无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法技术

本发明专利技术公开一种无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，针对变频器电压暂降耐受能力提升的方式，摒弃采用外部储能设备或额外设备的结构，提出“模糊弱磁‑矢量控制”控制策略，增强变频器的电压暂降耐受能力，同时减少了提升其电压暂降耐受能力的成本，为了解决上述技术问题，本发明专利技术采用的技术方案为：无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，采用“模糊弱磁‑矢量控制”策略控制变频器，本发明专利技术提出使用模糊PI控制器取代原有的PI控制器，以增强控制系统对于系统参数变化的鲁棒性；采用弱磁控制，在暂降的情况下改变磁链参考值，使得维持磁场的能量向力矩电流转移。两者相结合，提升变频器的电压暂降耐受能力。

【技术实现步骤摘要】
无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法
本专利技术无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，属于工业调速生产设备

技术介绍
变频器通过将固定幅值和频率的电压转变为随实际需求变化的电压，常用于控制旋转设备的转速，是感应电机十分理想的调速方案。通过控制策略控制，在变化的负载转矩和改变感应电机的转速的运行过程中节省能源，通过软启动减少机械和热应力；通过加速、减速，远程通信和控制，简单的维护和自动化诊断是变频器的一些优点。变频器整体上可以分为5部分：整流桥、直流回路、逆变器、感应电机、控制器部分。变频器的基本结构图如图1所示。变频器的拓扑结构如图1所示，其中各部分模块功能描述如下：整流桥：其主要作用是将电网输入的工频电流进行整流，进行变频调节的第一步，整流后的直流电压在稳态情况下，稳定在一定的数值上，同时此电压给后级的直流回路模块和逆变模块提供所需的直流电源。整流模块根据实际应用情况有不可控和全控，其区别在于变频器的功率不同采用的整流模块类型也不同。直流回路：将前级整流模块输出的电压稳定在一定的范围之内，保证后面逆变模块的正常稳定工作。暂降发生时，因为输入端的电压幅值减小，因此直流电容的电压也会减小。同时其可以作为一个很小的储能单元，作为控制回路的电源。在实际的应用中直流回路模块的电容值一般较大，以保证电压稳定的效果。逆变器：逆变模块是变频器实现变压和变频的重要环节，整流桥输出的直流电压通过逆变模块，在门极触发信号的作用下，变换成为一系列的同时占空比不同的方波信号，根据冲量相等原理，其作用效果和正弦信号作用效果相同。因此，其用来实现对感应电机的变频调速。当其输入电压减小到阈值后，逆变器将无法正常工作，从而影响感应电机的正常工作。这是变频器因电压暂降不正常工作的主要原因。控制器：其主要作用是通过检测驱动器的电流信号、转速信号、电磁转矩信号和直流回路电压信号，通过内置的控制算法和参考值，产生逆变器中变频器的所需要的门极驱动信号，同时，还通过一系列的保护模块保护着整个逆变模块和感应电机。现有变频器普遍采用矢量控制策略。运行过程中，功率从整流模块流向直流回路模块中的直流电容，在直流电容中会储存一部分能量，再经逆变器流至感应电机，在此过程中实现将固定频率和幅值的电压转变成为频率和幅值可调的电压。控制器对功率回路的各种电气量进行控制，同时对整个变频器进行保护，通过开关或者接触器和驱动信号对驱动器进行运行状态的控制。由于变频器对电压暂降十分敏感，因此电压暂降和供电电压的短时中断将影响变频器的正常工作。并且变频器常常是整个工业系统的一部分，它与其他电气设备一起运行，通常用于驱动关键的系统负荷。在连续工业过程中，由于电压暂降，这种关键设备(有时也作为某种负载)的故障可能导致严重的收入损失，甚至造成设备损坏。一个使用变频器的工厂的平均生产过程中断成本大约是没有使用变频器的同类行业的8倍。变频器作对电压暂降敏感，因此时工业过程中的薄弱环节，在暂降时可能导致含有变频器的设备，如传送带、中央空调、电梯等设备不正常工作，这在涉及到经济损失的同时，也涉及到更严重的安全问题。在实际工业生产过程中，变频器的电压暂降耐受能力主要是通过安装附加的硬件设备，如不间断电源(uninterruptedpowersystem,UPS)，来克服变频器在电压暂降下能量不足，转速和力矩出现下滑的现象。这样的硬件措施固然能够满足变频器的电压暂降穿越能力，但是增加了设备的成本，例如像不间断电源等是设备费用与其安装容量相关，同时额外的设备会增加变频器的控制复杂程度。变频器的具体拓扑结构如图1所示。在电压暂降的情况下(电压暂降：输电线路因故障等导致电压有效值低于阈值并且持续时间在10ms-1min内的现象)会因电网端输入电压的减小，而直流电容电压瞬时保持不变，整流桥截止(不导电)；此时变频器输出的转速和力矩都将随着直流回路的电压降低而减小。暂降严重时，会导致变频器输出的转速和力矩低于生产要求，生产出废品；或者变频器内部触发保护动作，变频器停机，生产线中断，都会造成巨大的经济损失。由于电压暂降持续时间通常较短，而现目前的变频器的耐受时间(耐受时间：能够经受住电压暂降而不会导致设备跳闸或者生产保持正常的时间)通常为十几至三十几毫秒，不足以耐受住绝大多数的电压暂降事件。现有技术问题主要包含以下两个方面：1、矢量控制器控制性能不足矢量控制器主要通过检测感应电机输出的转速和三相电流，根据内部的设定参考值和相关算法和模块计算的到三相逆变器触发脉冲，控制变频器的正常工作。各模块的连接拓扑如图2所示。矢量控制策略控制器包括：abc-dq坐标变换：将abc三相静止坐标系下的三相电流(ia、ib、ic)结合转子磁链位置角(θ)转换为dq两相旋转坐标系下的电流(id、iq)；dq-abc坐标变换：将dq两相旋转坐标系下的参考电流(id*、iq*)结合转子磁链位置角(θ)转换为abc三相静止坐标系下的三相参考电流(ia*、ib*、ic*)；磁链幅值计算：根据直流励磁电流(id)计算感应电机气隙磁场磁链幅值(ψ)；转子旋转角速度计算：根据感应电机的实际转速(n)计算的到转子旋转角速度(ωm)；转子磁链位置角计算：根据转子旋转角速度(ωm)、磁链幅值(ψ)和直流转矩电流(iq)计算的转子磁链位置角(θ)；磁链PI控制器：根据磁链参考值(ψref)和实际磁链幅值(ψ)计算的到直流励磁参考电流(id*)；速度PI控制器：根据磁链参考值(nref)和实际磁链幅值(n)计算的到参考电磁转矩(Te*)；参考转矩电流计算：根据参考电磁转矩(Te*)计算得到直流参考转矩电流分量(iq*)；电流滞环PWM发生器：根据实际三相电流(ia、ib、ic)和三相参考电流(ia*、ib*、ic*)的差异生成控制三相逆变器开断的三相逆变器触发脉冲。矢量控制建立在稳态数学模型之上，侧重考虑在稳态和动态(负荷的突然变化，或者其他的小扰动)下的控制性能。在电压暂降下，由于能量的不足，变频器的实际转速和力矩都会减小，但控制器中的参考信号会增大或维持在原水平，导致变频器动态变化过程不能被控制器感知到，造成控制性能下降。分析矢量控制控策略数学模型，存在着以下的不足：(1)控制策略严重依赖电机的参数，电机参数变化对于控制性能的影响较大。其中电机的定子、转子电阻值的变化和定子和转子互感的变化都将对控制性能造成极大的影响。在暂降情况下，不仅电阻电感值会变化，同时磁链的定向角也会出现偏差。(2)控制器的控制参数固定。矢量控制器中，广泛使用PI控制器或PID控制器，预设转速和磁链参考值。其控制器的控制参数是固定的，在稳态、动态的情况下根据驱动器和性能要求进行设计。意味着在电压暂降下，控制器的参数不能及时的做出在线的调整，驱动器输出的转矩和转速做出的响应速度以及响应量不足的，从而导致变频器电压耐受能力的不足。2、变频器采用外部储能设备进行电压暂降治理2.1不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，其特征在于，采用“模糊弱磁-矢量控制”策略控制变频器，具体包括abc-dq坐标变换、dq-abc坐标变换、磁链幅值计算、转子旋转角速度计算、转子磁链位置角计算、参考转矩电流计算、电流滞环PWM发生器以及磁链PI控制器、速度模糊PI控制器和弱磁控制；/n所述速度模糊PI控制器根据运行情况的不同自动调整PI参数，提高控制系统对参数变化和运行情况变化的鲁棒性，/n所述速度模糊PI控制器的输入量为误差e、误差变化ec，输出控制量为ΔK

