FI114353B

FI114353B - Jännite-epäsymmetrian kompensointimenetelmä

Info

Publication number: FI114353B
Application number: FI20030385A
Authority: FI
Inventors: Antti Tarkiainen; Mikko Vertanen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US20050201130A1; US6972976B2; FI20030385A0; EP1495524A1; WO2004082096A1

Description

1 114353 / Jännite-epäsymmetrian kompensointimenetelmä

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy sähköverkon jännite-epäsymmetrian kompensointiin, ja erityisesti taajuusmuuttajan kautta syötettävän saarekeverkon amplitudi- ja 5 vaihe-epäsymmetrian kompensointiin.

Jännite-epäsymmetria heikentää sähkön laatua, ja se voi olla haitallista joillekin sähköverkkoon liitetyille laitteille. Esimerkiksi kolmivaihemootto-reissa jännite-epäsymmetria voi aiheuttaa lisälämpenemistä.

Taajuusmuuttajan kautta syötettävä saarekeverkko on verk-10 kosuodattimesta johtuen väistämättä suhteellisen heikko verkko. Tämän seurauksena epäsymmetriset kuormat aiheuttavat jännite-epäsymmetriaa. Käytännön mittauksissa on havaittu, että kuormitettaessa kahta vaihetta nimellisellä kuormalla kolmannen ollessa virraton, voi syntyvä jännite-epäsymmetria olla 10%:n luokkaa, kun sähköverkoissa tyypillisesti sallittava raja-arvo on 2%.

15 Sähköverkkoa syöttävän suuntaajan ohjaus voidaan tunnetusti to teuttaa siten, että jänniteintegraalilla W_r\udt 20 estimoitu suuntaajan käämivuovektori pakotetaan seuraamaan laskennallisesti muodostettua referenssivektoria yjref- •. : : On tunnettua käyttää sähköverkon syöttämisessä DTC-tyyppistä \v (Direct Torque Control) käämivuovektorin ohjaamiseen perustuvaa skalaari- \ **: modulaatiota. Ongelmana on kuitenkin ollut se, ettei DTC-tyyppiselle, käämi- 25 vuon ohjaamiseen perustuvalle suuntaajalle ole tähän mennessä ollut olemas- • ’ ·'; sa käyttökelpoista menetelmää jännite-epäsymmetrian kompensointiin.

• ·

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on kehittää käämivuon ohjaamiseen perustu-·;;;' valle suuntaajalle soveltuva menetelmä jännite-epäsymmetrian kompensointiin 30 siten, että yllä mainittu ongelma saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavu-: tetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisessä patenttivaatimuksessa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäis-" ten patenttivaatimusten kohteena.

2 114353

Keksintö perustuu siihen, että käämivuon ohjaamiseen perustuvan sähköverkon syöttölaitteen referenssivektorille, jota kyseisen sähköverkon syöttölaitteen anto on siis sovitettu seuraamaan, määritetään sellainen arvo, että kyseistä arvoa verkon syöttölaitteen ohjaamiseen käytettäessä saadaan 5 sähköverkon amplitudi- ja vaihe-epäsymmetriaa kompensoitua ennalta määrätyissä rajoissa.

Keksinnön mukaisen jännite-epäsymmetrian kompensointimenetel-män etuna on se, että käämivuovektorin ohjaamiseen perustuvaa laitteistoa voidaan käyttää jännite-epäsymmetrian kompensointiin. Lisäksi keksinnön mu- 10 kaisen menetelmän etuna on sen adaptoituvuus, eli kyky mukautua muuttuviin olosuhteisiin.

Keksinnön mukainen adaptiivinen jännite-epäsymmetrian korjausmenetelmä mahdollistaa DTC-skalaarimodulaatiota soveltavan saarekekäytön käyttämisen myös epäsymmetrisillä kuormituksilla.

