基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法

摘要

本发明提供一种基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法，使用改进型Boost升压器代替原直流端的电容、电感，增加极少成本从而获得在电压暂降情况下直流环节电压仍保持较高水平的特性；控制策略方面提出采用增强型分数阶PI控制器代替直接转矩控制中的速度PI控制器，在电压暂降情况下能够获得更好的控制性能。本发明针对变频调速器电压暂降耐受能力的提升，摒弃采用外部储能设备，提出改进拓扑结构和控制策略相结合的方式，增强变频调速器的电压暂降耐受能力，同时减少了提升其电压暂降耐受能力的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及变频调速器领域，具体是一种基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法。

背景技术

变频调速器具有良好的宽范围调速特性，因此被广泛应用在各个生产行业中。然而变频调速器由大量电力电子元件组成，对电压暂降十分敏感。国际电气与电子工程师协会(IEEE)将电压暂降(voltage sag)定义为供电电压有效值快速下降到0.1～0.9p.u.，持续时间为0.5个周波至1min的电能质量现象。

由于电力系统中接地等故障频发，电压暂降的发生频率也较高，因此变频调速器遭受电压暂降的频率也较高。但变频调速器遭受电压暂降时，可能会导致变频调速器转速降低、工作异常等，严重甚至可能会造成安全问题。工业生产过程因变频调速器的异常运行造成的经济损失巨大，电网企业收到工业生产用户因电压暂降的投诉增多。

现有变频调速器的基本拓扑结构如图1所示，包含整流端、直流端、逆变端、感应电机以及控制器。其工作原理为：整流端为三相桥式不可控整流，将电网的三相正弦电压整流为脉动的直流电压；直流端为一直流电容和滤波电感，整流端输出的脉动直流电压通过直流端后脉动程度变小，电压幅值维持在稳定值，同时直流电容储存一部分能量；逆变端为三相桥式全控器件组成，通过控制器的控制，将直流端的稳定电压变换为占空比不同的方波电压，输出给感应电机。其中，控制器的电源大多从直流端引出；感应电机为常用异步电机，功率根据实际应用场景需求设计。

控制器为变频调速器的核心控制部件。控制器通过采集电压、电流及转速等反馈信号，根据用户设置的参考值，输出控制信号给逆变端，控制感应电机的运行。控制器的控制性能由其采用的控制策略实现，目前工业中较常采用的直接转矩控制策略其原理如图2所示。

直接转矩控制策略主要包含以下部分：

Clarke变换器：将三相电压(Us)、三相电流(Is)转换为两相静止坐标系下的电压(U

磁链和转矩计算器：根据电压(U

速度PI控制器：根据转速参考值(n

转矩控制器：根据参考电磁转矩(T

磁链控制器：根据参考磁链(ψ

开关表：根据扇区数(N)、转矩控制信号(Q

PWM控制器：将逆变端开关管的开断状态(S

由于电压暂降通常会导致变频调速器的输入电压降低导致输入能量减小，导致转速、转矩等性能指标下降。因此提升变频调速器的电压耐受能力的核心思路为保持输入电压稳定或增加能量输入，可以分为以下两种方式：

一种是加装储能设备，工业中最常应用的方法为加装储能设备，当发生电压暂降时，通过切换至储能设备供电或由储能设备及电网共同供电，保证变频调速器的输入电压稳定，穿越电压暂降。储能设备包括：不间断电源系统、动态电压恢复器、统一电能质量控制器等包含储能元件的设备。其中，不间断电源系统通常串联在电网与变频调速设备中，通过检测电压暂降的发生切断电网的连接，由自身储能元件供电。动态电压恢复器与统一电能质量控制器原理相似，均是通过将暂降下的电网电压补偿值额定值，从而保证变频调速器的正常工作。

另一种工业中较常采用的方式是改造供电线路。用户安装两回互不干扰的供电线路，当一回线路发生电压暂降时，由开关设备迅速切换至另一回正常线路供电，从而保证设备的正常工作。

变频调速器会因电压暂降发生故障，同时给用户带来经济损失。现有的加装储能设备的方案虽能够提升电压耐受能力，但需要较大的投资成本和维护成本，经济性较差。只改进控制策略的方式只能够在浅暂降区域(暂降幅值高于0.74p.u.时)保证变频调速器的正常运行，当暂降幅值较低时无法保证设备正常工作，同时模糊PI控制器计算量大，控制器的实时性会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法，通过改进变频调速器的基本拓扑结构和控制策略，提升变频调速器对电压暂降的耐受能力，减小工业生产用户的经济损失，减少电网企业收到的用户投诉。

