CN116526911A - 一种中高压大容量fc-mmc型变频器低频运行控制方法 - Google Patents

一种中高压大容量fc-mmc型变频器低频运行控制方法 Download PDF

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Abstract

一种中高压大容量FC‑MMC型变频器低频运行控制方法，属于电力传动控制运行领域，主要针对石油钻井转盘电机启动、变载、卡钻及反转不同工况下，对交流侧输出共模电压及子模块电容电压的波动进行抑制。该方法以FC‑MMC型变频器驱动永磁同步电机的数学模型为基础，推导出每相上、下桥臂功率差表达式，通过一种限制因子高频混合注入法得到注入的高频差模电压与高频环流的幅值。同时，对整体系统采取平衡控制，其主要由五部分组成：转盘电机矢量控制、相间电容电压控制、上下桥臂间电容电压控制、半桥臂电容电压控制和单个子模块电容电压独立控制，并最终实现对转盘电机不同工况下全速域的运行保证。

Description

一种中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法
技术领域
本发明涉及电力传动控制运行领域，具体涉及中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制技术。
背景技术
统计显示，近年来我国工业用电能源消费占全国电能能源总消费量的70％以上，工业领域电机用电量约占工业用电总量75％，而其中广泛应用于电力、建材、冶金、石化和化工、市政、煤炭、油气钻采等行业大功率中压传动电能的消耗又占到其一半以上，这些设备由于缺乏良好的调速设备，导致大量的电能浪费。
其中应用于石油钻机主要部分包括绞车电机、转盘电机、钻井泵三部分，传动方式为变频传动。绞车主要是通过齿轮箱、电机、离合器、控制设备、滚筒以及制动器组成。一般来说都是用来提升和放下钻杆、套管以及起落井架。转盘主要是用来带动钻具旋转，保证能够在深处进行钻井，主要是通过转盘压力和速度来调节钻井速度。卡钻时是反转，钻进时为正转。一旦出现比较大的转矩波动，十分容易在正转的时候出现折断钻杆或者反转的时候出现脱落钻杆的问题。所以，影响钻井顺利完成的重要影响因素就是保证可以顺利地输出平稳的转矩。钻井泵主要是用来输出泥浆的，在钻杆商户输入泥浆。在泥浆经过钻头以后能够从井壁和钻具的缝隙流出。钻头和泥浆可以一起冲击地壳，适当冷却钻具，带出碎屑，保持具有一定井下压力，避免喷浆。
对FC-MMC型变频器驱动石油钻井转盘电机而言，钻井工艺对于设备具有以下几方面要求：第一，要求转盘电机具有比较大的负荷变化范围，比较强的过载能力。第二，拥有正反方向转动的无极变速，出现短期过载及卡钻工况时需要灵活调节。
当传统模块化多电平换(Modular Multilevel Converter，MMC)驱动石油转盘电机中低速运行时，为了抑制子模块电容电压波动，其首先推导出上、下桥臂功率差的数学表达式，然后得出所需注入的高频正弦共模电压与高频正弦环流幅值，但是其又会导致交流侧输出的共模电压较大，并引起FC-MMC型变频器桥臂出现较大环流，施加在电机绕组上，可能导致绕组绝缘劣化，损坏电机轴承。故研究FC-MMC型变频器驱动石油转盘电机系统安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明涉及了一种采用FC-MMC型变频器驱动石油转盘电机在启动、变载、卡钻及反转不同工况下，对交流侧输出共模电压及子模块电容电压的波动进行抑制。通过一种限制因子高频混合注入法得到注入的高频方波差模电压与高频正弦环流的幅值。同时，对整体系统采取平衡控制，其主要由五部分组成：转盘电机矢量控制、相间电容电压控制、上下桥臂间电容电压控制、半桥臂电容电压控制和单个子模块电容电压独立控制，并最终实现对转盘电机不同工况下全速域的运行保证。
本发明是一种中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法，其步骤为：
步骤(1)永磁同步电机采用矢量控制，将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速/>与实际转速ωe作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>最后经过坐标变化得到最终调制信号/>
步骤(2)相间电容电压控制由外层相间电容电压环和内层直流电流环组成，将子模块电容电压的设定值与相间电容的电压平均值Uxc,k,avg(k＝p,n)作差后，经过比例积分PI控制器调节得到桥臂子模块充放电所需的环流值ixc,d，将ixc,d与每相桥臂环流前馈值ix,d相加得到直流和二倍频环流总指令值/>将/>与每相上、下桥臂间电容电压控制环流反馈值ix,d,fwd作差，再经过比例积分PI控制器和重复控制器RC并联实现对环流总指令值跟踪控制，得到最终的相间电容电压修正量ux,ph；
