CN107607886A - 火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，包括电动机（1）、调速变频器（2）和电力电子式电压跌落测试装置；所述电力电子式电压跌落装置串联于调速变频器（2）与大电网（6）中间。所述电力电子式电压跌落测试装置由输入侧（5）、输出侧（3）、直流侧（4）和测试装置控制系统构成。本发明测试装置控制系统通过自适应模糊PI调节器实现电压调节。在采用自适应模糊PI控制策略上，本发明采用背靠背三相四线制桥臂结构，输出电压具备三相电压同步跌落或者分相电压跌落功能，实现了电压的幅值、频率、跌落时间的离线设置及在线实时修改参数功能，完善了循环周期测试功能，满足了不同场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，属电力电子技术领域。
背景技术
目前火电机组辅机普遍采用变频器，其在实现电动机的无极调速、辅机软启动、经济运行等方面具有极大的优势，火电机组低压辅机变频器低电压穿越能力较差，多数不具备低电压穿越能力。2011年1月，某火力发电厂室外互感器损坏导致电网500kV系统接地故障，给煤机电源跳闸造成正在运行的本厂和周边电厂各1台600MW机组停机，对电网安全运行构成巨大威胁；某石化公司热电厂变频控制的锅炉给粉机在厂用电停电切换或系统晃电的情况下，出现给粉机全停导致锅炉停炉的事故，给机组和化工装置生产造成巨大的损失。
火电厂长期在易燃、易爆、高温、高压环境下连续运行，突发的电网电压跌落或瞬间掉电事故都会造成装置、关键设备的重大损坏，同时DCS内的连锁反应较为复杂，一台变频器控制的辅机停机都会影响到整个机组的正常运行，而当电网发生电压波动或者厂用电系统内部发生故障，如雷击、电气设备短路、接地等导致电压波动时，都会因变频器高、低电压穿越不满足要求造成发电机组停机事故。华北电力大学、中船重工718所、甘肃电科院、黑龙江电科院等高校院所开展了火电厂低压辅机变频器低电压穿越改造方案对比分析，但未开展火电厂低压辅机变频器电压跌落测试装置方面的研究。目前常用的变压器副边多绕组结构的电压跌落装置不仅体积大、重量重，尤其在上下开关级差配合不当，装置投切引起的励磁涌流对现场运行设备具有较大安全风险。
传统低电压穿越测试装置试验平台如图1所示，主要由大电网6、电动机1、调速变频器2、数字示波器、多绕组变压器结构电压跌落装置7组成，实验方法将多绕组变压器结构电压跌落装置变比调节为1:1，闭合K1、K2，通过核心控制器控制接触器吸合、断开，调节多绕组变压器电压跌落装置副边匝数，改变副边输出电压，因接触器吸合、分开时间、输入电压幅值等难以准确控制，造成跌落时间、电压幅值精度不够准确，每次实验前都要通过示波器录波校核。
发明内容
本发明的目的是，为了解决火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试存在的问题，克服了传统的PI控制器无法保证电压幅值稳态精度及动态性能的问题；提出一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置。
实用本发明的技术方案是，一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，包括电动机、调速变频器和电力电子式电压跌落装置。所述调速变频器的输出端连接电动机；所述电力电子式电压跌落装置串联于调速变频器与大电网中间。
所述电力电子式电压跌落测试装置由输入侧、输出侧、直流侧和测试装置控制系统构成；所述输入侧的输入端连接电网，输入侧的输出端通过直流侧连接输出侧的输入端；输出侧的输出端通过调速变频器连接电动机；测试装置控制系统通过自适应模糊PI调节器实现电压调节；
所述输入侧及输出侧均为四桥臂IGBT加滤波电抗器结构；输入侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接调速变频器；输出侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接电网；分别连接输入侧和输出侧的直流侧由稳压电容组成。
所述测试装置控制系统包括PI调节器、四象限控制模块、采样模块、PWM控制模块、电压锁相环和计算模块；所述电力电子式电压跌落测试装置的输入侧通过四象限控制模块实时采集电压、电流、直流侧电压数据；计算直流侧电压的差值，控制输入侧吸收电流的大小及方向，稳定直流侧电压；输出侧由采样模块实时采集三相电压的幅值、频率、相位；计算模块按照设定的三相或者分相电压的幅值、功率，通过自适应模糊PI调节器使输出侧电压幅值、频率参数实时动态跟踪设定值，实现电压幅值、频率、分次谐波叠加、电压跌落时间在线及离线实时调节的电压源输出。
所述电压跌落测试装置控制系统的采样模块采集输出侧交流电母线上三相电压的采样值ua(t)，ub(t)，uc(t)；计算模块计算出电压的设定值ua *(t)，ub *(t)，uc *(t)；通过自适应模糊PI调节器计算出需要输出电压幅值、功率，经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制输入侧和输出侧四个H桥工作。