一种基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法，所述变频调速器包括整流端、直流端、逆变端、感应电机以及控制器，所述直流端采用改进型Boost升压器，所述控制器采用直接转矩控制策略，所述直接转矩控制策略采用增强型分数阶PI控制器代替直接转矩控制中的速度PI控制器，所述改进型Boost升压器包括输入电容C

进一步的，通过控制开关功率管K的导通和关断控制升压器的运行，划分为两种工作状态，其中升压幅度由开关功率管K导通时间t

在正常工作时，根据开关功率管K的开断改进型Boost升压器在两种工作状态之间切换；

在电压暂降下，通过改变D的大小，将降低的输入电容C

进一步的，所述增强型分数阶PI控制器模型为：

式中，K

进而得到包含增强型分数阶PI控制器的速度控制模型为：

上式中，K

所述增强型分数阶PI控制器的增益、积分、微分常数整定方法如下：

用欧拉公式将上述二阶控制模型转换到频域下：

由上式得到幅值为：

式中，N＝ω

同理，得到增强型分数阶PI控制器模型频域模型为：

式中，

由上式得到控制增益为：

综上，得到控制模型的增益，同时要求其为1：

通过改变在不同情况下的ω来提高控制器的控制性能，达到在暂降情况下维持转速在较高的水平，在理想情况下，控制器的频率为截止频率ω

进一步的，所述变频调速器的运行过程如下：

1)在电压暂降情况下，三相电源输出电压降低，经整流器后输出直流电压降低；

2)降低后的直流电压通过改进型Boost升压器后升高；若电压暂降幅值低于0.3p.u.时，则改进型Boost升压器无法将直流电压升高至额定值，因此感应电机的运行电流(i

3)感应电机电流(i

4)当V

5)控制器的其他部分根据实际运行情况生成控制信号；

6)控制信号传输给PWM控制器控制逆变器动作，随着增强型分数阶PI控制器的调节指令增大感应电机的电流，使得转速维持在一个较高的水平，增强变频调速器的耐受能力。

本发明针对变频调速器电压暂降耐受能力的提升，摒弃采用外部储能设备，提出改进拓扑结构和控制策略相结合的方式，增强变频调速器的电压暂降耐受能力，同时减少了提升其电压暂降耐受能力的成本。

附图说明

图1是现有技术变频调速器的拓扑结构图；

图2是现有技术直接转矩控制策略原理图；

图3是本发明变频调速器的拓扑结构图；

图4是本发明变改进型Boost升压器拓扑结构图；

图5是本发明改进型Boost升压器在2种工作状态的示意图；

图6是传统PI控制器与本发明增强型分数阶PI控制器的输出对比示意图；

图7是现有直接转矩控制的变频调速器和本发明变频调速器的转速响应曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出一种基于改进拓扑和控制策略的变频调速器电压耐受能力提升方法，其具体技术方案如下：

拓扑方面：提出使用改进型Boost升压器代替原直流端的电容、电感，增加极少成本从而获得在电压暂降情况下直流环节电压仍保持较高水平的特性；控制策略方面：提出采用增强型分数阶PI控制器代替直接转矩控制中的速度PI控制器，在电压暂降情况下能够获得更好的控制性能。本发明技术方案以提升变频调速器的电压耐受能力为目标，基于图1进行改进，提出本方案，其具体拓扑如图3所示。

根据上述过程，详细描述本发明方案的2个部分：

(1)改进型Boost升压器

如图4所示，为实现本发明功能，改进型Boost升压器包括输入电容C

通过控制开关功率管K的导通和关断控制升压器的运行，可以划分为两种工作状态。其中，升压幅度由开关功率管K导通时间t

在正常工作时，根据开关功率管K的开断改进型Boost升压器在两种工作状态之间切换，如图5所示。

根据电路原理可以得到：

上式中，R为逆变器的等效电阻。

根据电压定律和电流定律可以得到：

V

i

推导得出其升压原理为：

因此，在电压暂降下，通过改变D的大小，可以将降低的V

(2)增强型分数阶PI控制器

本发明对控制策略的改进针对于直接转矩控制策略中的速度PI控制器，因此控制策略中的其他部分保持不变，在此只对增强型分数阶PI控制器进行描述，其他部分不再进行赘述。

在图2的直接转矩控制策略中，速度PI控制器采用固定参数的PI控制器，在稳定运行情况下满足了变频调速器的控制需求，但是在电压暂降情况下，由于固定参数的PI控制器调节能力有限，电压的降低将会迅速影响到感应电机转速的输出表现，因此需要增强PI控制器的调节能力，同时避免太过复杂使得控制器的计算量较大。因此本发明提出采用增强型分数阶PI控制器替代图2中的速度PI控制器，以增强控制策略的电压耐受能力。

