CN109995275B - 一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，具体步骤为：电流源型调相机启动时，采用换相超前角30°；通过检测系统判断是否发生换相失败，若未检测到发生换相故障，保持换相超前角为30°，当检测到系统发生换相失败时，找寻最近的晶闸管无缝切换时间点t0；切换换相超前角为60°。该方法实际应用中实现简单方便，无需多余的算法控制；可以有效地避免晶闸管换相失败问题，并且提高调相机启动效率，缩短启动时间，整个控制过程仅需单次换相超前角切换，避免晶闸管动作次数冗余；采用换相超前角分段控制，具有较高的工程实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于调相机的启动技术领域，具体的说是一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法。
背景技术
随着高压直流输电的发展，电网“强直弱交”的问题越来越突出，电源集中地区无功过剩，负荷集中地区无功短缺，电压稳定问题日益凸显。相比较SVC、STATCOM等无功补偿设备，调相机作为同步旋转设备具有过载能力强，无功补偿范围宽，提供电压支撑能力强等特点。
目前，调相机一般都将变频启动作为首选的启动方式，变频电路中逆变桥部分采用大功率电力电子器件晶闸管作为基本单元，其基本原理是：检测系统实时测量调相机的转速和转子位置信息，分别反馈到电流源和逆变桥的控制回路中，基于晶闸管的逆变电路对调相机进行变频调速，从而产生从零到额定的变频电源，同步地将调相机拖动起来。在启动过程进入负载换相阶段后，逆变桥的晶闸管主要依靠调相机定子上的反电势进行关断换相动作，为保证晶闸管的可靠关断须保持一定的空载换相超前角，具体实施方式是提前开通下一时刻所需开通的晶闸管，从而使得所需关断的晶闸管上流过的实际电流下降至零而关断。若换相超前角过大，调相机启动的电磁转矩就会减少，影响调相机的启动效率；若换相超前角过小，则会发生开通失败、关断后复导通等一系列换相失败问题。
公开号为CN108880353A的专利中，提出了基于电压源型静止变频器的大型同步调相机启动控制方法，其采用了IGBT作为变换电路基本单元，以此避免换相失败的隐患。但是目前所采用的容量为300MVar调相机的额定电压等级为20000V，额定电流等级为8660A，若要在实际的工程应用中应用IGBT器件，需采用多机并联结构，然而一方面其各桥臂的单元数较多，不利于实际工程的维护，另一方面其相较于晶闸管而言成本极高。公开号为CN101359875A的专利中，提出了静止变频启动逆变桥换相超前角多自由度动态控制方法，提出了基于电机频率、直流电流、机端电压的换相超前角计算公式，对换相超前角进行动态控制，该方法计算相对复杂，实际工程中难以保证该专利中所提到的逆变桥换相熄弧时间恒定，并且在启动过程中时刻切换逆变桥换相超前角易造成某些时刻的晶闸管冗余动作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，在切换换相超前角时考虑无缝切换，即在晶闸管无需多余动作的情况下切换换相超前角，可以完全避免换相失败的发生。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征是：能够避免逆变桥换相失败，同时提高启动效率，具体步骤如下：
步骤1，电流源型调相机启动时，采用换相超前角30°；
步骤2，通过检测系统判断是否发生换相失败，当检测到系统发生换相失败时，进入步骤3，当未检测到发生换相故障时，保持换相超前角为30°；
步骤3，判断发生换相故障后，找寻最近的晶闸管无缝切换时间点t0；
步骤4，切换换相超前角为60°。
当换相超前角为30°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/12向晶闸管发出换相指令，当换相超前角为60°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/6向晶闸管发出换相指令。
步骤2中换相失败的原因包括但不限于：由于晶闸管因正向电压不足而导致的开通失败、由于晶闸管因复导通而导致的关断失败。
步骤2中是否换相失败的判断依据为σ因子，其表达式如下：
其中sgn表示符号函数(signum)，IA，IB，IC分别表示定子三相电流值；
当σ≥0时，判定换相过程正常；当σ<0时，判定逆变电路发生换相失败故障。
电流检测模块通过传感器检测定子三相电流值，并将采集到的数据发送到控制系统，控制系统经过对采集到的定子三相电流值进行计算和判断后，控制晶闸管进行换相。
步骤3中最近的晶闸管无缝切换时间点t0的判定标准为：转子的位置角θ∈{(0,30)∪(60,90)∪(120,150)∪(180,210)∪(240,270)∪(300,330)}。
该种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法能够产生的有益效果为：该方法实际应用中实现简单方便，无需多余的算法控制；可以有效地避免晶闸管换相失败问题，并且提高调相机启动效率，缩短启动时间，整个控制过程仅需单次换相超前角切换，避免晶闸管动作次数冗余；采用换相超前角分段控制，改善了传统换相超前角60°情况下启动时间较长的问题，具有较高的工程实际应用价值。
附图说明
图1为本发明一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法变频启动基本拓扑图。
图2为三种换相超前角下调相机转速变化对比图。
图3为超前换相角30°下定子三相电流波形图。
图4为本发明一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法下定子三相电流波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征是：能够避免逆变桥换相失败，同时提高启动效率，具体步骤如下：
步骤1，电流源型调相机启动时，采用换相超前角30°；