步骤(3)将每相上桥臂子模块电容电压平均值Uxc,p,avg与每相下桥臂子模块电容电压平均值Uxc,n,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到上、下桥臂不平衡功率所需的高频电流幅值Ixc,h，再将高频电流幅值前馈值Ix,h乘以限制因子KFC得到不同转速下所对应的限制高频电流幅值前馈值Ix,h,FC，最后将Ixc,h与Ix,h,FC相加乘以高频正弦电流sin(2πfht)构成高频电流指令值将/>与高频电流实际反馈值ix,h,fwd作差，经过比例谐振PR控制器得到最终上、下桥臂间容电压修正量ux,arm；
步骤(4)将上桥臂或下桥臂中前半桥臂电容电压的平均值Uxc,k1,avg与上桥臂或下桥臂后半桥臂子桥臂电容电压的平均值Uxc,k2,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到半桥臂间子模块电容充放电电流ixc,k，再将ix,ck与ix,k,com相乘最终得到半桥臂电容电压修正量uxk,bha；
步骤(5)将每相子桥臂电容电压的平均值Uxc,k1(or2),y,avg(y＝1～0.5N)与每相单个子模块电容电压实际值Uxc,k1(or2),i,y作差后，经过比例(P)或比例积分(PI)控制器输出后与单个子模块所在对应的半桥臂电流ix,k1(or2)相乘得到最终的单个子模块电容电压修正量ux,sm,i,y。
本发明具有如下有益效果：
通过采用FC-MMC型变频器拓扑结构，其飞跨的电容将上、下桥臂分为四个子桥臂，并控制注入的高频差模电压与高频环流同频率，同时保证上与下桥臂中子桥臂注入相位相反的高频差模电压，故注入的高频差模电压不会流向交流输出侧带来共模电压的问题；为保证电机在全频域运行，采用一种限制因子高频混合注入法，在抑制子模块电容电压波动的同时，减小注入的高频电流幅值用以降低系统功率器件的损耗。
附图说明
图1是本发明实施例的FC-MMC型变频器驱动石油转盘电机系统图，图2是本发明实施例的FC-MMC型变频器限制因子高频混合注入法，图3是本发明实施例的永磁同步电机矢量控制，图4是本发明实施例的FC-MMC型变频器相间电容电压控制，图5是本发明实施例的FC-MMC型变频器上、下桥臂间电容电压控制，图6是本发明实施例的FC-MMC型变频器半桥臂电容电压控制，图7是本发明实施例的FC-MMC型变频器单个子模块电容电压独立控制。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式做进一步说明：
如图1所示，采用FC-MMC型变频器驱动石油钻井转盘电机的拓扑结构。传统MMC相似都还有三相桥臂，但其上桥臂中点与下桥臂中点间飞跨了一个电容CF，将上、下桥臂又分为了四个半桥臂，每个半桥臂由若干个子模块SM和一个限流电感L构成，总电感与传统MMC等效电感保持不变。其中：Udc为直流侧输出电压；Idc为直流侧输出电流；ia,p1、ia,p2、ia,n1、ia,n2分别为a相上、下半桥臂电流；ia,F为a相飞跨式电容电流；p表示上桥臂，n表示下桥臂；ix为交流侧输出相电流(x＝a,b,c)。图中单个SM中的两个开关D1和D2具有互补的方式。当开关D1导通时，子模块产生电压Uc。相反，如果开关D2导通，SM产生零电压。
如图2所示，本发明中高频限制因子的原理为：
在FC-MMC型变频器输出频率小于设定的低频值时，注入的高频电流保持原定值；在FC-MMC型变频器输出频率大于设定的低频值小于设定的高频值时，将以一定的斜率减小注入的高频电流幅值；FC-MMC型变频器输出频率大于设定的高频值时迫使注入高频电流ix,h为零，通过对不同频率阶段的控制，实现FC-MMC型变频器驱动转盘电机全速域安全运行。
本发明的中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法，其实施步骤为：
步骤(1)永磁同步电机采用矢量控制如图3所示，将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速/>与实际转速ωe作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>最后经过坐标变化得到最终调制信号/>如图3所示；
步骤(2)相间电容电压控制由外层相间电容电压环和内层直流电流环组成，将子模块电容电压的设定值与相间电容的电压平均值Uxc,k,avg(k＝p,n)作差后，经过比例积分PI控制器调节得到桥臂子模块充放电所需的环流值ixc,d，将ixc,d与每相桥臂环流前馈值ix,d相加得到直流和二倍频环流总指令值/>将/>与每相上、下桥臂间电容电压控制环流反馈值ix,d,fwd作差，再经过比例积分PI控制器和重复控制器RC并联实现对环流总指令值跟踪控制，得到最终的相间电容电压修正量ux,ph，如图4所示；