15 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää myötä- ja vastajärjestelmän avaruusvektoreiden kärkien piirtämiä ympyräuria ja summavektorin kärjen piirtämää ellipsiuraa; 20 Kuvio 2 esittää lohkokaaviota sähköverkon jännitteen avaruusvekto- rin muodostaman ellipsin puoliakselien komponenttien määrittämiseksi; * Kuvio 3 esittää lohkokaaviota sähköverkon jännitteen vastakom-ponentin suuruuden ja jännite-ellipsin pikkupuoliakselin kulman määrittämisek- » · si; • · 25 Kuvio 4 esittää lohkokaaviota kompleksisen skaalauskertoimen las- kemiseksi.

• · · « * • ·

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Epäsymmetristä kolmivaiheverkkoa voidaan kuvata kolmella sym- • i · metrisellä kolmivaihekomponentilla, eli nollajärjestelmällä (Zero Sequence Sys- 30 tern, ZSS), myötäjärjestelmällä (Positive Sequence System, PSS) ja vastajär-jestelmällä (Negative Sequence System, NSS).

• > »

Mikäli sähköverkossa ei esiinny nollakomponenttia, on kokonaisjän- * · · · ‘ nite vastakomponentin ja myötäkomponentin summa, jolloin verkon jännitevek- : torin U2 ura on ellipsi kuvion 1 mukaisesti, ja kyseinen jännitevektori voidaan • *« .;..: 35 määritellä yhtälöllä 3 114353 U2 = U2J>sseJM +U2,me'ÄM'*)> missä u2,pss on sähköverkon jännitteen myötäkomponentin suuruus, u2,nss on 5 sähköverkon jännitteen vastakomponentin suuruus, ω on kulmataajuus, t on aika, ja Φ on myötä- ja vastajärjestelmän välinen vaihekulmaero alkuhetkellä.

Ellipsin isopuoliakselilla myötä- ja vastajärjestelmävektoreiden kulmat ovat samat, joten isopuoliakselin kulmaksi saadaan 10 ry . = φ!2 + ηπ.

lAs maj T

Ellipsin isopuoliakselin pituus lmaj on jännitteen myötävektorin pituuden u2 pss ja vastavektorin pituuden u2inss summa. Ellipsin pikkupuoliakseli on kohtisuorassa isopuoliakselia vastaan, joten sen kulmaksi saadaan 15 ry . - φ/2-π 12 + ηπ ΙΛ min Γ

Pikkupuoliakselin pituus lmjn saadaan jännitteen myötävektorin pituuden u2pss ja vastavektorin pituuden u2,nss erotuksena. Jännitteen myötä-20 vektorin pituus u2ipss saadaan jakamalla isopuoliakselin pituuden lmaj ja pikkupuoliakselin pituuden Un summa kahdella.

• · * • « · 7 +7 m · t * _ l' maj * min *.*,* U2,PSS~ 2 • · · * » * • » • · 25 Vastaavasti jännitteen vastavektorin pituus u2,nss saadaan jakamal- t · « i '. · la isopuoliakselin pituuden lmaj ja pikkupuoliakselin pituuden Un erotus kahdel- • ! la.

» » ♦ ' * _ /maj Imin ‘ * I * Ul.NSS ~ 2 ’·* 30 : : Edellä esitetyn perusteella ellipsin puoliakselien pituuksista voidaan

I I I

päätellä myötä-ja vastajärjestelmäkomponenttien suuruudet. Ellipsin isopuo- . liakselin kulmasta voidaan päätellä myötä-ja vastajärjestelmän välinen vaihe- * * · » » I * * » k 4 11435? kulmaero alkuhetkellä, kuten edellä todettiin. Siten vastaverkon määrittäminen voidaan palauttaa summajännite-ellipsin ominaisuuksien määrittämiseksi.