其具体的技术方案如下：

结合变频调速器的通用二阶控制模型，不计及PI控制器时磁链控制的开环传递函数如下：

式中，T

速度PI控制器控制模型为：

式中，K′

针对速度PI控制模型，提出增强型分数阶PI控制器模型为：

式中，K

因此得到包含增强型分数阶PI控制器的速度控制模型为：

上式中，K

由于速度PI控制器的控制参数通过经验进行调整，工作量较大。本发明所提增强型分数阶PI控制器的增益、积分、微分常数整定方法如下：

用欧拉公式将上述二阶控制模型转换到频域下：

由上式可以得到幅值为：

式中，N＝ω

同理，可以得到增强型分数阶PI控制器模型频域模型为：

式中，

由上式可以得到控制增益为：

综上，可以得到控制模型的增益，同时要求其为1：

通过改变在不同情况下的ω来提高控制器的控制性能，达到在暂降情况下维持转速在较高的水平。在理想情况下，控制器的频率为截止频率ω

根据式(17)，式(18)，预先设定好λ,μ,ω，可以求得增益常数，积分常数与微分常数。

为进一步说明上述方案的实施过程，假设某变频调速器应用如上所述的技术方案后，根据实际情况设定λ＝0.33，μ＝0.23，ω＝0.01rad/s，通过式(17)，式(18)可以得到分数阶控制器中的参数，如表1所示：

表1控制器参数设计表

通过上述的控制器的设计，对两个控制器均进行仿真，观测其输出，可以得到增强型分数阶PI控制器和速度PI控制器的输出对比，如图6所示：

由图6可以看出，本发明所提控制器控制下感应电机输出的转速能够更快速地提升到额定值，而传统PI控制器上升到额定值的时间更久，并且会伴随着超调现象，对控制器的控制稳定性造成不好的影响。

结合改进型Boost升压器和增强型分数阶PI控制器两个部分，所提技术方案的整体运行过程如下所述：

1)在电压暂降情况下，三相电源输出电压降低，经整流器后输出直流电压也降低；

2)降低后的直流电压通过改进型Boost升压器后升高，升高程度由其设计参数决定，一般将D控制在0-0.667；若电压暂降较为严重(暂降幅值低于0.3p.u.时)，则改进型Boost升压器无法将直流电压升高至额定值，因此感应电机的运行电流(i

3)感应电机电流(i

4)当V

5)控制器的其他部分根据实际运行情况生成控制信号；

6)控制信号传输给PWM控制器控制逆变器动作，能够随着增强型分数阶PI控制器的调节指令增大感应电机的电流，使得转速维持在一个较高的水平，增强变频调速器的耐受能力。

效果分析：

在MATLAB/Simulink平台搭建变频调速器仿真模型，分别搭建如图1所示的直接转矩控制的变频调速器和本发明所提的变频调速器。两种变频调速器均为：P

由图7可以看出，在此电压暂降下，采用本发明所提方法的变频调速器能够维持转速运行在额定值n＝1250rpm，而采用直接转矩控制的变频调速器转速则持续下降，在0.9s时降低至0rpm，在暂降结束后转速才上升。从仿真结果可以看出本发明所提方案具有更好的电压耐受能力。

本发明提出了采用改进型Boost升压器替换直流端的电容、电感，分析了改进型Boost升压器的两种工作模式和控制方式，基于以上分析表明在电压暂降情况下改进型Boost升压器能够维持直流环节的电压在高水平，使得变频调速器正常工作。

本发明基于直接转矩控制中采用固定参数的速度PI控制器，不能够及时根据运行情况调整控制参数的现象，提出了采用增强型分数阶PI控制器提升速度PI控制器对转速的控制能力。

基于以上两点本发明提出了提升变频调速器电压耐受能力的方法，能够在电压暂降情况下提升变频调速器的运行水平。

本发明所提改进型Boost升压器替换直流端电容、电感，能够提升在电压暂降下直流端电容电压，相较于安装储能设备，投资成本更低，经济性更好；进一步提升变频调速器对转速的控制能力，引入增强型分数阶PI控制器代替速度PI控制器，增强型分数阶PI控制器具有更高的稳定性、灵活性及控制能力，同时并未增加控制策略的计算复杂程度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。