步骤(3)将每相上桥臂子模块电容电压平均值Uxc,p,avg与每相下桥臂子模块电容电压平均值Uxc,n,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到上、下桥臂不平衡功率所需的高频电流幅值Ixc,h，再将高频电流幅值前馈值Ix,h乘以限制因子KFC得到不同转速下所对应的限制高频电流幅值前馈值Ix,h,FC，最后将Ixc,h与Ix,h,FC相加乘以高频正弦电流sin(2πfht)构成高频电流指令值将/>与高频电流实际反馈值ix,h,fwd作差，经过比例谐振PR控制器得到最终上、下桥臂间容电压修正量ux,arm，如图5所示；
步骤(4)将上桥臂或下桥臂中前半桥臂电容电压的平均值Uxc,k1,avg与上桥臂或下桥臂后半桥臂子桥臂电容电压的平均值Uxc,k2,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到半桥臂间子模块电容充放电电流ixc,k，再将ix,ck与ix,k,com相乘最终得到半桥臂电容电压修正量uxk,bha，如图6所示；
步骤(5)将每相子桥臂电容电压的平均值Uxc,k1(or2),y,avg(y＝1～0.5N)与每相单个子模块电容电压实际值Uxc,k1(or2),i,y作差后，经过比例(P)或比例积分(PI)控制器输出后与单个子模块所在对应的半桥臂电流ix,k1(or2)相乘得到最终的单个子模块电容电压修正量ux,sm,i,y，如图7所示。
以上所述的中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法，
第1步：永磁同步电机矢量控制
通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速与实际转速作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>经过坐标变换，将/>与/>转换成/>信号，经SPWM调制输出六路PWM波驱动FC-MMC型变频器；
第2步：相间电容电压控制
式(1)中，uxc,k1,i为每相上、下前半桥臂内子模块电容电压；uxc,k2,i为每相上、下后半桥臂内子模块电容电压；ix,d为每相桥臂环流前馈值；ix,d,fwd上、下桥臂间电容电压控制为每相桥臂环流反馈值；
第3步：上、下桥臂间电容电压控制
通过控制注入的高频电流与高频差模电压抑制上、下桥臂间功率差，降低子模块电容电压波动范围，
式(2)中，Uxc,p,avg为每相上桥臂子模块电容电压平均值；Uxc,n,avg为每相下桥臂子模块电容电压平均值；ix,h,fwd为高频电流实际值；
引入了频率限制因子KFC，其函数表达式如下：
式(3)中，fx为FC-MMC型变频器输出频率；flow为FC-MMC型变频器设定低频值；fhigh为FC-MMC型变频器设定高频；
第4步：半桥臂电容电压控制
式(4)中，Uxc,k1,avg为上或下桥臂中第一个半桥臂电容电压的平均值；Uxc,k2,avg为上或下桥臂第二个半桥臂子桥臂电容电压的平均值；ix,k,com为对应的子桥臂间电流的共模成分；
第5步：单个子模块电容电压独立控制
对子模块电容电压进行单个独立的控制，维持每相单个子模块电容电压值恒定，间接维持每相桥臂的总电压保持平衡。
本发明的采用FC-MMC型变频器驱动石油钻井转盘电机全频域控制步骤如下：
第1步：永磁同步电机矢量控制
通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速与实际转速作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>经过坐标变换，将/>与/>转换成/>信号，经SPWM调制输出六路PWM波驱动FC-MMC型变频器；
第2步：相间电容电压控制
式(1)中，uxc,k1,i为每相上、下前半桥臂内子模块电容电压；uxc,k2,i为每相上、下后半桥臂内子模块电容电压；ix,d为每相桥臂环流前馈值；ix,d,fwd上、下桥臂间电容电压控制为每相桥臂环流反馈值；
第3步：上、下桥臂间电容电压控制
通过控制注入的高频电流与高频差模电压抑制上、下桥臂间功率差，降低子模块电容电压波动范围，
式(2)中，Uxc,p,avg为每相上桥臂子模块电容电压平均值；Uxc,n,avg为每相下桥臂子模块电容电压平均值；ix,h,fwd为高频电流实际值；
引入了频率限制因子KFC，其函数表达式如下：
式(3)中，fx为FC-MMC型变频器输出频率；flow为FC-MMC型变频器设定低频值；fhigh为FC-MMC型变频器设定高频；
第4步：半桥臂电容电压控制
式(4)中，Uxc,k1,avg为上或下桥臂中第一个半桥臂电容电压的平均值；Uxc,k2,avg为上或下桥臂第二个半桥臂子桥臂电容电压的平均值；ix,k,com为对应的子桥臂间电流的共模成分；
第5步：单个子模块电容电压独立控制
