CN103532469A - 中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法。本发明为了解决在双闭环调速系统中，在电流内环具有非线性死区因子时，采用速度环PI算法会引起转速不规则波动，使得相角滑差产生不稳定现象的问题。自适应复合速度控制方法。升速阶段采用了具有自适应功能的单比例环节的速度控制算法，解决了比例控制器无法克服静差的问题；在准同期阶段，提供了抗电流非线性死区的自动准同期算法，保证了滑差的一致性。本发明应用于同步电机软起动领域。

Description

中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法

技术领域

本发明涉及同步电机软起动领域。

背景技术

中压大功率同步电机的起动及并网困难成为其应用的重大障碍，是限制产业发展的重大技术难题，自动准同期装置是大型同步电机软起动装置中非常重要的组成部分。为了避免同步电机在并网时产生冲击电流损害电机及机械设备，并网时刻需要满足并网接触器两端电压的幅值，相位，频率保持一致，其中电机反电动势的相位与电网相位保持一致至关重要。如果并网时刻相位差较大，对转子轴系的危害是非常大的，会引起非常大的主轴扭矩，最高可达到额定转矩的7-10倍，当大功率电机起动并网时会对电网质量以及稳定性都会造成较大的影响。因此确保并网时刻电网电压与电机反电动势相位一致，对同步电机的最终并网成功至关重要。

要确保并网时刻并网接触器两端相位的一致，难点在于合闸指令发出到接触器主抽头闭合需要一定的时间，因此需要在控制算法中，预估接触器合闸这段时间内相角差的变化量，即准确计算出相角导前角δ。针对导前角的预报包括微分预报法、积分预报法。微分预报法认为滑差是稳定的，相角变化量与合闸时间成线性关系，但测量误差会随着合闸时间变大；采用积分预报的原理，可以极大减少噪声与预报的误差，即使在加速度滑差或随机滑差的情况下，也能获得较准确的导前时间。但以上2种预报方法均假设发电机在并网时速度恒定。实际上，发电机并网前速度可能是波动的，而且合闸时间越长，近似认为发电机恒速计算出的合闸角误差越大。为了在滑差变化情况下预估出合闸误差，提出滑差预报的分析方法，能较准确地描述发电机匀速或变速情况下的相角变化。模糊控制应用于准同期并网判决中。通过合闸前滑差的变化来进行导前相角预估，提出了有效的算法，但对合闸指令给出之后并网接触器合闸这段时间内的滑差变化无能为力。无论采用何种预报算法，滑差的稳定是确保并网合闸成功非常重要的必要因素。

在双闭环调速系统中，在电流内环具有非线性死区因子时，采用速度环PI算法会引起转速不规则波动，使得相角滑差产生不稳定现象的问题。

发明内容

本发明为了解决在双闭环调速系统中，在电流内环具有非线性死区因子时，采用速度环PI算法会引起转速不规则波动，使得相角滑差产生不稳定现象的问题，从而提出了中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法。

中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法为：通过控制器预设的准同期频率给定ω_si与电机实际频率ω做差，获得频率△ω，

将该频率△ω输入至选择器，经选择器选择：

若|△ω|≤△ω_e，则将频率△ω输入至准同期速度给定调节器，经准同期速度给定调节器处理获得速度调节器频率给定ω^*，

其中，△ω_e为进入准同期的频率误差限，

若|△ω|>△ω_e，则将频率△ω发送至升速速度给定调节器，经升速速度给定调节器处理，输出速度调节器频率给定ω^*，

将该速度调节器频率给定ω^*与电机实际频率ω做差获得比例速度控制器的输入频率△ω^*，并将获得的比例速度控制器的输入频率△ω^*发送至比例速度控制器，

该比例速度控制器的输入频率△ω^*经比例速度控制器处理，获得电流给定

将该电流给定

输入至电流调节器，经电流调节器处理获得直流母线电流i_d，

将该直流母线电流i_d发送至电机实现中高压同步电机自控变频起动及准同期并网的控制，经过电机处理获得电机实际频率ω。

获得电流给定

的具体过程为：

由速度调节器频率给定ω^*和电机实际频率ω根据公式(1)获得电流给定

$({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})K_{\mathrm{\ω}}=i_d^{*}---\left(1\right)$