步骤2，通过检测系统判断是否发生换相失败，当检测到系统发生换相失败时，进入步骤3，当未检测到发生换相故障时，保持换相超前角为30°；
步骤3，判断发生换相故障后，找寻最近的晶闸管无缝切换时间点t0；
步骤4，切换换相超前角为60°。
本实施例中，当换相超前角为30°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/12向晶闸管发出换相指令，当换相超前角为60°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/6向晶闸管发出换相指令。
在电流源型调相机启动时，进入晶闸管负载换相阶段，转速较低，晶闸管换相频率较低，采用换相超前角30°，即提前当前周期的1/12向晶闸管发出换相指令，以此保证定子磁场在转自磁场上施加电磁转矩足够大，拖动转子旋转升速。
本实施例中，步骤2中换相失败的原因包括但不限于：由于晶闸管因正向电压不足而导致的开通失败、由于晶闸管因复导通而导致的关断失败。
在相超前角为30°的情况下，在启动的中后期，晶闸管经常产生大面积换相失败问题，导致电机转速无法继续升速。
本实施例中，步骤2中是否换相失败的判断依据为σ因子，其表达式如下：
其中sgn表示符号函数(signum)，IA，IB，IC分别表示定子三相电流值；
当σ≥0时，判定换相过程正常；当σ<0时，判定逆变电路发生换相失败故障。
当逆变桥正常工作时，三相电流一共会出现以下三种情况：换相时两相电流为正(负)，另一相为负(正)，换相完成后三相电流为一正一负一零。这三种情况下σ因子的计算结果均小于0；当出现换相失败故障时，三相电流会在某一时刻同时为零，此时σ因子的计算结果会大于0。基于以上说明：当σ<0时，判定正常；当σ≥0时，判定逆变电路发生换相失败故障。
本实施例中，电流检测模块通过传感器检测定子三相电流值，并将采集到的数据发送到控制系统，控制系统经过对采集到的定子三相电流值进行计算和判断后，控制晶闸管进行换相。
本实施例中采用的电流检测模块中通过传感器检测定子三相电流值、传感器与控制系统的信号传输方式、传感器与晶闸管的控制连接方式等均为现有技术，均利用了电流源型调相机的现有结构，因此不做详细描述。
步骤3中最近的晶闸管无缝切换时间点t0的判定标准为：超前角分别为30°和60°情况下转子位置角的交集；超前角分别为30°和60°时转子位置角的范围区间如表1所示：
表1
因此，转子的位置θ∈{(0,30)∪(60,90)∪(120,150)∪(180,210)∪(240,270)∪(300,330)}。
通过仿真软件搭建变频启动电路仿真，如图2所示，图中三条曲线分别为使用换相超前角30°控制、换相超前角60°控制和分段控制下电机转速波形，由图2可见，在换相超前角30°情况下，在启动的中后期，由于晶闸管产生大面积换相失败问题，导致电机转速无法继续升速；在换相超前角60°情况下，由于前期换相超前角较大，导致升速较慢，提速效率较低；采用分段控制明显提高调相机启动效率，大大缩减启动时间。
图3所示为换相超前角30°下定子电流波形，由图可见，在164.3秒，晶闸管4发生关断复导通故障，晶闸管5发生开通失败故障，并在164.45秒再次发生换相失败问题。验证了在启动中后期晶闸管会产生大面积换相失败问题，导致电机转速无法继续提升。
图4所示为选择换相超前角分段控制方法下定子电流波形，选择第一次故障发生后的无缝切换点切换超前换相角为60°，切换时间为164.35秒，由图可见在164.45秒处并未再次发生换相失败故障，并且在调相机之后的启动过程中也并未再次发生换相失败故障。
由验证试验可证明本申请所述的一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法能够改善换相超前角60°情况下启动时间较长的问题，还能够改善换相超前角30°情况下启动时间较长的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征是：能够避免逆变桥换相失败，同时提高启动效率，具体步骤如下：
步骤1，电流源型调相机启动时，采用换相超前角30°；
步骤2，通过检测系统判断是否发生换相失败，当检测到系统发生换相失败时，进入步骤3，当未检测到发生换相故障时，保持换相超前角为30°；
步骤3，判断发生换相故障后，找寻最近的晶闸管无缝切换时间点t0，步骤3中最近的晶闸管无缝切换时间点t0的判定标准为：转子的位置角θ∈{(0,30)U(60,90)U(120,150)U(180,210)U(240,270)U(300,330)}；
步骤4，切换换相超前角为60°。
2.根据权利要求1所述的一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征在于：当换相超前角为30°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/12向晶闸管发出换相指令，当换相超前角为60°时，在转子位置预测的基础上提前当前周期的1/6向晶闸管发出换相指令。
3.根据权利要求1所述的一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征在于：步骤2中换相失败的原因包括但不限于：由于晶闸管因正向电压不足而导致的开通失败、由于晶闸管因复导通而导致的关断失败。
4.根据权利要求3所述的一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征在于：步骤2中是否换相失败的判断依据为σ因子，其表达式如下：
其中sgn表示符号函数(signum)，IA，IB，IC分别表示定子三相电流值；
当σ≥0时，判定换相过程正常；当σ＜0时，判定逆变电路发生换相失败故障。
5.根据权利要求4所述的一种电流源型调相机变频启动换相超前角分段控制方法，其特征在于：电流检测模块通过传感器检测定子三相电流值，并将采集到的数据发送到控制系统，控制系统经过对采集到的定子三相电流值进行计算和判断后，控制晶闸管进行换相。
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