Kuviossa 2 esitetään lohkokaaviona eräs tapa sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostaman ellipsin iso- ja pikkupuoliakselien kompo-5 nenttien U2a,maj, u2p,maj, u2a,min ja u2p,min määrittämiseksi. Ensin mitatut sähköverkon jännitevektorikomponentit u2a ja u2p alipäästösuodatetaan siten, että jäljellä on ainoastaan perusaalto. Alipäästösuodatuksen tarkoituksena on poistaa harmoniset komponentit. Suodattimien tyyppiä ei ole mitenkään rajoitettu, eikä suodattimista aiheutuvat vaihevirheet vaikuta menetelmän toimintaan.

10 Käytännössä jännitevektorikomponenttien u2a ja u2p yliaaltoja ei tar vitse saada suodatettua aivan kokonaan pois, vaan niiden määrän alentaminen ennalta määrätylle tasolle riittää. Näin ollen on myös mahdollista, että ali-päästösuodattaminen ei ole kaikissa tilanteissa edes välttämätöntä.

Kuviossa 2 esitettävässä menettelyssä ellipsin akselit määritetään 15 tunnistamalla perusaaltojännitevektorin pituuden |u2f| ääriarvokohdat. Ääriar-vokohdat määritetään yksinkertaisella derivaattatestillä, joka voidaan esittää alla olevana diskreettinä algoritmina, jossa k on aikaindeksi ja Ts on näyteväli.

1. Laske jännitteen perusaaltovektorin pituus Ju^l.

20 2. Approksimoi derivaattaa differenssillä dk = (|u2flk - lu^-i) / Ts.

3. Tarkasta ääriarvoehdot - Jos dk < 0 ja dk-i > 0, on kyseessä maksimi (isopuoliakseli) : \ - Jos dk > 0 ja dk.i < 0, on kyseessä minimi (pikkupuoliakseli) ‘ 4. Jos maksimi tai minimi löytyi, talleta nykyiset u2af,k ja u2Pfik ääriar- • I · . I . _ 25 von tyypistä riippuen vektorin Ua.maj tai u2,min komponenteiksi.

• |

• I

[;·;* Algoritmin kohdassa 3 tapahtuva ääriarvojen luokittelu derivaat- ' tasignaalin nollakohtien perusteella on analoginen jatkuvien funktioiden toisen derivaatan merkkiin perustuvan ääriarvojen luokittelun kanssa. Käytännön to-30 teutuksessa kohdassa 1 voidaan käyttää perusaaltovektorin neliöllistä pituutta, ;;· koska neliöjuuri ei monotonisena funktiona vaikuta ääriarvoihin. Lisäksi koh- dassa 2 voidaan erotusosamäärä korvata erotuksella jättämällä jakaminen * I « *, näytevälillä Ts pois.

Edellä esitettyä algoritmia käytettäessä näyteväli Ts voi olla esimer- *;·’ 35 kiksi 100ps. Algoritmin kohdassa 4 tallennettavien arvojen u2af,k ja u2pfik määrä

* * I

* » * > » » , 114353 Ο voidaan haluttaessa puolittaa tallentamalla esimerkiksi ainoastaan vasemmassa puolitasossa sijaitsevat puoliakselikomponentit.

Ellipsin puoliakseleiden komponenttien määrittäminen on vastajär-jestelmän mittaamisessa ainoa aikakriittinen vaihe. Muut vaiheet voidaan to-5 teuttaa hitaammilla aikatasoilla, esimerkiksi 1 ms.n aikatasolla. Jännite-ellipsin puoliakseleiden pituudet lmaj ja lmin lasketaan määritettyjen komponenttien avulla yhtälöillä 7 - Γ2 2 lmqj γ U2a,mqj U2β,mqj i^ 10 7 - I 2 ΐ 2 imin ”\| U 2a, min + Hifi ,min

Myötä- ja vastakomponenttien suuruudet U2,pss ja U2,nss voidaan 15 laskea ellipsin puoliakseleiden pituuksien lmaj ja lmin avulla edellä esitetyllä kaavalla. Ellipsin pikkupuoliakselin kulma amjn saadaan yhtälöllä / \ , Zi27?,min ry . = arctan —-— .