所述测试装置控制系统的四象限控制模块连接输入侧采集各相输入电流电压；四象限控制模块的输出端连接PWM控制模块；直流侧的电容电压通过PI调节器连接PWM控制模块；PWM控制模块控制输入侧；采样模块的输入端连接输出侧采集各相输出电流电压；电压锁相环连接输出侧各相，输出电压幅值和频率参数给计算模块；采样模块和计算模块分别向各相的PI调节器提供各相的电压采样值和电压设定值；各相的PI调节器连接PWM控制模块，由PWM控制模块对输出侧进行控制。
所述电力电子式电压跌落测试装置拓扑采用三相四线制结构设计，不仅满足装置输出侧三相电压同步跌落，同时具备三相中任一单相电压跌落功能；输入侧不仅满足单相桥臂吸收大电网能量稳定直流侧电压功能，同时考虑单相过载情况，具备三相同时吸收电网能量功能，提高了装备的抗过载运行能力。
所述装置通过在线或者离线实时设定控制指令、参数设置及显示功能；所述控制指令包括网侧启/停、AC侧启/停、故障复位、运行模式；所述参数设置包括电压、电流保护定值、直流侧电压、输出电压幅值、频率、输出电压谐波含有量、输出电压跌落时间及跌落幅值，根据被测逆变器功率不同，设定不同的保护定值。
所述装置制备的30kW电压跌落装置，输出侧滤波电感0.2m H，输入侧滤波电感0.15mH，直流侧电容电压650V，输入、输出侧均有急停开关，同时具备与上位机实时交互功能。
本发明的有益效果是，在采用自适应模糊PI控制策略上，本发明装置拓扑创新的采用背靠背三相四线制桥臂结构，输出电压具备三相电压同步跌落或者分相电压跌落功能，实现了电压的幅值、频率、跌落时间的离线设置及在线实时修改参数功能，完善了循环周期测试功能，满足了不同场合的需求；开发电压动态跌落时间小于10ms，电压谐波含有量小于3％电力电子跌落测试装置，不仅开展了实验室低穿测试，并在某火电现场开展了低压辅机变频器系统现场测试，测试证明该装置克服了传统测试的种种限制弊端，提升了测试效率，提高了测试精度，规范了测试流程。
附图说明
图1为传统辅机变频器低电压穿越试验平台示意图；
图2为电力电子式低电压穿越测试装置结构示意图；
图3为自适应模糊PID控制结构示意图；
图4为本发明电力电子式电压跌落测试装置控制系统示意图；
图5为实施例一个测试序列的电压跌落时间及电压幅值示意图；
图中，1是电动机；2是调速变频器；3是输出侧；4是直流侧；5是输入侧；6是大电网；7是多绕组结构电压跌落装置。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图2-5所示。
如图2所示，本实施例一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，包括电动机1、调速变频器2和电力电子式电压跌落装置。所述调速变频器2的输出端连接电动机1；所述电力电子式电压跌落装置串联于调速变频器2与大电网6中间。
所述电力电子式电压跌落测试装置由输入侧5、输出侧3、直流侧4和测试装置控制系统构成；所述输入侧5的输入端连接电网6，输入侧5的输出端通过直流侧4连接输出侧3的输入端；输出侧3的输出端通过调速变频器2连接电动机1；测试装置控制系统通过自适应模糊PI调节器实现电压调节；
所述输入侧及输出侧均为四桥臂IGBT加滤波电抗器结构；输入侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接调速变频器；输出侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接电网；分别连接输入侧和输出侧的直流侧由稳压电容组成。
如图4所示，本发明测试装置控制系统包括PI调节器、四象限控制模块、采样模块、PWM控制模块、电压锁相环和计算模块。
测试装置控制系统的四象限控制模块连接输入侧采集各相输入电流电压；四象限控制模块的输出端连接PWM控制模块；直流侧的电容电压通过PI调节器连接PWM控制模块；PWM控制模块控制输入侧；采样模块的输入端连接输出侧采集各相输出电流电压；电压锁相环连接输出侧各相，输出电压幅值和频率参数给计算模块；采样模块和计算模块分别向各相的PI调节器提供各相的电压采样值ua(t)、ub(t)、uc(t)，电压设定值ua *(t)、ub *(t)、uc *(t)；各相的PI调节器连接PWM控制模块，由PWM控制模块对输出侧进行控制。
自适应模糊PI系统是以常规PI控制为前提，采用模糊推理思想，将误差e和误差变化率ec作为模糊控制器的两个输入量，通过模糊控制器的输出变量，利用模糊规则对PID参数进行实时整定，从而使PID参数最优，自适应模糊PID控制结构如图3所示。
模糊控制的基本思想是对2个参数进行实时整定，以满足不同输入误差量e和误差变化率ec，确保被控对象有良好的动、静态性能。首先根据经验值设定 的值，然后通过模糊推理得到修正值Δkp、Δki，由经验值和修正值得到最优kp和ki。
上式中为系统的经典PI参数，Δkp、Δki为模糊推理得到的调整值。根据图3实现了对PI参数的优化，根据PI的控制算式：
Δe(t)＝e*(t)-e(t) (2)
Δua(t)＝ua *(t)-ua(t) (3)
