通用型变频器电流超调分析与补偿.pdfVIP

第 3 6卷 第3期 2 0 1 4年 3月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo l _ 3 6 No 3 Ma r 2 01 4 通用型变频器 电流超调分析 与补偿 汪剑 波 ， 范夕庆 ， 魏 梦真 ， 张俊丰。 ( 1 北京市 电力公司通州供 电公司 ， 北京1 0 1 1 0 0 ； 2 浙江丽水 电业局 ， 浙 江 丽水3 2 3 0 0 0 ： 3 国网吉林省电力有限公司， 长春1 3 0 0 0 0 ) 摘要： 通用型变频器采用移相正弦脉宽调制( S P WM) 作为控制算法， 动态响应慢， 低频性能差， 大负载升、 降频时输 出 电流会有超调现象。将定子电阻压降补偿和滑差补偿引入级联恒压频比( v F ) 控制 ， 提高了系统的动态响应速度和低 频性能。现场运行结果表明， 此方法对电流超调有显著效果。 关键词： 通用型变频器； 电流超调； 恒压频比控制； 动态响应 中图分类号： T N 7 7 3 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 4 ) 0 30 0 4 3 0 3 0 引言 通用型变频器作为节约能源的关键设备 ， 在发 电、 煤矿、 造纸等领域有着广泛的应用。通用型变频 器采用单元 串联式多 电平结构 ， 具有输人功率因数 高、 输出谐波低、 技术成熟等优点。这种变频器常用 的控制策略是移相正弦脉宽调制法( S P WM) ， 算法直 观， 实现简单。但由于上述算法缺乏对转矩的有效控 制， 变频系统带载时动态响应速度慢， 故变频器运行 频率改变时 ， 输出电流会突变 ， 电机也会随之抖动 ， 用 在风机类负载上时甚至会对风机叶片造成损坏 。 国内大多数厂家的通用型变频器均采用变压变 频调速( V V V F ) 控制方式 ， 系统带载能力差 ， 启动转 矩小， 启动电流较大， 尤其在低速时， 定子电阻压降 和逆变器互锁效应加剧 ， 并可能产生振荡 和不稳定 现象。为了提高恒压频比( V F ) 控制的稳定性和动 态性能， 国内学者进行了很多研究 。文献 2 根 据电机功率平衡的关系， 分析 了系统稳态运行 时不 稳定状态下 电机定子电流和输出频率之间的动态关 系， 提出了一种不依赖电机参数的、 基于定子电压矢 量定向的稳定性控制方法。文献 26 提 出通过 增加定子电阻压降补偿 、 滑差补偿和死区补偿来改 善 V F的控制性能。 鉴于国内厂家 高压 通用型变频 器多使用 v F 控制方式 ， 本文将上述补偿策略引入级联 S P WM控 制， 通过现场变频器 与分散控制系统 ( D C S ) 自动控 制的配合实验 ， 验证本方法的可行性和实用性。 1 V F控制说明 针对异步电机 ， 为了保证电机磁通和出力不变 ， 收稿日期： 2 0 1 3- 0 6 0 5 ； 修回日期： 2 0 1 4- 0 1 2 0 电机改变频率时 ， 需维持电压 和频率 的比率近似不 变 ， 所以这种方式称为 V F控制。V F控制方式控 制简单 、 通用性强 、 经济性好 ， 可用于速度精度要求 不十分严格或负载变动较小 的场合。从本质上讲 ， v F控制实际上控制 的是三相交流 电的 电压和频 率， 但交流电除了电压和频率之外， 还存在相位。 V F 控制没有对电压的相位进行控制， 这就导致瞬 态变化过程 中( 如突加负载) ， 电机受冲击后转速下 降， 但电机供电频率也就是同步转速还是保持不变 ， 这样异步电机会产生瞬时失步 ， 从而引起 转矩 和转 速振荡 ， 经过一段时间后在一个更大的转 差下保持 平衡。这个瞬态过程中没有对相位进行控制 ， 所 以 恢复过程较慢， 而且电机转速会随负载变化 ， 这就是 V F控制精度不高和响应较慢的原因。 所以 ， 采用 v F控制方式的通用型变频器在负 载变动时会出现电流超调的现象 ： 增加负载时 ， 电流 会正向过冲， 然后慢慢恢复至下一个稳定值 ； 而降低 负载时 ， 电流会出现反 向过冲。当电厂需要投人 自 动调节来连续调节机组功率时 ， 变频器的输出电流 就会出现连续 的波动 ， 在极端情况下 ， 很短的时间内 可能出现 2个幅值相差很大的 电流 ， 这对其拖动 的 电机影响是很大的 ， 会造成电机 和风机的快速老化 甚至损坏。 而矢量控制的实质是在三相交流电电压和频率 控制的基础上加上了相位控制， 这个相位在具体操 作中体现为 1 个角度， 简单地讲就是电机定子电流 相对于转子的位置角 。