Cv mm ^ Mia,min j 20 Eräs tapa sähköverkon jännitteen vastavektorin pituuden U2,nss ja : ; jännite-ellipsin pikkupuoliakselin kulman Omin määrittämiseksi on esitetty lohko- v.: kaaviona kuviossa 3. Kuvion 3 lohkokaavion sisääntuloon syötetään kuvion 2 ; lohkokaavion ulostulon tiedot, eli sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostaman ellipsin iso- ja pikkupuoliakselien komponentit.

I » » 25 Kuten edellä on todettu, voidaan taajuusmuuttajan skalaarisäätö to- .···. teuttaa siten, että estimoitu suuntaajan käämivuovektori pakotetaan seu raamaan laskennallisesti muodostettua referenssivektoria yjref. Tällaista säätöä käytettäessä syötettävän verkon jännite-epäsymmetriaa voidaan kompensoida ;;; tuottamalla suuntaajalla vastakkaisessa vaiheessa oleva vastakomponentti, jo- 30 ka kumoaa verkossa olevan vastakomponentin. Jännite-epäsymmetriaa kom- : pensoiva jännitteen vastakomponentti voidaan aikaansaada lisäämällä sopiva vastakomponentti käämivuovektorireferenssiin, jolloin käämivuovektorirefe- |, renssi yjref määritellään kaavalla « » » I « β 114353 Ψ =ψ +ψ

1—ref -—ref.PSS -_ref,NSS

jossa käämivuoreferenssin myötäkomponentti jjJref,pss vastaa tavanomaista skalaarisäädön käämivuon referenssiä, jonka määrittäminen on tun-5 nettua, ja yjref,Nss on jännite-epäsymmetriaa kompensoiva käämivuoreferenssin vastakomponentti.

Käämivuoreferenssin vastakomponentti HJref,Nss voidaan laskea kompleksikonjugoimalla myötäkomponentti yjref,pss ja kertomalla tulos kompleksisella skaalauskertoimella k, joka käsittää reaaliosan ka ja imaginaariosan 10 kp.

Ψ = kW

——ref,NSS L—ref,PSS

Kompleksikonjugoinnilla vastakomponentin pyörimissuunta saadaan 15 vastakkaiseksi myötäkomponenttiin nähden. Kompleksikertoimella k skaalataan vastakomponentin pituus suhteessa myötäkomponenttiin sekä määrätään vastakomponentin vaihekulma myötäkomponenttiin nähden.

Perusaallon tapauksessa jännitevektorin ja siitä integroimalla muodostetun käämivuovektorin ellipsien akselit ovat yhdensuuntaiset. Tämä johtuu 20 siitä, että integroinnista aiheutuva vaihesiirto on saman suuruinen molemmissa vektorin komponenteissa, jolloin siitä ei aiheudu muutosta vektorin kärjen ; uraan, vaan ainoastaan ajallista viivettä. Samasta syystä myöskään erilaisten :Y: suodatustoimenpiteiden vaihesiirrot eivät vaikuta ellipsin akseleiden sijaintiin, mikäli toimenpiteet kohdistetaan samanlaisina molempiin vektorin komponent- .···. 25 teihin.

Suuntaajan syöttämän sähköverkon jännite-epäsymmetrian ku-moamiseksi suuntaajan jännite on saatettava epäsymmetriseksi siten, että sen jännite-ellipsin isopuoliakseli on yhdensuuntainen syötettävän verkon jännite-ellipsin pikkupuoliakselin kanssa.

