CN103023063A - 一种高压变频器并网回馈装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变频器并网回馈装置，包括进线开关、高压变频器及控制系统、并网电抗器、出线开关。其特征在于：所述进线开关与高压变频器输入端相连，高压变频器输出端与并网电抗器相连，并网电抗器与出线开关相连，出线开关与进线开关输出端和高压变频器输入端相连；所述高压变频器控制系统对电网电压，高压变频器输出电流进行采样，并对其进行处理，控制高压变频器的输出脉冲，将能量回馈到电网。本发明实现了高压变频器并网并向电网回馈能量，实现了高压变频器整机老化的目的，同时又可以节能降耗;占地面积小，操作性强，提高了生产效率。

Description

一种高压变频器并网回馈装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压变频器老化实验技术，更具体的说，涉及一种高压变频器并网回馈装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，高压变频器广泛应用于电力、冶金、石化、自来水、煤炭等领域，节省了大量的电能，创造了相当可观的经济效益和社会效益。

为了保证产品的可靠性，高压变频器在出厂前都要进行整机老化实验，即高压变频器在额定电流下工作一段时间。在高压变频器行业内，整机老化的负载方式主要有两种:空电机负载和能量回馈型负载（如附图1所示）。空电机负载一般是高压变频器拖动一台高压电机，电机空载运行，运行时电流为电机空载电流，老化效果理想。能量回馈型负载主要指高压变频器拖动原动机，由原动机拖动发电机发电，将通过四象限变频器将电能回馈到电网；此种方式虽然将能量回馈到电网，但是仍然有电机等旋转设备的机械损耗。采用高压变频器并网回馈装置，可避免上述两种整机老化存在的问题，而且操作简单，节电率高，具有相当可观的经济价值。

发明内容

本发明的主要解决的问题是提出一种新型的整机老化装置，控制方便、适用性强并且老化效率高。

本发明解决上述问题所采取的技术方案如下描述：

一种高压变频器并网回馈装置，包括进线开关、高压变频器及控制系统、并网电抗器、出线开关，其特征在于：所述进线开关与高压变频器相连，高压变频器与并网电抗器相连，并网电抗器与出线开关相连，出线开关与进线开关输出端和高压变频器输入端相连；所述高压变频器控制系统对电网电压、高压变频器输出电流进行采样，并对采样信号进行处理，控制高压变频器的输出脉冲，将能量回馈到电网。

所述的进线开关，其作用为连接电网和高压变频器，当高压变频器故障时进线开关主动分断，起到防止事故扩大的保护作用。

采样电路连接到功率回路和控制系统，采样电路包括并网绕组的三相电压采样电路、功率单元的输出电压采样电路和功率单元的输出电流采样电路，采样电路将各采样信号送到控制系统，由控制系统对采样信号进行处理。

所述的高压变频器控制系统，由采样处理及并网控制单元、计算单元、脉冲控制单元、人机界面组成，控制系统对采样电压、电流进行处理；通过同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法，计算得到三相参考电压，将参考电压输出到脉冲控制单元，进行脉冲管理，生成对应的驱动信号，驱动高压变频器的功率部分，从而控制高压变频器的输出；人机界面通过设置不同的参数实现不同的老化电流控制。

所述的并网电抗器连接到三个功率单元的U接线端子和并网开关上，并网电抗器为三相可调电抗器，根据功率单元的电流值大小来调整电抗器感值，起到功率传输和滤波的作用，同时保证不同功率下功率单元输出的电流谐波小于标准值。

所述的并网开关，其连接到并网电抗器和并网变压器的绕组。并网开关控制由控制系统实现。

前述的高压变频器并网回馈装置的控制系统中的控制方法，包括基于PI控制的电流控制算法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将采样的电网电压锁相得到电网电压角度θ，将电网电压、输出电流进行矢量解耦，得到电网电压有功分量E_d、电网电压无功分量E_q、电网电流有功分量i_d、电网电流无功分量i_q，初始电网电流有功分量i_d与有功分量给定值i_dref比较,得到的差值经PI控制器输出;

2)输出的电压值与电网电压有功分量E_d、i_qωL比较得到参考电压有功分量u_dref，ω为角频率、L为输出电抗器电感值;

3)同样，初始电网电流无功分量i_q与无功分量给定值i_qref比较,比较得出的差值经PI控制器输出，得到的电压值与电压无功分量E_q、i_dωL比较得到参考电压无功分量u_qref;