因此 ， 矢量控制和 V F控制 最本质的区别就是加人了电压相位控制。从操作层 面上看 ， 矢量控制一般把 电流分解成转矩电流和励 磁 电流 ， 转矩 电流和励磁电流的 比例是 由转子位 置 角度( 也就是定子电压相位) 决定的。宏观上看 ， 电 机稳定运行时矢量控制和 V F控制的电压 、 电流 、 4 4 华 电技 术 第 3 6卷 频率相差不大， 都是三相对称交流， 基本上都满足压 频 比关系 ， 只是在瞬态过程 中( 如突加 、 突减负载) 矢量控制会随着速度的变化 自动调整所加 电压 、 频 率 的大小和相位 ， 使这个瞬态过程快速恢复平衡。 鉴 于这个原因， 对变频器进行矢量控制 的升级 是很有必要 的， 但是将通用型变频器升级为矢量变 频器 ， 需要增加外围的设施和复杂的控制软件 ， 而且 成熟矢量控制多基于有速度传感器 的方式 ， 但是速 度传感器 的安装 以及相关硬件的增加是许多用户无 法接受的。所 以， 在现有 的 V F控制基础上进行优 化 ， 提高系统的性能是极为重要的。 2 补偿策略 2 1 死区补偿说明 高压级联变频器 的 V F控制不 同于低压变频 器 V F控制 ， 控 制系统需要输 出多路 P WM 脉冲。 为了节省资源 ， 需要在所级联 的功率单元中实现上 下桥臂脉冲的分离 ， 在脉冲分离 的同时完成死区补 偿的功能。所以在级联变频器 的控制系统 中， 不考 虑死区补偿 ， 这样可以节省一定 的资源。 2 2 定子电阻电压补偿方法 补偿定子电阻压降是为了保证低频时依然能获 得额定磁通和相应的转矩 ， 防止气隙磁链幅值变小 ， 提高电机负载能力并减小稳态误差。感应 电动机非 对称 T形等效电路如图 1所示 ， 图中： 为定子 电 压 ； V m 为励磁绕组两端 的电压 ； R 为定子 电阻； 尺 为 转子 电阻； L 为励磁电抗 ； 。 为定子漏抗 ； i ， 为电机 电流； i 为转矩电流； i 为励磁电流； s 为转差率。 图 1感应电机非对称 T形等效 电路 励磁绕组两端 的电压为 ： V 1一( 月 +j 0 9 三 l 8 ) i 1=V 1一 ( R +j 60 L l 8 ) ( i d +j i 。 )， ( 1 ) 式中 ： i 和 i 分别为有 功和无 功电流 ； j为虚数单 位 ， 为 一1 ， 表示 i 。 。 滞后 i 9 0 。 ； 6 0 。 为 电机额定角速 度 。 空载时 i 很小 ， 近似于 0， 。 近似于空载电流 ， 所 以可以得出 一 V 1一( +j L 8 ) j 。 。 ( 2 ) 当负载增加时， s 增大 ， i 。 保持不变 ， i 增大 ， 式 ( 3 ) 说明了励磁绕组两端电压改变的趋势。 V m=V 1一( R +j 。 L 1 8 ) ( i d+j i 。 )=V 1一 ( R +j 。 L 1 8 ) j i 一( R +j 6 0 L 1 5 ) i d 。( 3 ) 由式( 2 ) 、 式( 3 ) 可以分析得出励磁绕组两端电 压的变化量 ， 也就是要保持 电机磁链恒 定应提升 的 电压量为 ( R 。 +j L 。 ) i d。 这里剔除空载时可能出现系统不稳 定的情况 ， 那么变频器在带载启动过程 中， 均可 以通过有功电 流来实时计算出电压提升量， 对定子电阻压降进行 补偿以使磁链保持恒定 ， 达到系统平稳穿过低速区 的 目的。 2 3滑差补偿方法 大功率高压级联变频器在拖动大型电机时， 由 于 v F控制调速精度以及负载特性和运行工况 ， 变 频器输 出电流往往会超过额定 电流 ， 甚至 出现过载 或过流 的现象。而大型电机要避免这种现象 ， 电机 轴必须在启动时产生一定 的电磁转矩 ， 保证 电机在 带载启 动时不会 发生堵转 J 。这里可 以通 过滑差 补偿来提升电磁转矩 。 按 图 1中的等效 电路可以得出滑差频率计算公 式为 ， ( 4 ) 式中： R 为转子电阻。 从图 1可以看 出： i 主要作用 在阻性负载 ， 而 i 主要作 用在感性 负载上 ， 所 以实 际计算时可以使用 i ， i 。 。 来代替 i ， i ， 滑差频率计 算公式可以近似为 F d 。 ( 5 ) 定子矢量与 d轴之间的夹角为 0， 而旋转矢量 角可以通过对 V F控制给定 的频率进行积分得出， 所 以电压矢量角可表示为 0=J 2 d t + a r c t a n ， ( 6 ) 式 中： 为定子 电压矢量同步旋转频率 ； V s 和 分 别为定子电压在 q轴和 d轴上的分量。由于高压变 频器的输入、 输出电流为必测参量 ， 所以在不升级硬 件的情况下， 通过算法更改即可计算得出有功电流 和无功电流 【 ： = 一C O S 0 si n O l ( io ， 7 式中： i ， i 。 