30 Jännite-ellipsin isopuoliakselin kulman määrää myötä- ja : vastakomponenttien välinen alkukulmaero Φ, joka voidaan määritellä kaavalla • I > Φ=2α^~η2π’

• I

114353 7 ja joka asetetaan skaalauskertoimella k. Skaalauskertoimen k kulma (argumentti) on siis valittava kaksi kertaa syötettävän sähköverkon pikkupuo-liakselin kulman suuruiseksi, jolloin sähköverkon jännite-ellipsin pikkupuoliak-seli ja suuntaajan jännite-ellipsin isopuoliakseli saadaan yhdensuuntaisiksi.

5 Skaalauskertoimen itseisarvo (modulus) skaalataan syötettävän verkon vasta-komponentin suuruudella U2,nss- Kertoimen k reaaliosa ka ja imaginaariosa kβ saadaan siten kaavoista ka ~ li 2, N SS )j® 10 kfi = U2,NSSSin&Xmia)‘ Käytännön säätöjärjestelmässä lasketut ka ja kp on tavallisesti syytä alipäästösuodattaa voimakkaasti. Jatkuvuustilan säätöpoikkeaman eliminoimi-15 seksi on syytä käyttää integroivan osan sisältävää säätöalgoritmia skaalauskertoimen k komponentteihin ennen kuin käämivuovektorin vastakomponentti iMref.Nss lasketaan. Tosin voimakkaan alipäästösuodatuksen vuoksi pelkkää P-säätäjää käyttämällä päästään hyvin pieneen jatkuvuustilan virheeseen, sillä tällöin on mahdollista käyttää varsin suurta säätäjävahvistusta. Käytännön to-20 teutuksessa alipäästösuodatuksessa voidaan aikavakiona käyttää esimerkiksi arvoa 1 s.

Kuviossa 4 on esitetty lohkokaaviona esimerkki skaalauskertoimen : k komponenttien määrittämisestä. Kuvion 4 lohkokaavion sisääntuloon syöte- :.v tään kuvion 3 lohkokaavion ulostulon tiedot, eli sähköverkon jännitteen vasta- : ‘ : 25 vektorin pituus u2,nss ja jännite-ellipsin pikkupuoliakselin kulma (½^.

Sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostamaa ellipsiä on edellä käsitelty olettamalla sen muodoksi täydellinen, matematiikan teoriasta .···. tuttu ellipsi. Käytännön sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostama ellipsi on aina jonkin verran epämuodostunut, mutta on selvää, ettei tämä mi-, 30 tenkään estä keksinnön mukaisen menetelmän käyttämistä, koska sopivalla ·;;; algoritmilla pystytään määrittämään puoliakselien sijainti epätäydellisestäkin ’·;· ellipsistä. Epätäydellisten ellipsien puoliakselien määrittämiseen soveltuvia al- : goritmeja tunnetaan useita, eikä keksinnön mukainen menetelmä aseta rajoi- : * ’ *; tuksia käytettävälle algoritmille.

·, 35 Edellä on käsitelty keksinnön mukaisen menetelmän käyttämistä ta- ’· '· ' pauksessa, jossa sähköverkossa ei esiinny nollakomponenttia. Koska esitetty 8 114353 menetelmä perustuu jännitteen avaruusvektorin mittaamiseen, missä nolla-komponentti ei näy millään tavalla, on selvää, että keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa myös sellaisten sähköverkkojen jännite-epäsymmetrian kompensointiin, joissa nollakomponentti esiintyy.

5 Keksinnön mukaista käämivuovektorin vastajärjestelmän muodos- tamismenetelmää voidaan käyttää myös jonkin muun kuin edellä esitetyn epäsymmetrian tunnistamismenetelmän kanssa.

Edellä on todettu, että keksinnön mukainen menetelmä soveltuu käytettäväksi sellaisen syöttölaitteiston yhteydessä, jonka toiminta perustuu 10 käämivuovektorin ohjaamiseen. Koska syöttölaitteiston käämivuo ja jännite ovat toisistaan riippuvaisia suureita, eli käämivuon ohjaaminen vaikuttaa jännitteeseen ja päinvastoin, on alan ammattilaiselle ilmeistä, että keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää myös sellaisten laitteiden yhteydessä, joiden toiminta perustuu niiden jännitteen ohjaamiseen.