4)对所得的u_dref、u_qref进行逆变换得到三相参考电压；

5)脉冲控制单元根据三相参考电压形成PWM脉冲，生成驱动信号，并驱动高压变频器的功率部分。

基于PI控制的电流控制算法包括以下步骤：

控制系统通过离散化处理，得到：

1)电流q轴分量PI调节步骤如下：

Δq(n)=i_qref-i_q(n)其中i_qref为q轴电流分量的参考值，i_q(n)为采样电流的q轴离散化分量，Δq(n)为q轴电流分量的差值。

u_qref=-(K_PΔq(n)+K_i∑Δq(n))-ωL·i_d+E_q其中K_P为比例参数，K_i为积分参数，∑Δq(n)为Δq(n)的累加值。

2)电流d轴分量PI调节步骤如下：

Δd(n)=i_dref-i_d(n)其中i_dref为d轴电流分量的参考值，i_d(n)为采样电流的d轴离散化分量，Δd(n)为d轴电流分量的差值。

u_dref=-(K_PΔd(n)+K_i∑Δd(n))+ωL·i_q+E_d其中K_P为比例参数，K_i为积分参数，∑Δd(n)为Δd(n)的累加值。

本发明的高压变频器并网回馈装置替代传统的整机老化装置，将能量回馈到电网，电网只补充很少的系统损耗，使电能循环利用，从而达到整机老化目的，同时又能节能降耗。另外，本发明的装置体积小、控制方便、适用性强、老化效率高。

附图说明

图1传统整机老化电气原理图；

图2本发明电气原理图；

图3控制系统控制原理图；

图4系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明一种高压变频器并网回馈装置，包括进线开关、高压变频器及控制系统、并网电抗器、出线开关。

所述进线开关与高压变频器相连，高压变频器与并网电抗器相连，并网电抗器与出线开关相连，出线开关与进线开关输出端和高压变频器输入端相连；所述高压变频器控制系统对电网电压、高压变频器输出电流进行采样，并对采样信号进行处理，控制高压变频器的输出脉冲，将能量回馈到电网。

所述的进线开关，其作用为连接电网和高压变频器，当高压变频器故障时进线开关主动分断，起到防止事故扩大的保护作用。

采样电路连接到功率回路和控制系统，采样电路包括并网绕组的三相电压采样电路、功率单元的输出电压采样电路和功率单元的输出电流采样电路，采样电路将各采样信号送到控制系统，由控制系统对采样信号进行处理。

所述的高压变频器控制系统，由采样处理及并网控制单元、计算单元、脉冲控制单元、人机界面组成，控制系统对采样电压、电流进行处理；通过同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法，计算得到三相参考电压，将参考电压输出到脉冲控制单元，进行脉冲管理，生成对应的驱动信号，驱动高压变频器的功率部分，从而控制高压变频器的输出；人机界面通过设置不同的参数实现不同的老化电流控制。

所述的并网电抗器连接到三个功率单元的U接线端子和并网开关上，并网电抗器为三相可调电抗器，根据功率单元的电流值大小来调整电抗器感值，起到功率传输和滤波的作用，同时保证不同功率下功率单元输出的电流谐波小于标准值。

所述的并网开关，其连接到并网电抗器和并网变压器的绕组。并网开关控制由控制系统实现。

首先，通过人机界面设置需要的老化电流，控制系统根据老化电流选择并网电抗器的电感值。

经过一定时间，控制系统闭合进线开关，电网电压经过进线开关至高压变频器。高压变频器输出交流电压。控制系统采集并网开关两侧电压，判断两端电压的频率、幅值、相位，三者关系满足一定关系后，控制系统控制并网开关闭合，整个系统并网成功。系统并网成功后，控制系统根据人机界面设定的老化电流进行电流控制。

具体控制流程如图4所示。控制系统采用同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法：对采集到的电网电压进行锁相，得到电网电压角度θ；对电压和输出电流进行clark和park变换，得到E_d、E_q、i_d、i_q。控制系统通过离散化处理，将初始电流i_d与给定值i_dref比较,得到的差值经PI控制器输出，输出的电压值与电网电压有功分量E_d和i_qωL比较得到参考电压有功分量u_dref。同样，初始电流i_q与给定值i_qref比较,比较得出的差值经PI控制器输出，得到的电压值与电压无功分量E_q和i_dωL比较得到参考电压无功分量u_qref。

得到的参考电压u_dref、u_qref经过park和clark逆变换得出ABC三相参考电压，送往脉冲控制单元进行脉冲分配，形成三相PWM信号。PWM信号传输到高压变频器功率部分，控制功率部分的开关器件的开通与关断，使高压变频器输出三相电压，经并网电抗器后接入电网，并向电网反馈能量。