对子模块电容电压进行单个独立的控制，维持每相单个子模块电容电压值恒定，间接维持每相桥臂的总电压保持平衡。
通过本发明可知，采用FC-MMC型变频器新拓扑结合所提低频控制策略后，在电机启动阶段FC-MMC型变频器交流侧输出共模电压约为传统MMC的1/3，子模块电容电压波动比传统MMC约低9％。同时全工况下石油转盘电机转矩波动较小、转速无超调及输出电流正弦程度高，验证了所提控制策略在不同工况下系统整体的可靠性及安全性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法，其特征在于，其步骤为：
步骤(1)永磁同步电机采用矢量控制，将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速/>与实际转速ωe作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>最后经过坐标变化得到最终调制信号/>
步骤(2)相间电容电压控制由外层相间电容电压环和内层直流电流环组成，将子模块电容电压的设定值与相间电容的电压平均值Uxc,k,avg(k＝p,n)作差后，经过比例积分PI控制器调节得到桥臂子模块充放电所需的环流值ixc,d，将ixc,d与每相桥臂环流前馈值ix,d相加得到直流和二倍频环流总指令值/>将/>与每相上、下桥臂间电容电压控制环流反馈值ix,d,fwd作差，再经过比例积分PI控制器和重复控制器RC并联实现对环流总指令值跟踪控制，得到最终的相间电容电压修正量ux,ph；
步骤(3)将每相上桥臂子模块电容电压平均值Uxc,p,avg与每相下桥臂子模块电容电压平均值Uxc,n,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到上、下桥臂不平衡功率所需的高频电流幅值Ixc,h，再将高频电流幅值前馈值Ix,h乘以限制因子KFC得到不同转速下所对应的限制高频电流幅值前馈值Ix,h,FC，最后将Ixc,h与Ix,h,FC相加乘以高频正弦电流sin(2πfht)构成高频电流指令值将/>与高频电流实际反馈值ix,h,fwd作差，经过比例谐振PR控制器得到最终上、下桥臂间容电压修正量ux,arm；
步骤(4)将上桥臂或下桥臂中前半桥臂电容电压的平均值Uxc,k1,avg与上桥臂或下桥臂后半桥臂子桥臂电容电压的平均值Uxc,k2,avg作差后，经过比例积分PI控制器得到半桥臂间子模块电容充放电电流ixc,k，再将ix,ck与ix,k,com相乘最终得到半桥臂电容电压修正量uxk,bha；
步骤(5)将每相子桥臂电容电压的平均值Uxc,k1(or2),y,avg(y＝1～0.5N)与每相单个子模块电容电压实际值Uxc,k1(or2),i,y作差后，经过比例(P)或比例积分(PI)控制器输出后与单个子模块所在对应的半桥臂电流ix,k1(or2)相乘得到最终的单个子模块电容电压修正量ux,sm,i,y。
2.根据权利要求1所述的中高压大容量FC-MMC型变频器低频运行控制方法，其特征在于，
第1步：永磁同步电机矢量控制
通过传感器获取转盘电机实际转速ωe，将电机额定转速与实际转速作差后经过速度比例积分PI控制器得到参考值/>再将/>与实际值iq作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>将参考值/>与实际值id作差后经过电流比例积分PI控制器得到/>经过坐标变换，将/>与/>转换成/>信号，经SPWM调制输出六路PWM波驱动FC-MMC型变频器；
第2步：相间电容电压控制
式(1)中，uxc,k1,i为每相上、下前半桥臂内子模块电容电压；uxc,k2,i为每相上、下后半桥臂内子模块电容电压；ix,d为每相桥臂环流前馈值；ix,d,fwd上、下桥臂间电容电压控制为每相桥臂环流反馈值；
第3步：上、下桥臂间电容电压控制
通过控制注入的高频电流与高频差模电压抑制上、下桥臂间功率差，降低子模块电容电压波动范围，
式(2)中，Uxc,p,avg为每相上桥臂子模块电容电压平均值；Uxc,n,avg为每相下桥臂子模块电容电压平均值；ix,h,fwd为高频电流实际值；
引入了频率限制因子KFC，其函数表达式如下：
式(3)中，fx为FC-MMC型变频器输出频率；flow为FC-MMC型变频器设定低频值；fhigh为FC-MMC型变频器设定高频；
第4步：半桥臂电容电压控制
式(4)中，Uxc,k1,avg为上或下桥臂中第一个半桥臂电容电压的平均值；Uxc,k2,avg为上或下桥臂第二个半桥臂子桥臂电容电压的平均值；ix,k,com为对应的子桥臂间电流的共模成分；
第5步：单个子模块电容电压独立控制
对子模块电容电压进行单个独立的控制，维持每相单个子模块电容电压值恒定，间接维持每相桥臂的总电压保持平衡。
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