其中，K_ω表示速度调节器比例系数。

本发明通过升速速度给定调节器有效避免电流内环死区引起的滑差不稳定，提高了系统并网的可靠性。

附图说明

图1为本发明的控制原理框图；

图2为速度PI算法下的频率仿真波形图；

图3为只有控制器为比例时的频率仿真波形图；

图4为速度PI算法下的滑差仿真波形图；

图5为只有控制器为比例时的滑差仿真波形图；

图6为升速阶段流程图；

图7为准同期阶段程序流程图；

图8为K_v=1时，的转速超调量波形图；

图9为K_v=3时，的转速超调量波形图；

图10为速度PI算法下的滑差仿真波形图；

图11为速度单比例环节算法下的滑差波形图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法为：通过控制器预设的准同期频率给定ω_si与电机实际频率ω做差，获得频率△ω，

将该频率△ω输入至选择器，经选择器选择：

若|△ω|≤△ω_e，则将频率△ω输入至准同期速度给定调节器，经准同期速度给定调节器处理获得速度调节器频率给定ω^*，

其中，△ω_e为进入准同期的频率误差限，

若|△ω|>△ω_e，则将频率△ω发送至升速速度给定调节器，经升速速度给定调节器处理，输出速度调节器频率给定ω^*，

将该速度调节器频率给定ω^*与电机实际频率ω做差获得比例速度控制器的输入频率△ω^*，并将获得的比例速度控制器的输入频率△ω^*发送至比例速度控制器，

该比例速度控制器的输入频率△ω^*经比例速度控制器处理，获得电流给定

将该电流给定

输入至电流调节器，经电流调节器处理获得直流母线电流i_d，

将该直流母线电流i_d发送至电机实现中高压同步电机自控变频起动及准同期并网的控制，经过电机处理获得电机实际频率ω。

传统的PI算法对准同期应用中的控制原理为：

在准同期并网过程中，最容易出现问题的过程是在并网指令发出之后到并网接触器真正合闸的时间段内出现滑差不稳定，使得之前计算的导前相位角不准确。因此保证滑差的稳定对并网成功是至关重要的。

滑差稳定，本质是需要电机转速稳定。在实际传动系统中，大多采用速度外环，电流内环的双闭环调速系统。但在电流内环具有非线性死区时，频率在小范围内不规则波动，这对相角滑差的稳定是非常不利的。

从图2中可以看出当速度调节器采用比例积分环节时，频率稳态误差较小，但是因死区的作用，转速出现不规则的波动现象。将频率误差做积分，即相当于计算相角滑差，从图4中可知积分后波形斜率的一致性较差。从图3与图5可知，当速度调节器采用单比例环节时，转速在小于给定转速下稳定，稳态误差无法消除，但将频率误差做积分后的波形斜率一致性很好。

因电流内环死区的存在，转速很难做到无静差，因速度环的积分作用，如未消除静差，速度环的给定会一直变化，直到大于电流内环的死区阀值引起转速的波动。虽然PI算法可以使得频率的稳态误差减小，但也会使频差不稳定，从而使滑差的一致性变差。当速度环只有比例环节的情况下，虽然频率的稳态误差无法消除，但却能使频差相对稳定，得到较为理想的滑差曲线。

在本实施方式中，同步电机起动并网的理想条件是并网接触器两侧电压的三个状态量全部相等，尤其对相角差的要求更为严格，必须要确保相位差为“零”时完成并网。要确保相角差为“零”时并网，必须准确预估并网导前角，而能够准确预估导前角的前提是相角滑差必须要稳定。电流内环存在非线性死区时，PI算法产生的相角滑差不稳定，无法准确预测出并网导前角。本文针对该问题采用单比例的速度控制器，并通过自适应算法达到调频的目的。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法的区别在于，获得电流给定

