CN110336514B - 用于一次调频的感应电动机变频驱动系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于一次调频的感应电动机变频驱动系统、方法及应用。其中，用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，包括：锁相环，其被配置为跟踪电网频率并输出电网频率偏差至PFC控制器；PFC控制器，其被配置为：将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；速度控制器，其被配置为：限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

Description

用于一次调频的感应电动机变频驱动系统、方法及应用

技术领域

本公开属于感应电动机变频驱动领域，尤其涉及一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统、方法及应用。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近十年，可再生能源(RES)被广泛地开发应用。通过逆变器连接到电网的相关地方关系和风能转换系统(WECSSs)的高渗透率降低了系统惯性，从而使输入损耗后频率变化率(RoCoF)显著增加。限制RoCoF对于避免触发可能导致级联故障和系统安全冲突的触发保护继电器非常重要。因此，需要快速和智能的频率响应来解决此问题传统上，发电机的控制器和频率负载响应以满足系统负荷功率平衡的要求。但是，如果提高响应速度,可以降低所需的频率响应，以确保满意的频率偏差和RoCoF值。为此，虽然可以适当地修改PVs和WECSs的逆变器控制,使它们在系统的惯性和调速器响应中做出贡献，但在通过高压直流连接的WECSs的快速频率响应方面存在一些挑战。通常情况下，实施瞬时提高的输出功率的WECSs产生惯性响应导致风机(WT)的速度降低，同时从电网吸收能量，以恢复转子转速。这也可能导致频率二次跌落以及系统频率不稳定。此外，在次优点而不是最大功率追踪点下WT是不经济的。另一方面，使用化石燃料的常规惯量和下垂控制的一次调频方式成本高、不环保。

除了电池储能系统、电力互联器等外,快速动态需求响应(FDDR)可能是在安全阈值内提高频率控制能力和维护电网频率和RoCoF的一个有效解决方案。此外,它还可以减轻其他单位的主要频率支撑负担。研究发现,在低惯量电力系统中,1MW FDDR的效率是发电机侧1MW一次调频效率的2.35倍。最新的研究结果已经验证了FDDR的效果。虽然许多研究人员在过去几十年中主要研究方向在恒温动态控制基础载荷上，但在异步电动机(IM)变频驱动(VFD)系统上也做了一些工作。基于VFD的辅助发电厂负荷,如锅炉给水泵(BFW),引风机(ID)和鼓风机(fd)风扇占工厂发电能力的相当大比例,例如在FDs/IDs风扇中占3.6％，在BFW中占7.2％。

然而，发明人认为目前的研究没有充分解决设计用于系统级分析的IM VFD系统的一些重要问题：1)没有分析与VFD负载相关的允许速度增长率限制，在一些文献中甚至忽略了这一点；2)在大多数情况下,降低电机消耗功率的标准是将一个未知结构的空间视为功率储备，而不是减速；3)之前提出的异步电动机VFD系统的主要缺点之一是低估了负载惯性，其中，负载的惯性一般与电机轴的惯性相当，因此，在设计阶段是不可能忽视的。

发明内容

为了解决上述问题，本公开的第一方面提供了一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其在开环VFD控制中添加了一个辅助转速信号，以修改速度参考，降低驱动器的功耗。

本公开第一方面的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的技术方案为：

一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，包括：

锁相环，其被配置为：跟踪电网频率并输出电网频率偏差至PFC控制器；

PFC控制器，其被配置为：

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

速度控制器，其被配置为：限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

本公开的第二方面提供了一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的应用。

本公开第二方面的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，应用于驱动锅炉给水泵。

本公开第二方面的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，应用于驱动引风机。

本公开第二方面的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，应用于驱动送风机。

需要说明的是，基于第一方面提供的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其还应用于驱动其他具有电机的系统或设备中。

本公开的第三方面提供了一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的驱动方法。

本公开的第三方面的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的驱动方法的技术方案为：

一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的驱动方法，包括：

跟踪电网频率并输出电网频率偏差；

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，在开环VFD控制中添加了一个辅助转速信号，以修改速度参考，降低驱动器的功耗。

(2)在不违反后反馈放大要求的情况下,本公开的速度限制器可以容忍惯性值显著的不确定性。此外,对于不同允许电机的减速和不同的电机工作点,本公开的速度限制器既可以采用保守的方法,也可以在不失去通用性的情况下采用保守的方法。本公开能够大大缓解传统发电机所需的频率响应辅助服务数量。

(3)本公开可以在减速期内优化地确定速度变化率,以达到理想的最小电机的功率，能有效地估计电机在缓慢减速过程中的变化,

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1(a)是本公开实施例提供的恒定转矩(CT)负载的扭矩和功率特性；