与此同时电网通过进线开关向高压变频器提供能量，形成能量的闭环。电网补偿整个系统的功率损耗。

本发明的有益效果为：操作性强，控制性能良好，可靠性高；电能回馈率高，节能效果显著；占地面积小，可独立完成整机老化实验，极大地提高了生产效率，创造了可观的经济价值。

Claims (7)

1.一种高压变频器并网回馈装置，包括进线开关、高压变频器及控制系统、并网电抗器、出线开关，其特征在于：所述进线开关与高压变频器相连，高压变频器与并网电抗器相连，并网电抗器与出线开关相连，出线开关与进线开关输出端和高压变频器输入端相连；所述高压变频器控制系统对电网电压、高压变频器输出电流进行采样，并对采样信号进行处理，控制高压变频器的输出脉冲，将能量回馈到电网。

2.根据权利要求1所述的高压变频器并网回馈装置，其特征在于：采样电路连接到功率回路和控制系统，采样电路包括并网绕组的三相电压采样电路、功率单元的输出电压采样电路和功率单元的输出电流采样电路，采样电路将各采样信号送到控制系统，由控制系统对采样信号进行处理。

3.根据权利要求1所述的高压变频器并网回馈装置，其特征在于：所述高压变频器控制系统，包括采样处理及并网控制单元、计算单元、脉冲控制单元和人机界面，控制系统对采样电压、电流进行处理；通过同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法，计算得到三相参考电压，将参考电压输出到脉冲控制单元，进行脉冲管理，生成对应的驱动信号，驱动高压变频器的功率部分，从而控制高压变频器的输出；人机界面通过设置不同的参数实现不同的老化电流控制。

4.根据权利要求1所述的高压变频器并网回馈装置，其特征在于：所述并网电抗器连接到三个功率单元的U接线端子和并网开关上，并网电抗器为三相可调电抗器。

5.根据权利要求1所述的高压变频器并网回馈装置，其特征在于：所述并网开关连接到并网电抗器和并网变压器的绕组。

6.根据权利要求3所述的高压变频器并网回馈装置，其特征在于：同步旋转坐标系下基于PI控制的电流控制算法包括以下步骤：

控制系统通过离散化处理，得到：

1)电流q轴分量PI调节步骤如下：

Δq(n)＝i_qref-i_q(n)其中i_qref为q轴电流分量的参考值，i_q(n)为采样电流的q轴离散化分量，Δq(n)为q轴电流分量的差值；

u_qref=-(K_PΔq(n)+K_i∑Δq(n))-ωL·i_d+E_q其中K_P为比例参数，K_i为积分参数，∑Δq(n)为Δq(n)的累加值;

2)电流d轴分量PI调节步骤如下：

Δd(n)=i_dref-i_d(n)其中i_dref为d轴电流分量的参考值，i_d(n)为采样电流的d轴离散化分量，Δd(n)为d轴电流分量的差值;

u_dref=-(K_PΔd(n)+K_i∑Δd(n))+ωL·i_q+E_d其中K_P为比例参数，K_i为积分参数，∑Δd(n)为Δd(n)的累加值。

7.根据权利要求1所述的高压变频器并网回馈装置的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将采样的电网电压锁相得到电网电压角度θ，将电网电压、输出电流进行矢量解耦，得到电网电压有功分量E_d、电网电压无功分量E_q、电网电流有功分量i_d、电网电流无功分量i_q，初始电网电流有功分量i_d与有功分量给定值i_dref比较,得到的差值经PI控制器输出;

2)输出的电压值与电网电压有功分量E_d、i_qωL比较得到参考电压有功分量u_dref，ω为角频率、L为输出电抗器电感值;

3)同样，初始电网电流无功分量i_q与无功分量给定值i_qref比较,比较得出的差值经PI控制器输出，得到的电压值与电压无功分量E_q、i_dωL比较得到参考电压无功分量u_qref;

4)得到的参考电压u_dref、u_qref经过park和clark逆变换得出ABC三相参考电压，送往脉冲控制单元进行脉冲分配，形成三相PWM信号，PWM信号传输到高压变频器功率部分，控制功率部分的开关器件的开通与关断，使高压变频器输出三相电压，经并网电抗器后接入电网，并向电网反馈能量；

5)脉冲控制单元根据三相参考电压形成PWM脉冲，生成驱动信号，并驱动高压变频器的功率部分。

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