【技术特征摘要】
1.无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，其特征在于，采用“模糊弱磁-矢量控制”策略控制变频器，具体包括abc-dq坐标变换、dq-abc坐标变换、磁链幅值计算、转子旋转角速度计算、转子磁链位置角计算、参考转矩电流计算、电流滞环PWM发生器以及磁链PI控制器、速度模糊PI控制器和弱磁控制；
所述速度模糊PI控制器根据运行情况的不同自动调整PI参数，提高控制系统对参数变化和运行情况变化的鲁棒性，
所述速度模糊PI控制器的输入量为误差e、误差变化ec，输出控制量为ΔKp、ΔKI，误差的归一化论域设为[Lemin,Lemax]，误差变化的归一化论域设为[Lecmin，Lecmax]，输出的归一化论域设为[Ymin，Ymax]，参考变频器遭受暂降下的实际运行状态[emin,emax]、[ecmin,ecmax]、[Δkmin,Δkmax]，选择和确定量化因子Ke、Kec以及比例因子L(m)，论域的正规化变化公式为












根据Mamdani的min-max推理法则，采用加权平均解模糊化的模糊控制输出为



设定PI控制参数调整量为Kp＝Kp0+ΔKp，KI＝KI0+ΔKI，则实际控制系统的输出为



误差e、误差变化ec和控制量ΔKp、ΔKI采用相同的模糊子集，其隶属度函数采用对称、均匀分布的三角形形式，根据PI参数调整经验和误差逐级逼近原则，建立ΔKp、ΔKI的控制规则。


2.根据权利要求1所述的无储能设备参与的变频器电压暂降耐受能力提升方法，其特征在于，所述弱磁控制在电压暂降未发生时，变频器稳定运行于A点，逆变器输出的电压角频率为ωs1，电压暂降发生时刻，由于电压幅值的减小，变频器运行点跳变至B点，电压暂降期间，由于变频器的变频作用，电压角频率会发生变化，从ωs1逐渐过渡到ωs-sag，且ωs1>ωs-sag，因此工作点逐渐移动至C点，机械特性曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，王金浩，常潇，李胜文，张世锋，樊瑞，赵军，李冉，高乐，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：山西;14