图1(b)是本公开实施例提供的速度平方成比例的平方转矩(QT)负载的扭矩和功率特性；

图2(a)是本公开实施例提供的恒定转矩(CT)负载所需减速量；

图2(b)是本公开实施例提供的平方转矩(QT)负载所需减速量；

图3是本公开实施例提供的三相对称鼠笼式感应电动机的等效电路；

图4是本公开实施例提供的用于一次调频的感应电动机变频驱动系统结构示意图；

图5(a)是本公开实施例提供的频率突然从60赫兹下降到59.4赫兹时转速变化；

图5(b)是本公开实施例提供的频率突然从60赫兹下降到59.4赫兹时转矩变化；

图5(c)是本公开实施例提供的频率突然从60赫兹下降到59.4赫兹时功率变化；

图6(a)是本公开实施例提供的速度变化率与逆变器最小电流关系实施例一示意图；

图6(b)是本公开实施例提供的速度变化率与逆变器最小电流关系实施例二示意图；

图7(a)是本公开实施例提供的从速度方面描述电机转速下降过程中驱动的近似性能；

图7(b)是本公开实施例提供的从转矩方面描述电机转速下降过程中驱动的近似性能；

图7(c)是本公开实施例提供的从功率变化方面描述电机转速下降过程中驱动的近似性能；

图8(a)是本公开实施例提供的在电机转速下降时，从转矩方面描述电机转速下降过程中驱动的近似性能；

图8(b)是本公开实施例提供的在电机转速下降时，从功率变化方面描述电机转速下降过程中驱动的近似性能；

图9(a)是本公开实施例提供的CT负载的不同惯性比的速度减小；

图9(b)是本公开实施例提供的QT负载的不同惯性比的速度减小；

图10(a)是本公开实施例提供的惯性比对允许的速度变化率的影响实施例一；

图10(b)是本公开实施例提供的惯性比对允许的速度变化率的影响实施例二；

图10(c)是本公开实施例提供的的惯性比对所产生的最小逆变器电流的影响实施例一；

图10(d)是本公开实施例提供的的惯性比对所产生的最小逆变器电流的影响实施例二；

图11(a)是本公开实施例提供的CT负载k＝0.6的保守变化率；

图11(b)是本公开实施例提供的CT负载k＝1的保守变化率；

图11(c)是本公开实施例提供的QT负载k＝0.6的保守变化率；

图11(d)是本公开实施例提供的QT负载k＝1的保守变化率；

图12(a)是本公开实施例提供的CT负载的惯性估计误差K_H对保守速度变化率的影响实施例一；

图12(b)是本公开实施例提供的CT负载的惯性估计误差K_H对保守速度变化率的影响实施例二；

图12(c)是本公开实施例提供的QT负载的惯性估计误差K_H对保守速度变化率的影响实施例一；

图12(d)是本公开实施例提供的QT负载的惯性估计误差K_H对保守速度变化率的影响实施例二；

图13(a)是本公开实施例提供的CT负载下保守设计时的实际与估计转速对比结果；

图13(b)是本公开实施例提供的CT负载下保守设计时的实际与估计电磁功率对比结果；

图13(c)是本公开实施例提供的QT负载下保守设计时的实际与估计转速对比结果；

图13(d)是本公开实施例提供的QT负载下保守设计时的实际与估计电磁功率对比结果；

图14(a)是本公开实施例提供的CT负载下优化设计时的实际与估计转速对比结果；

图14(b)是本公开实施例提供的CT负载下优化设计时的实际与估计电磁功率对比结果；

图14(c)是本公开实施例提供的QT负载下优化设计时的实际与估计转速对比结果；

图14(d)是本公开实施例提供的QT负载下优化设计时的实际与估计电磁功率对比结果；

图15(a)是本公开实施例提供的CT负载下优化设计方法的性能评估实施例一；

图15(b)是本公开实施例提供的CT负载下优化设计方法的性能评估实施例二；

图15(c)是本公开实施例提供的QT负载下优化设计方法的性能评估实施例一；

图15(d)是本公开实施例提供的QT负载下优化设计方法的性能评估实施例二；

图16(a)是本公开实施例提供的CT负载下惯量估计误差对速度变化率的影响；

图16(b)是本公开实施例提供的QT负载下惯量估计误差对速度变化率的影响；

图16(c)是本公开实施例提供的CT负载下惯量估计误差对最小电磁功率的影响；

图16(d)是本公开实施例提供的QT负载下惯量估计误差对最小电磁功率的影响；

图17(a)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.1的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图17(b)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.1的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图17(c)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.1的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图17(d)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.1的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图18(a)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.1，P_min＝0.2的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图18(b)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.1，P_min＝0.2的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图18(c)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.1，P_min＝0.2的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图18(d)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.1，P_min＝0.2的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图19(a)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.2的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图19(b)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.2的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与K_H的关系；