的具体过程为：

由速度调节器频率给定ω^*和电机实际频率ω根据公式(1)获得电流给定

$({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})K_{\mathrm{\ω}}=i_d^{*}---\left(1\right)$

其中，K_ω表示速度调节器比例系数。

同步电机起动并网系统根据阶段不同可分为升速过程，准同期过程和并网判决过程。通过检测电网电压及电机反电动势的过零点可以检测其相位信息和频率信息。

升速阶段：

结合图6进行详细说明，当速度控制器采用比例环节时，稳态误差将无法完全消除。稳态误差与比例系数的倒数成正比，比例系数越大，稳态误差越小，但是比例系数过大将使系统不稳定。因此在比例系数一定的情况下，需要一套自适应算法来消除稳态误差。

稳态时，转速调节器的输出为：

$({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})K_{\mathrm{\ω}}=i_d^{*}---\left(1\right)$

其中，K_ω=1/(k_v·T_on)，T_on为频率控制周期，

假设电流环控制周期远高于速度环的控制周期，因此令

因为电磁转矩：

当忽略反应转矩时C_r=0。

其中，T_e为电磁转矩，C_m表示电机的电磁转矩系数，C_r表示电机的反应转矩系数，

此时有：

T_e=C_mi_d  (2)

转速稳定时有：

T_e=T_L  (3)

其中，T_L为包括电机空载转矩在内的负载转矩；

由(1)、(2)、(3)式得

C_mK_ω(ω^*-ω)=T_L  (4)

根据上述公式，假设n-1时刻速度调节器频率给定

对应的电机实际频率为ω_(n-1)，n时刻速度调节器频率给定为

对应的电机实际频率为ω_(n)。那么有：

$C_m{K}_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ω}}_{(n-1)}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{(n-1)})=T_L---\left(5\right)$

$C_m{K}_{\mathrm{\ω}}({\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)})=T_L---\left(6\right)$

将(5)、(6)相除，可整理得：

${\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)}^{*}={\mathrm{\ω}}_{(n-1)}^{*}+{\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)}-{\mathrm{\ω}}_{(n-1)}---\left(7\right)$

系统最终状态可以认为ω_(n)为电网频率ω_G，那么(7)式可写为：

${\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)}^{*}={\mathrm{\ω}}_{(n-1)}^{*}+{\mathrm{\ω}}_G-{\mathrm{\ω}}_{(n-1)}---\left(8\right)$

可通过式(8)得到最终的速度给定。考虑到调节频率大于电机的惯量，为减小超调量，(8)式可写为

${\mathrm{\ω}}_{\left(n\right)}^{*}={\mathrm{\ω}}_{(n-1)}^{*}+[{\mathrm{\ω}}_G-{\mathrm{\ω}}_{(n-1)}]/K_v---\left(9\right)$

式中K_v越大，超调量越小，调节速度越慢。最终通过(9)式完成升速过程。

准同期阶段：

当频率接近额定频率后，应跟随预设的准同期频率给定ω_si，所述的准同期频率给定即为预设的滑差角频率，由于在准同期阶段，频率已接近额定值，因此需要对电机频率进行微调。在准同期阶段，将以电机与电网的相位差变化替代电机频率作为系统的输入，通过式(10)来微调速度给定，当滑差满足(11)式时，将不改变频率给定。通过相位的变化计算滑差角频率的优点是可以直观的看出电网电机相位的相对变化速率，并可以直接应用到并网判决中，减小程序的计算量。

${\mathrm{\ω}}_s^{*}\left(n\right)={\mathrm{\ω}}_s^{*}(n-1)+\frac{1}{k_s}(\frac{{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}}{T_s}-{\mathrm{\ω}}_s)---\left(10\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{si}}-\mathrm{\Δ\ω}\≤\frac{{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}}{T_s}\≤{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{si}}+\mathrm{\Δ\ω}---\left(11\right)$

其中，k_S为频率调节系数，

表示电机频率给定，ω_s表示滑差给定频率，T_s表示相位采样周期，

k_S作用与(8)式中的K_v作用相同。K_e=1/(k_s·T_on)，K_e表示角频率调节系数。从图7的流程图中可知，只需要采样相位信息，而不需要计算出频率，就可完成准同期过程。

