代替不控整流來短時維持 直流母線電壓，通過控制PWM整流器實現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的負載。但是這種方法成本太高、控制復雜，而且調速 系統占地空間大，限制了其實際應用。
[0010] (3)利用儲能技術提高交流調速系統承受電壓跌落能力，包括：電池備份系統、超 級電容系統、電動機-發電機系統、飛輪儲能系統、超導磁性儲能系統、燃料電池。該方法從 承受電壓跌落的能力來講儲能是最強的，但是從經濟性的角度來講其成本過高，不利于普 遍應用。
【發明內容】
[0011] 為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于現有主電路拓撲及硬件參數，失電 判斷快速準確，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] 本發明的技術方案為，包括以下步驟：
[0013] 步驟1):判斷電網是否處于失電狀態，若是則執行步驟2);
[0014] 步驟2):脫開矢量控制系統的轉速控制環，設定轉矩電流指令值；
[0015] 步驟3):采用直流電壓外環，轉矩電流內環的雙閉環控制機制，控制直流電壓穩 定輸出；
[0016] 步驟4):判斷電網是否恢復，若否則返回步驟3)，若是則執行步驟5);
[0017] 步驟5):脫開直流電壓控制環，投入轉速控制環。
[0018] 進一步的，所述步驟1)中失電狀態判斷方法如下：將本周期采樣的電網相電壓瞬 時值與存儲在內存中的上一個正弦周期的采樣值作比較，當其差值的絕對值和總直流母線 電壓均達到失電標準，則認為電網失電。
[0019] 進一步的，所述失電標準為：本周期采樣的電網相電壓瞬時值與存儲在內存中的 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] 進一步的，所述步驟2)中轉矩電流指令值設定為零安培。
[0021] 進一步的，所述步驟2)中還需將定子磁鏈指令值設定為額定指令值的一半。
[0022] 進一步的，所述步驟3)中，采用直流電壓外環，轉矩電流內環的雙閉環控制機制 控制直流電壓穩定輸出的具體方式為：設定功率單元的直流電壓指令為標定值，根據實時 采樣獲得的直流母線電壓值計算直流電壓偏差，通過PI控制算法實時調整變頻器吸收或 發出的轉矩電流的大小，使直流電壓以標定值穩定輸出。
[0023] 進一步的，所述步驟3)中，直流電壓外環，轉矩電流內環的雙閉環控制機制的轉 矩電流指令限幅值為[-1515]。
[0024] 進一步的，所述步驟4)中電網恢復的標準為電網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] 進一步的，所述步驟5)中，脫開直流電壓控制環，投入轉速控制環后，設定電機轉 速指令為電網失電之前的轉速值，以固定加速度平穩恢恢復機轉速。
[0026] 進一步的，所述步驟5)中，脫開直流電壓控制環，投入轉速控制環后，設定電機磁 鏈指令為額定值，以固定加速度平穩恢復磁鏈。
[0027] 本發明的有益效果：本方法無需改變現有的主電路拓撲及硬件參數，幾乎不增加 設備成本；采用電網電壓瞬時值結合直流電壓來進行電網失電的檢測，兼具快速性和準確 性，避免了誤動作；整個電網失電期間，利用矢量控制算法，脫開轉速環，并直接設定轉矩電 流指令值為零安培，避免了直流欠壓故障；設定定子磁鏈指令為額定磁鏈值的一半，避免由 于直流電壓下降導致PWM過調制；利用直流電壓控制算法，利用電機轉軸的慣性能量穩定 直流電壓，避免欠壓保護停機；電網恢復后，僅需通過同時恢復電機轉速和磁鏈，即可保證 調速系統恢復到失電之前的工況穩定運行，實現失電跨越。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明控制流程圖；
[0029] 圖2為本發明高壓變頻調速系統原理框圖；
[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為本發明直流電壓外環、轉矩電流內環控制策略原理框圖；
[0032] 圖5為轉矩電流波形圖；
[0033] 圖6為功率單元直流電壓波形圖；
[0034] 圖7為電機轉速曲線圖；
【具體實施方式】
[0035] 為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據本發明的具體實例并結合附 圖，對本發明作進一步詳細的說明。
[0036] 以圖2中的高壓變頻調速系統為例，對本發明所提出的"失電跨越"控制方法的原 理及實際實施進行說明。如圖1所示，本發明所示方法包括以下步驟：
[0037] 步驟1):判斷電網是否處于失電狀態，若是則執行步驟2)。為避免在停機或待機 狀態啟動"失電跨越"控制方法，判斷電網是否處于失電狀態的前提是系統處于正常運行工 況。電網的失電判斷，傳統的方法采用電網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，可能導致直流欠壓保護。本發明通過電網電壓瞬時值的變化結 合直流電壓值進行電網失電檢測，檢測算法的原理是：將本周期采樣的電網相電壓瞬時值 與存儲在內存中的上一個正弦周期的采樣值做比較，當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%，則認為電網失電。采用瞬時值進行判斷，能夠保證失電 檢測快速性，電網失電的檢出時間小于ImS ;同時，增加直流電壓值的判據，又避免了誤判 斷發生。
[0038] 步驟2):脫開矢量控制系統的轉速控制環，設定轉矩電流指令值。一旦算法確認 電網失電，則立即進入"失電跨越"狀態機，在該狀態機中，控制霍城主要分為"快速響應"、 "發電饋能穩壓控制"、"電網來電轉速恢復"三個階段。步驟2)屬于"快速響應"階段，此階 段基于定子磁鏈定向的