图19(c)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.2的恒转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图19(d)是本公开实施例提供的50HP的IM VFD系统：k_ωω_res＝0.3，P_min＝0.2的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与K_H的关系；

图20(a)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1的恒转矩负荷：最佳速度变化率与惯性比的关系；

图20(b)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最佳速度变化率与惯性比的关系；

图20(c)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1的恒转矩负荷：最小电磁功率与惯性比的关系；

图20(d)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1的平方转矩负荷(k_ω＝1)：最小电磁功率与惯性比的关系；

图21(a)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1，k_ωω_res＝0.1，J_ratio＝0时的恒转矩负荷的电磁功率估计值；

图21(b)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1，k_ωω_res＝0.1，J_ratio＝3时的恒转矩负荷的电磁功率估计值；

图21(c)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1，k_ωω_res＝0.1，J_ratio＝0时的平方转矩负荷的电磁功率估计值；

图21(d)是本公开实施例提供的500HP的IM VFD系统：P_min＝0.1，k_ωω_res＝0.1，J_ratio＝3时的平方转矩负荷的电磁功率估计值；

图22(a)是本公开实施例提供的50HP驱动器的阻尼比与惯性比曲线；

图22(b)是本公开实施例提供的500HP驱动器的阻尼比与惯性比曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

基于本公开的背景技术介绍，发明人还发现，现有的在VFD设计中没有考虑到电机的损耗，而且在以前的研究中，从电机的电气参数中提取了几个参数，难以得出VFD的特性；以往的论文没有提供足够的证据证明他们提出的方法在不同允许电机的减速和各种电机的工作点的效率。

电机变频驱动系统(VFD)拓扑中使用了二极管前端桥式整流器和一个整合变频电压以加快电机控制的电压源逆变器。它提供了能够在更宽的速度范围内工作的独特优势。二极管前端VFD系统的直流环节由直流电容和电感组成。实际上，在后反馈放大模式中没有能量可逆性方式，因此动态制动斩波器可以用在其DC环节中以耗散过多的能量。

在工业应用中，VFD采用恒定伏特/赫兹(V/f)比策略。在这种方法中，q轴参考定子电压V_qs，ref选择如下：

V_qs,ref＝f_e,ref

其中，f_e,ref是采用的定子电压参考电频率的标幺值。另外，d轴参考定子电压设定为零。本实施例的VFD是基于开环设计的，因为开环结构简单且具有成本优势。

本实施例研究了恒定转矩(CT)负载以及与速度平方成比例的平方转矩(QT)负载。它们的扭矩和功率特性分别如图1(a)和图1(b)所示。因此，尽管速度低于额定值的操作在短时间内是可行的，但通过控制电机速度可以在频率下降后降低驱动器的功率。对于CT和QT负载，相应的所需减速量如图2(a)所示。可以看出，当低速限制为最小值时，QT负载相比于CT负载会降低更多的功率。可以推断出电动机轴中存储的动能(KE)在减速过程中被部分释放。释放的动能作为惯性响应注入电网以支撑频率调节。能量释放值相对于功率降低值的关系如图2(b)所示。对于相同的功率降低值，CT负载比QT负载具有更大的惯性响应。与具有斜率和最大功率限制的发电站中的涡轮机类似，在设计VFD和主频率控制系统时，为了安全和实际性能考虑应加入一些限制。

VFD中的感应电动机以三相对称鼠笼式感应电动机为例：

为了评估感应电动机在时域仿真中的动态特性，使用与图3中的等效电路相对应的q-d轴方程。定子和转子磁链的q轴分量微分方程可表示为：

其中，v_qs为定子q轴电动势，v_qr为转子q轴电动势，ψ_qs为定子q轴磁链，ψ_qr为转子q轴磁链，R_s为定子等效电阻，R_r为转子等效电阻，X_ls为定子等效电抗，X_lr为转子等效电抗；ψ_mq为q轴励磁磁链；ω_r为转子速度；ψ_ds为定子d轴磁链；ω_eb为频率基准值；ω_e为磁场转速；

之后，q轴励磁磁链ψ_mq可以用定子和转子磁链写成：

ψ_mq＝X_M(ψ_qs(X_ls)^-1+ψ_qr(X_lr)^-1) (2)

其中，励磁电抗X_M可以定义为：

X_M＝((X_ls)^-1+(X_lr)^-1+(X_m)^-1)^-1 (3)

最后，定子q轴电流i_qs和转子q轴电流i_qr可用磁链表示为：

i_qs＝(ψ_qs-ψ_mq)(X_ls)^-1,i_qr＝(ψ_qr-ψ_mq)(X_lr)^-1 (4)

除了式(1)右边的第二项符号为正之外，d轴方程与上述q轴方程相同。注意，以上所有提到的量均以标幺值为单位。电机消耗的有功功率P_in和无功功率Q_in可以使用电压和电流计算：