15 Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintöjä sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

» 1 · • 1» · * · · · · • ·

Claims

9 114353

1. Menetelmä jännite-epäsymmetrian kompensoimiseksi sähköverkossa, jota syötetään avaruusvektorisuureen ohjaamiseen perustuvalla laitteistolla, jolloin mainittu avaruusvektorisuure on jännite tai siitä riippuva avaruus- 5 vektorisuure, menetelmän käsittäessä vaiheet, joissa: määritetään avaruusvektorisuureen referenssivektori (uref, ijjref), joka käsittää myötäkomponentin (uref,pss, yJref.pss), ja ohjataan verkon syöttölaitteistoa siten, että sen avaruusvektorisuure (ui, yji) seuraa ennalta määrätyllä tarkkuudella referenssivektoria (uref, yjref). 10 tunnettu siitä, että avaruusvektorisuureen referenssivektori (uref, yjref) käsittää lisäksi vastakomponentin (uref,Nss, yJref.Nss), joka on sovitettu kompensoimaan syötettävän sähköverkon jännitteen amplitudi- ja vaihe-epäsymmetriaa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että mainittu avaruusvektorisuure on käämivuo (yj).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että referenssivektorin vastakomponentti (y)ref,Nss) määritetään kertomalla refe-renssivektorin myötäkomponentin kompleksikonjugaatti kompleksisella skaa-lauskertoimella (k), jolla saadaan vastakomponentin pituus skaalattua suh- 20 teessä myötäkomponenttiin, sekä määrättyä vastakomponentin vaihekulma myötäkomponenttiin nähden f * . . ψ =kW : : : L—kj,pssy

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompleksisen skaalauskertoimen (k) määrittäminen käsittää vaiheet, jois- ;···. 25 sa: määritetään sähköverkon jännitteen vastakomponenttivektorin pi-’·*·. tuus (u2,nss), määritetään sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostaman ellipsin pikkupuoliakselin kulma (amm), ···:” 30 jolloin kompleksisen skaalauskertoimen reaaliosan (ka) määrittämi- :nen käsittää seuraavat vaiheet: ; .'. kerrotaan sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostaman el- . · · ·, lipsin pikkupuoliakselin kulma (amin) kahdella, I i t t t 114353 10 otetaan mainitusta kaksinkertaisesta kulmasta (2amjn) kosini ja kerrotaan tulos sähköverkon jännitteen vastakomponenttivektorin pituudella (U2,NSS) ^ka ~ Ul.NSS ))’ 5 ja jolloin kompleksisen skaalauskertoimen imaginääriosan (kp) mää rittäminen käsittää seuraavat vaiheet: kerrotaan sähköverkon jännitteen avaruusvektorin muodostaman ellipsin pikkupuoliakselin kulma (amjn) kahdella, otetaan mainitusta kaksinkertaisesta kulmasta (2amjn) sini ja kerro- 10 taan tulos sähköverkon jännitteen vastakomponenttivektorin pituudella (U2,nss) ^kfi ~ Ui, N SS S^n(^Ö;inin ))

5. Jonkin patenttivaatimuksista 2-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käämivuon referenssivektorin myötäkomponentin (yjref,pss) arvona käytetään jonkin tavanomaisen skalaarisäädön käämivuon referenssi- 15 vektoria.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 3-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se käsittää vaiheet, joissa kompleksisen skaalauskertoimen reaali- ja imaginaariosat (ka ja kp) alipäästösuodatetaan ja käsitellään Pl-säätäjäalgoritmilla.

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syötettävä sähköverkko on saarekeverkko, eli sähköverkko, joka ei ole yhteydessä yleiseen sähkönjakeluverkkoon. > ψ „ 114353 11