其中ua *(t)为电压设定值，ua(t)为电压设定值。
Δub(t)＝ub *(t)-ub(t) (4)
其中ub *(t)为电压设定值，ub(t)为电压设定值。
Δuc(t)＝uc *(t)-uc(t) (5)
其中uc *(t)为电压设定值，uc(t)为电压设定值。
式中，kp为比例系数；ki为积分系数。
本实施例电子电压跌落装置设置输出线电压380V，20％电压跌落持续0.5s，60％电压跌落持续5s，90％电压跌落持续60s，130％电压暂升持续5s为例，作为一个测试序列，根据测试序列可以实现自动循环测试，同时测试序列的电压跌落时间及电压幅值的设置，输出响应的电压。如图5所示
本实施例制备的30kW电压跌落装置，输出侧滤波电感0.2m H，输入侧滤波电感0.15mH，直流侧电容电压650V，输入、输出侧均有急停开关，同时具备上位机实时交互功能。
Claims (7)
1.一种火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，包括电动机和调速变频器，调速变频器的输出端连接电动机；
其特征在于，所述装置还包括电力电子式电压跌落测试装置；所述电力电子式电压跌落装置串联于调速变频器与大电网中间；
所述电力电子式电压跌落测试装置由输入侧、输出侧、直流侧和测试装置控制系统构成；所述输入侧的输入端连接电网，输入侧的输出端通过直流侧连接输出侧的输入端；输出侧的输出端通过调速变频器连接电动机；测试装置控制系统通过自适应模糊PI调节器实现电压调节；
所述输入侧及输出侧均为四桥臂IGBT加滤波电抗器结构；输入侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接调速变频器；输出侧的四桥臂IGBT通过滤波电抗器连接电网；分别连接输入侧和输出侧的直流侧由稳压电容组成。
2.根据权利要求1所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，所述测试装置控制系统包括PI调节器、四象限控制模块、采样模块、PWM控制模块、电压锁相环和计算模块；所述电力电子式电压跌落测试装置的输入侧通过四象限控制模块实时采集电压、电流、直流侧电压数据；计算直流侧电压的差值，控制输入侧吸收电流的大小及方向，稳定直流侧电压；输出侧由采样模块实时采集三相电压的幅值、频率、相位；计算模块按照设定的三相或者分相电压的幅值、功率，通过自适应模糊PI调节器使输出侧电压幅值、频率参数实时动态跟踪设定值，实现电压幅值、频率、分次谐波叠加、电压跌落时间在线及离线实时调节的电压源输出。
3.根据权利要求2所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，其特征在于，所述电压跌落测试装置控制系统的采样模块采集输出侧交流电母线上三相电压的采样值ua(t)，ub(t)，uc(t)；计算模块计算出电压的设定值ua *(t)，ub *(t)，uc *(t)；通过自适应模糊PI调节器计算出需要输出电压幅值、功率，经过脉冲生成模块产生16路脉冲控制输入侧和输出侧四个H桥工作。
4.根据权利要求2所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，其特征在于，所述测试装置控制系统的四象限控制模块连接输入侧采集各相输入电流电压；四象限控制模块的输出端连接PWM控制模块；直流侧的电容电压通过PI调节器连接PWM控制模块；PWM控制模块控制输入侧；采样模块的输入端连接输出侧采集各相输出电流电压；电压锁相环连接输出侧各相，输出电压幅值和频率参数给计算模块；采样模块和计算模块分别向各相的PI调节器提供各相的电压采样值和电压设定值；各相的PI调节器连接PWM控制模块，由PWM控制模块对输出侧进行控制。
5.根据权利要求1所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，其特征在于，所述电力电子式电压跌落测试装置拓扑采用三相四线制结构设计，不仅满足装置输出侧三相电压同步跌落，同时具备三相中任一单相电压跌落功能；输入侧不仅满足单相桥臂吸收大电网能量稳定直流侧电压功能，同时考虑单相过载情况，具备三相同时吸收电网能量功能，提高了装备的抗过载运行能力。
6.根据权利要求1所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，所述装置通过在线或者离线实时设定控制指令、参数设置及显示功能；所述控制指令包括网侧启/停、AC侧启/停、故障复位、运行模式；所述参数设置包括电压、电流保护定值、直流侧电压、输出电压幅值、频率、输出电压谐波含有量、输出电压跌落时间及跌落幅值，根据被测逆变器功率不同，设定不同的保护定值。
7.根据权利要求1所述的火电厂低压辅机变频器低电压穿越便携式移动测试装置，所述装置制备的30kW电压跌落装置，输出侧滤波电感0.2m H，输入侧滤波电感0.15mH，直流侧电容电压650V，输入、输出侧均有急停开关，同时具备与上位机实时交互功能。
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