P_in＝v_dsi_ds+v_qsi_qs,Q_in＝v_qsi_ds-v_dsi_qs (5)

其中：v_ds为定子d轴电动势，v_qs为定子q轴电动势，i_ds为d轴定子电流，i_qs为q轴定子电流。

电磁转矩T_e可以写为：

T_e＝ψ_dsi_qs-ψ_qsi_ds (6)

另一方面，从运动方程中提取的转子速度ω_r为：

其中，T_m代表加在电机轴上的机械转矩。电机及其负载的组合惯性常数H定义为：

H＝0_.5J(2P^-1ω_e)²(P_rated×746)^-1 (8)

其中，J是电机转子与电机驱动负载的总惯性矩，单位为[kg.m²]；

此外，P_rated表示电机额定功率，单位是[hp]；P代表极数。

本实施例对传统的IM VFD系统进行了改进，作为智能负载参与电力系统的频率调节，提出的VFD系统原理图如图4所示。该框架考虑了实际限制，避免了后反馈放大，对直流线路电容器的影响有限。

本实施例的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，包括：

锁相环，其被配置为：跟踪电网频率并输出电网频率偏差至PFC控制器；

PFC控制器，其被配置为：

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

速度控制器，其被配置为：限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

在具体实施中，所述速度控制器包括依次串接的速率限制器、减法器和电压控制器；

所述速度限制器，被配置为：将事件结束后需要的转子转速下降值除以减速间隔来限制转子转速下降值；

减法器，被配置为：将电机转速参考与限制后的转子转速下降值相减后得到修正后的电机转速值；

电压控制器，被配置为：利用修正后的电机转速值输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率。

PFC控制器分别通过锁相环(PLL)和转速计跟踪电网频率和电机转速。首先，测量的电网频率偏差通过死区(db)然后除以下垂参数R，将得到的信号限制为最大值以获得备用功率P_res也就是功率下降系数。该信号确定事件前电动机输出功率P_m1应该减少的部分。其中，下垂参数为该控制方式下的已知参数。

在本实施例中，电动机速度储备被认为是更新转子速度而不是备用功率的目标。因此，P_res不能直接发送到速度控制器，它应该转换为速度顺序信号。这是由图4所示的P2W模块进行的。计算储备速度。电机速度及其输出功率可以在频率事件之后更新为：

ω_r2＝ω_r1-Δω_r，P_m2＝P_m1-ΔP_m (9)

上式中，Δω_r，ΔP_m，ω_r2和P_m2代表事件结束后，需要的转子转速下降值，需要的电机功率下降值，电极的转速和输出功率。ω_r1和P_m1代表事件前电极的转速和输出功率。

定义：

Δω_r＝ω_resω_r1，ΔP_m＝P_resP_m1 (10)

其中，变量中的下标1和2分别对应于事件发生前和事件后的时间间隔；

ω_res表示速度减速系数。

在CT载荷的情况下，有以下公式：

其中，CT载荷为恒转矩载荷。

上式整理后如下：

P_res＝ω_res (12)

在QT负载的情况下事件前后转矩的关系如下：

其中，QT负载为平方转矩载荷。

因此，负荷的功率下降系数被定义为：

P_res＝1-(1-ω_res)³ (14)

为了简单起见,电机的输出功率部署在(9)-(14)中,以计算备用转子转速,而不是电机输入功率。但是,电机功率损耗在下一个小节中被解释为速度变化率的计算。最后,将确定的Δω_r用于修改速度控制器中的电机转速参考ω_r，ref。同时,该信号的变化率应受到速率限制器(RL)的限制，即R_ω，以避免在减速过程中再生。前面提出的IM VFD系统的主要缺点之一是对负载惯性J_load的低估。然而,负载的惯性通常与电机的轴电机的惯性J_motor相当。然后,应考虑负载惯性对减速过程中驱动动态的影响。在这种情况下,负载的惯性与电机惯性的比率J_ratio计算为：

J_ratio＝J_load(J_motor)^-1 (15)

在没有负载电机的情况下,J_ratio等于零。此外,所提出的技术可以在不损失通用性的情况下应用于事故发生时的各种电机工作点k_ω；以下参数定义为:

k_ω＝ω_r1(ω_rated)^-1 (16)

其中，ω_rated为额定电机转速。

其定义电机转速下降值限制值R_ω如下:

其中，Δt_res是减速间隔。

不同速度斜率对电网频率支撑CT和QT负载过程中驱动器性能的影响具有指导意义。为此,图4所示的驱动器在DIgSILET PowerFactory软件中实现。假定驱动器连接到一个理想的电压源,模拟无穷大系统。表1列出了所研究的电机的参数。