并网判决阶段：

当电机电压与电网电压幅值差在5%以内时，相位变化速度满足式(8)，此时进入并网判决阶段。并网合闸的判定必须要考虑并网接触器合闸过程中相位的变化，这样才能确保在真正并网时刻相位差为零。相差的判决采用式(11)。

令，预设的准同期频率给定ω_si=(θ_n-θ_n-1)/T_s，有

ω_si·T_KM-△δ≤δ_i≤ω_si·T_KM+△δ  (12)

其中，δ_i为合闸时刻相角，△δ为合闸允许的相角误差，T_KM为接触器合闸时间。

因此通过公式(8)、(10)和(12)式即完成同步电机的起动及并网算法。

实验结果：

实验平台采用10KV，1000KV的同步电机作为传动电机，以一台变频器拖动异步电机作为负载，起动设备采用晶闸管串联的10KV自控变频式软起动装置。

装置通过硬件方式测量频率和相位，电网电压经过PT互感器降压成小信号，再经过滤波调理电路滤掉高次谐波，经过过零比较电路，变成方波信号。考虑到电机起动的低速阶段，互感器无法准确检测低频信号，因此，电机反电动势通过电阻分压，再经过高精度的隔离运放及滤波电路，最后变成方波信号。通过两个方波过零点的比较及过零点的宽度来计算电网和电机反电动势的相位和频率。

图8和图9为不同K_v下的速度波形，从波形中可以看出K_v越小，频率的超调量越大。图10和图11为速度控制器分别采用PI算法和单比例算法下的频率波形和滑差波形。从波形中可以看出采用单比例环节速度控制器的滑差很稳定，对于有效估算导前角及可靠并网创造了条件。图10和图11为并网时刻电网电压与电机反电动势波形。实验采用的真空接触器在控制器发出指令到接触器合闸需要200ms，在稳定的滑差下，并网判决可以准确预估出合闸导前角，并网时刻相位差几乎为零。反复的实验中，装置并网的电流冲击可以限定在额定电流的20%以内。

本发明克服在电流内环存在非线性死区时，频率脉动对相角滑差产生的不利影响，本发明所述的自适应复合速度控制方法。升速阶段采用了具有自适应功能的单比例环节的速度控制算法，解决了比例控制器无法克服静差的问题；在准同期阶段，提供了抗电流非线性死区的自动准同期算法，保证了滑差的一致性。该方法适用于自动准同期并网场合。

Claims (2)

1.中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法，其特征在于：通过控制器预设的准同期频率给定ω_si与电机实际频率ω做差，获得频率△ω，

将该频率△ω输入至选择器，经选择器选择：

若|△ω|≤△ω_e，则将频率△ω输入至准同期速度给定调节器，经准同期速度给定调节器处理获得速度调节器频率给定ω^*，

其中，△ω_e为进入准同期的频率误差限，

若|△ω|>△ω_e，则将频率△ω发送至升速速度给定调节器，经升速速度给定调节器处理，输出速度调节器频率给定ω^*，

将该速度调节器频率给定ω^*与电机实际频率ω做差获得比例速度控制器的输入频率△ω^*，并将获得的比例速度控制器的输入频率△ω^*发送至比例速度控制器，

该比例速度控制器的输入频率△ω^*经比例速度控制器处理，获得电流给定

将该电流给定

输入至电流调节器，经电流调节器处理获得直流母线电流i_d，

将该直流母线电流i_d发送至电机实现中高压同步电机自控变频起动及准同期并网的控制，经过电机处理获得电机实际频率ω。

2.根据权利要求1所述的中高压同步电机自控变频软起动自动准同期并网控制方法，其特征在于：获得电流给定

的具体过程为：

由速度调节器频率给定ω^*和电机实际频率ω根据公式(1)获得电流给定

$({\mathrm{\ω}}^{*}-\mathrm{\ω})K_{\mathrm{\ω}}=i_d^{*}---\left(1\right)$

其中，K_ω表示速度调节器比例系数。

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