为三相 电流 ， 经过 C l a r k e 变换后得到。 在文献 4 中通过标量补偿定子 电压的幅值 ， 可以较好地抑制过补偿 ， 但是在某些极端的条件下 ， 特别是高压大功率变频场合， 由于负载的突升突降， 依然会出现电流超调现象。 本文通过无 功电流 比例积分 ( P I ) 控 制器来计 算 。 ， 并通过式( 8 ) 来计算 。 4 8 华 电技 术 第 3 6卷 传热热阻约是金属管壁传热热阻的 3 9倍 ， 极大地影 响了第 2道流程的传热效果。 由新增测点的测量情况看 ， 该凝汽器过冷度大 的原因为 ： 在任何工况下 ， 换热主要 由底部的第 1道 冷却水完成 ， 越靠近底部 的管束 ， 其温度越低 ， 导致 排汽被过度冷却。 在各工况下 ， 第 1道流程 的冷却水温升 为 9 1 1 ， 可推断凝汽器下部 的结垢在 可容忍范围 内。 第 2道流程的冷却水温升为 0 1 3 3 ， 结垢倾 向 较 明显 。 按照上述分析 ， 决定在机组停运后进行凝汽器 的加药清洗 ， 检查其上部管束布置 的合理性及堵管 数量 ， 论证抽空气 口的合理性 ， 以进一步提高机组的 真空度 。 4 结论 ( 1 ) 双流程凝汽 器 中问水温测点 的安装 ， 对查 找凝汽器的冷却效果不 良的原 因提供了依据， 可在 机组检修时有的放矢地进行清洗。 ( 2 ) 在凝 汽器 添加 中水或其他较差 的水质时 ， 通过该测点 ， 可在线监督其结垢趋势， 发现上部流程 温升变化。 ( 3 ) 由于水 资源紧张 ， 北方新投运 的火力湿 冷 机组多采用添加中水作为补水源 的方式 ， 而凝汽器 管材多为不锈钢管材 ， 不锈钢管材的清 洁系数对凝 汽器的换热效果影响极大。添加较差水质的凝汽器 要靠胶球清洗系统来保持清洁 ， 若胶球 清洗 系统运 行效果不好 ， 将 比完全清洁 的不锈钢凝 汽器换热系 数下降 1 7 2 8 。若凝汽器在 新投运 时就安 装 此测点 ， 以其在管壁基本清洁的情况下 2道流程的 温升为基准值 ， 添加中水后监督上部温升 的变化值 ， 就能达到监督凝汽器早期结垢的 目的。 ( 4 ) 该测点增设 ， 对双流程凝汽器 的漏空气 监 督提供 了辅助手段。 参考文献 ： 1 D L T 7 l 2 2 0 l 0发电厂凝汽器及辅机冷却器管选材导 则 S 2 D L T 1 0 7 8 -2 0 0 7表面式凝汽器运行性能试验规程 S 3 D L T 9 3 2 -2 0 0 5凝汽器与真空系统运行维护导则 S 4 李青， 高 山， 薛彦廷 火力发 电厂节能 技术及其应用 M 北京 ： 中国电力出版社， 2 0 1 3 5 汪国山， 金春南 ， 陈春祥 冷却水流程数对凝汽器热力性 能的影响 J 热能动力工程， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 1 ) ： 2 0 2 4 6 徐世明 汽轮机凝汽器端差运行诊断分析 J 湖南电 力 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 1 ) ： 3 9 4 1 ( 本文责编 ： 刘芳) 作者简介 ： 吴欣( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 浙江镇海人， 工程师， 从事电厂运行 分析及节能分析等方面的工作( E ma i l ： w u x i n 1 8 0 0 8 5 1 s i n a c o rn) o 朱德 明( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 山东滕州 人 ， 助理工 程师 ， 从 事 电 厂运行分析及节能分析等方面的工作。 吴 宁( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 浙 江镇海人 ， 助 理工程 师 ， 从事 电力 运行与分析等方面的工作。 ( ( 上接第4 5页) 历史 曲线 ， 可 以看 出补偿 V F控制 策略效果明显 。 4 结束语 本文将补偿策略引入级联 S P WM控制 ， 提高了 高压大功率变频器运行 的动态性能 ， 有效抑制 了负 载突变时的电流超调现象。由于该方案中所使用的 采样数据在现有的高压大功率变频器主控系统 中均 能得到 ， 所以算法更新 时不需要升级硬件 。研究 和 现场运行效果表明该方法是可行的。 参考文献 ： 1 徐 殿国 通用变频调