考虑VFD系统与50HP的电机的响应,其中无穷大系统的频率突然从60赫兹下降到59.4赫兹，如图5(a)-图5(c)所示。在这里，下垂参数R被故意设置为一个较小值(0.5％)，以达到电机最大降速。最初，电机的工作速度为额定速度(k_ω＝1)。在事件发生后，机械功率和电磁功率开始下降，CT和QT负载的基础功率分别达到80％和50％。机械功率粗略地降低了线性；然而，电磁功率的情况并非如此。如前所述，在二极管前端VFD系统，特别是没有电阻式斩波器的系统中，应避免减速过程中的后反馈放大。

表1研究的电机参数

在图5(a)-图5(c)中，速度变化率设置为每秒0.2p。图6(a)-图6(b)给出了增加此参数对逆变器最小电流的影响,以实现不同的减速水平。

通过提高速度限制,最小逆变器电流几乎线性降低到负值。此外,减速值k_ωω_res越高,负最小逆变器电流的可能性就越大。

下面给出了两种简单的方法来确定一个安全的速度变化率,确保最小逆变器电流的正值，避免了负逆变器电流。

第一种方法是对速度限制器进行保守设计：

这种保守而高效的设计确保了逆变器电流和之后的直流线路电流在降低驱动功率的过程中不会逆转，能够避免二极管前端驱动器的后反馈放大。这种设计是为恒定和平方转矩载荷完成的。

对于提供CT负载的驱动系统,电机的机械功率可以按其速度下降的比例降低。据图5(a)-图5(c)的结果，图7(a)-图7(c)从速度、转矩和功率变化等方面描述了电机转速下降过程中驱动的近似性能。假设电机在间隔Δt_res内的转速随R_ω的速率而减小。由于转矩恒定,电机的电磁转矩也应固定在一个小于负载转矩的值Δt_res范围内,以便能够满足线性速度下降。通过将轨迹(即速度和转矩)相乘,可以电机的电磁和机械功率曲线。

中央梯形所指示的减速过程中这两个变量之间的面积表示电机和载荷轴的动能释放。这种节能相当于向电网注入电力。这种从电机的转子惯量中提取的能量是指惯性能量。在频率事件发生后的最初时刻,这种能量的大小对于阻止网络的频率而不限制最初的RoCoF和频率最低点至关重要。

最重要的是,提出工程理念后的要点是使其成为现实,或者在现实案例中实现。在这方面,这一部分的主要目的是以最佳和有效的方式推导出电机的降速率,以便电机在任何时刻的最低功耗都大于零,即ΔP_e<P_m2。

首先,速度下降后转子释放的动能KE_rel可以计算如下:

其中，M为常数，M＝2H，H为电机及其负载的组合惯性常数。

将式(9)和(10)带入式(18)得:

作为另一种方法,释放的动能可以用图7(a)-图7(c)所示的梯形区域来确定,如下所示：

将此方程与公式(19)联立得:

ΔP_e＝Mω_r1(2-ω_res)R_ω-P_resP_m1 (21)

在主频率支撑期间避免后反馈放大模式的约束表示如下:

ΔP_e≤P_m2 (22)

其中，ΔP_e表示电磁功率的变化量。

通过对(21)中得出的ΔP_e施加此约束,应相应地设置速度斜率:

R_ω≤P_m1(Mω_r1)^-1(2-ω_res)^-1 (23)

其中，与CT负载有关的机械功率为：

P_m1＝T_rated(k_ωω_rated) (24)

其中T_rated为额定转矩。

结合(16)和(24)式可得：

然而，考虑电动机的损失，等式(21)也可重新写为

ΔP_e-P_loss＝Mω_r1(2-ω_res)R_ω-P_resP_m1 (26)

忽略摩擦损失和绕组损失以及定子欧姆损失，式(26)的功率损失P_loss大约是电机的额定滑距，因此，R_ω可表示为：

其中s_rated为额定转差率。

可以看出，速度降低的速率取决于转轴的总机械时间常数、入射前的机械功率和转速，以及所需的减速量。

平方转矩载荷的保守设计：

针对QT负载：根据图5(a)-5(c)的结果，在电机转速下降时，驱动的近似性能如图8(a)-图8(b)所示。在这种情况下，负载转矩不是恒定的，而是随着转速的降低而减小。因此电机的转矩会降低。注意，转矩和速度之间的关系必须是非线性的。然而，已经证明的是，尽管对于转矩以及旋转QT负载的电动机的电磁和机械功率具有线性近似，但是导出的速度变化率确保了在一次调频期间驱动器的安全性能。

为此，释放动能可由图8中三角形面积计算，如下图所示:

由式(19)可得：

ΔP_e＝Mω_r1(2-ω_res)R_ω (29)

然后，将式(22)中表示的约束应用于式(29)中导出的约束，速度变化速率设为:

其中，与QT负载有关的机械功率为：

最后，将(31)代入(30)：

可以看出，导出的速度下降率取决于轴惯量、电机在事故发生之前的运行点以及所需的减速量。

传动性能保守设计：

从(27)和(32)中得到的保守速度变化率在图9(a)-图9(b)中示出了对于不同惯性比(范围从0到5)的速度减小(范围从0.1到0.5)，观察到更大的速度降低引入了越来越大和越小的速速度变化率分别为CT和QT负载。然而，随着降低速度上升它的影响继续下降，R_ω和k_ωω_res之间的比例和倒数关系可以分别由(27)和(32)清楚地理解和证明。另一方面，从零(即忽略负载惯性)开始增加到1的惯性比显著地降低了速度变化率。在计算最大速度限速时，应注意到所观察到的大的差异意味着载荷的惯性。在图10(a)-图10(d)中更清楚地显示出了惯性比对允许的速度变化率的影响以及所产生的最小逆变器电流。可以清楚地看到，对于相同的减速要求下最小逆变器电流对电机负载惯量不敏感。这是因为保守速度变化率是通过考虑约束(22)导出的。

事件前的电机工作点由参数k_ω指定，考虑它对由(27)和(32)得到的变化率的影响。例如，假设所研究的驱动器的最小允许转速为其额定转速的50％。另一种表示为:

ω_r2＝k_minω_rated＝0.5ω_rated (33)

其中，k_min表示最小转速系数。

图11(a)-图11(d)比较了k＝0.6与k＝1的保守变化率。对于CT负载，速度变化率通过降低k而降低，而对于QT负载则增加。因此，这些观察是合理的。忽略电机损耗，组合(10)、(16)和(27)得到：

将式(33)代入式(34)得:

R_ω∝k_ω(k_ω+k_min)^-1 (35)

因此，可以通过采用以下关系导出k＝0.6的速度变化率：

其中，R_ω2表示事件发生后的电机转速下降值限制值；R_ω1表示事件发生前的下降值限制值；k_ω1表示事件发生前的电机工作点；k_ω2表示事件发生后的电机工作点。

同理，(35)可以重写为:

最后，对于QT负载情况，可以通过采用以下关系导出k＝0.6的速度变化率：

K_H可以将惯性估计误差对所提出的保守方法的性能的影响

考虑为：

K_H的正值表明轴的惯性H被低估，从而导致更大的速度变化率，反之亦然。图12(a)-图12(d)说明惯性估计误差K_H对保守速度变化率的影响，即对于CT和QT负载，在不同的减速值下惯性比。显然，低估电机负载惯性会导致更大的速度变化率，因此会增加再生的可能性。可以看出，所提出的保守方法被设计成即使在CT和QT负载的惯性估计误差分别为30％和50％的情况下也能有效地工作。

第二种方法是对速度限制器进行优化设计：

为了补偿速度变化率确定中的守恒间隙，对速度限制器进行优化设计，其基础是异步电动机减速过程中的变量估计。

恒转矩(CT)负载的优化设计

首先，考虑IM VFD系统的允许速度降低为：

Δω＝k_ωω_resω_rated (40)

电机速度几乎随时间线性下降，从而可以实现(40)的速度降低。然而，所提出的近似异步电机变量的方法是基于这样一个事实，即电机速度的变化具有斜坡形状，与一阶延迟相结合。定义这个一阶延迟的时间常数τ_ω为：

τ_ω＝s_ratedM(k_ω)^-1 (41)

它与电机的惯性、额定转差成正比，并且与电机的速度成反比。估计速度的斜坡形分量表示为：

ω_ramp(t)＝max(ω_r1-R_ωt,ω_r1-Δω) (42)

估计电机速度可以通过将一阶延迟应用到(42)来导出，具体如下：

其中，ω_est(t)表示t时刻的电机转速，且

ω_est(0)＝ω_r1 (44)

估计速度可以通过求解(43)得到。为此，以下临界时刻t1被定义为：

t₁＝Δω(R_ω)^-1 (45)

因此，(42)可以如下重写：

可以看到，t₁是电机转速等于可允许的最低转速的时间，所以电机转速的轨迹可以通过下式来表达：

此外，估计的电磁转矩T_e,est(t)也可以被写为：

其中，T_m(t)表示最大电磁转矩。

将式(46)和式(47)代入式(48)，可得：

注意到以上的表达式对于CT负载和QT负载都适用。电磁转矩、电磁功率以及直流侧的电流都将在t＝t₁时刻到达其最低点，因此，最大可允许的变化率与最小可允许的电功率P_e(t₁)相对应，后者可以由下式得到：

P_e(t₁)＝T_e(t₁)ω_e(t₁)≈T_e(t₁)(ω_est(t₁)+s_rated) (50)

注意式(50)中假设定子磁链的转速等于电机转速与额定转差率的和，将式(49)代入式(50)：

在CT负载下，对式(51)使用牛顿-拉夫逊方法可以得到允许的转速变化率为：

式中，

可允许的最小电磁功率P_e(t₁)在式(52)中被表示为P_min。为了在牛顿-拉夫逊法的第一次迭代中达到足够的转速变化率精度，选定式(27)中的保守变化率作为计算初值。

平方转矩(QT)负载的最优设计：

在QT负载的情况下，机械转速将随着转速而降低，因此式(51)等号右边的第一项需要被替换为：

T_m(t₁)＝T_rated(ω_est(t₁))²(1-s_rated)^-2 (55)

同样，使用牛顿-拉夫逊法可以得到可允许的转速变化率为：

式中，

式(32)中的保守变化率被选为式(56)最优转速变化率计算的初始值。

最优设计时驱动机的性能：

在给出最优设计方法的有效性评估分析之前，给出感应电机变量的真实值与使用所提方法计算的估计值的对比结果是非常有意义的，CT负载和QT负载下的对比结果如图13(a)-图13(d)和图14(a)-图14(d)所示，每种情况下都选了两个方案进行对比。

第一个场景建立了低惯量和低失速情况的模型，如图13(a)和图14(a)所示；而第二个场景建立了高惯量和高失速情况的模型，如图13(b)和图14(b)所示。在式(52)和式(56)中，P_min设置为0.1。由此可见，所提出的估计方法在各种情况下都能很好地工作，特别是在惯性和失速都较大的情况下。关于图13(a)-图13(d)和图14(a)-图14(d)需要强调的是，速度下降速率的设定是以实现最小电能目标的方式而进行的。

对于CT和QT负荷，优化设计方法的性能评估如图15(a)-图15(d)所示。假设电机初始运行在额定工况下，目标最小功率设定为0.1。通过比较图15(a)-图15(d)和图10(a)-图10(d)，明确了优化设计方法在失速期间实现目标最小功率的优越性。由图15(a)-图15(d)还可以看出，优化设计技术的精度随着失速的升高而提高。然而，与传统方法相比，优化设计方法的主要优点是在实际中更有可能实现低失速水平(如10％)下提高速度增长率。如此便允许驱动器在发生电网频率事件后释放其惯量和调节器响应，这要比基于传统方法设计的驱动器更快。此外，在事故发生初始时刻功率骤降程度越高，惯量响应速度越快，这有利于支撑电网频率。

惯量估计误差对优化设计技术性能的影响如图16(a)-19(d)所示。此评估的主要目的是找出允许的最小功率与惯量值的不确定性之间的关系。从图16(a)-图16(d)和图17(a)-图17(d)中可以看出，当目标最小功率为额定功率的10％时，在不采用后反馈放大模式的情况下，系统对惯量的不确定性可以容忍10％。这种关系同样适用于图18(a)-图18(d)和图19(a)-图19(d)中目标最小功率从10％提升到20％的情况。因此，惯量估计的最大误差可以用来选择一个安全的最小功率，以避免采用后反馈放大模式。

以上结果都是基于一个配置了50HP的高转差率电机的VFD系统得出的。由于时间常数τ_ω正比于感应电动机转差率,所以这对测试优化设计方法应用于低转差率电机时的效率具有指导意义。

为此，采用额定转差1.5％的500HP的异步电动机(见表1)。低转差电动机的最佳转速增长率、最小功率和惯性比如图20(a)-图20(d)所示。在电机驱动CT负载时，最小功率下降到负值，呈现出低惯量或低失速特性；另一方面，当电机驱动QT负载时，惯性比和失速最小，满足最小功率要求。为了找出优化设计技术应用于低惯量驱动时效率低下的原因，比较了两种不同惯性比下的电能估计精度，如图21(a)-图21(d)所示。比较结果表明，对于低惯性比的估计是相对低效的。换句话说，当惯量减少时，功率轨迹的形状由过阻尼响应变为欠阻尼响应。虚拟阻尼比ζ的定义如下：

ζ＝(τ_ω)^-1 (59)

图22(a)-图22(b)中绘制了50HP和500HP驱动器的阻尼比与惯性比曲线。在50HP的驱动器中，整个惯性比范围内的阻尼比小于15。然而，在500HP的驱动器中，低于3的惯性比所对应的阻尼比大于15。由此可以得出，所提出的估计算法和优化设计方法在阻尼比为15时能够良好工作。

VFD最重要的感应电机负载是锅炉给水泵和引风机/送风机。例如，对于300MW的发电厂，锅炉给水泵的典型功率要求大约为7.5MW，并且随着发电厂每增加100MW就额外增加2.5MW，即约为发电厂额定值的2.5％。然而，锅炉给水泵需要高冗余度和可用性，通常有一个可用的备用泵或两个锅炉给水泵各以50％的容量并联运行。因此，对于提出的设计VFD来进行主频支出的安全控制策略来说，锅炉给水泵正是一个理想的应用情况。其他负载，例如在发电厂的燃烧过程中使用的引风机/送风机也是如此。通常，这些风扇根据其电机尺寸在几个大型发电站中消耗大约14至18MW的功率。在诸如锅炉给水泵的几种情况中，它们也成对配置以并行运行，主要是为了冗余。

如图4所示的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，应用于驱动锅炉给水泵，或引风机，或送风机。

需要说明的是，如图4所示的用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其还应用于驱动其他具有电机的系统或设备中。

本实施例的用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的驱动方法，包括：

跟踪电网频率并输出电网频率偏差；

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

具体地，输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率的过程为：

将事件结束后需要的转子转速下降值除以减速间隔来限制转子转速下降值；

将电机转速参考与限制后的转子转速下降值相减后得到修正后的电机转速值；

利用修正后的电机转速值输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率。

本实施例在现有的开环VFD控制中添加了一个辅助转速信号,以修改速度参考,降低驱动器的功耗。由于负载的惯性很大,逆变器电流可能会发生逆转,直流线路电容器将由于二极管前端驱动器的后反馈放大而充电。因此,它导致逆变器跳闸。为了避免这种情况,除了电机额定转差率和转矩外,还从电机的综合惯性和负载的角度分析了转速下降速率。为此,提出了一种保守的优化设计方法。从接近驱动器的动态性能中推导出来的保守方法决定了一个安全的转速下降速率以避免后反馈放大模式。但是,它导致低速状态下减速的低速率,进而导致驱动器的功耗下降速度降低。为弥补这一不足,本实施例可以在减速期内优化地确定速度变化率,以达到理想的最小电机的功率，它能有效地估计电机在缓慢减速过程中的变化。本实施例还定义了一个虚拟的阻尼比。结果表明,本实施例的该驱动系统及方法适用于阻尼比低于15的情况。本实施例给出了速度限制器的这两种方法对惯性值不确定性的鲁棒性比较。结果表明,在不违反后反馈放大要求的情况下,可以容忍显著的不确定性。此外,对于不同允许电机的减速和不同的电机工作点,既可以采用保守的方法,也可以在不失去通用性的情况下采用保守的方法。本实施例能够大大缓解传统发电机所需的频率响应辅助服务数量。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，包括：

锁相环，其被配置为：跟踪电网频率并输出电网频率偏差至PFC控制器；

PFC控制器，其被配置为：

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

速度控制器，其被配置为：限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频；

所述速度控制器包括依次串接的速率限制器、减法器和电压控制器；

所述速率限制器，被配置为：将事件结束后需要的转子转速下降值除以减速间隔来限制转子转速下降值；

减法器，被配置为：将电机转速参考与限制后的转子转速下降值相减后得到修正后的电机转速值；

电压控制器，被配置为：利用修正后的电机转速值输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率；

所述转子转速下降值为R_ω：

其中，T_rated为额定转矩；s_rated为额定转差率；k_ω为事件前的电机工作点由参数；M＝2*H；H为轴惯量；ω_res为储备速度；ω_rated为额定速度。

2.如权利要求1所述的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，所述转子转速下降值R_ω：

其中，T_rated为额定转矩；k_ω为事件前的电机工作点由参数；M＝2*H；H为轴惯量；ω_res为储备速度。

3.如权利要求1所述的一种用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，虚拟阻尼比ζ＝(τ_ω)^-1；其中，时间常数τ_ω正比于感应电动机转差率；所述虚拟阻尼比小于15。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，应用于驱动锅炉给水泵。

5.一种如权利要求1-3中任一项所述用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，应用于驱动引风机。

6.一种如权利要求1-3中任一项所述用于一次调频的感应电动机变频驱动系统，其特征在于，应用于驱动送风机。

7.一种基于如权利要求1-3中任一项所述的用于一次调频的感应电动机变频驱动系统的驱动方法，其特征在于，包括：

跟踪电网频率并输出电网频率偏差；

将电网频率偏差通过死区之后除以下垂参数后得到的信号限制为最大值，以获得备用功率；

利用事件前电机转速与储备速度相乘，得到事件结束后需要的转子转速下降值；其中，储备速度的数值等于备用功率的数值；

限制事件结束后需要的转子转速下降值在一定范围内，利用限制的转子转速下降值来修正电机转速参考值，进而输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率，实现感应电动机变频驱动系统的一次调频。

8.如权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率的过程为：

将事件结束后需要的转子转速下降值除以减速间隔来限制转子转速下降值；

将电机转速参考与限制后的转子转速下降值相减后得到修正后的电机转速值；

利用修正后的电机转速值输出相应电压信号来控制电压源逆变器的输出功率。

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