閆紅廣，姜忠山，郭 鵬

（海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001）

在傳統(tǒng)DC-BANK系統(tǒng)中，當(dāng)母線電壓跌落至閾值以下時(shí)，投切控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通、備用蓄電池組向變頻器直流母線供電[1]，實(shí)現(xiàn)了“晃電”支撐?？疾槟承虳CBANK直流不間斷電源系統(tǒng)，變頻器正常工作時(shí)母線電壓為537 V，該系統(tǒng)僅對變頻器母線電壓進(jìn)行監(jiān)測，并以其跌落至閾值500 V為投切條件。

針對具體的變頻器－電機(jī)系統(tǒng)，考查其母線電壓跌落與電網(wǎng)電壓存在的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)從電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降到變頻器母線電壓跌落[2-4]至投切閾值，存在一定的跌落時(shí)間。這使得傳統(tǒng)DC-BANK系統(tǒng)的投切控制器對于電壓暫降的反應(yīng)存在一定延時(shí)，而采用調(diào)高閾值的方法帶來了誤投切的風(fēng)險(xiǎn)。

考慮同時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓暫降信息及變頻器母線電壓的投切控制器設(shè)計(jì)，在不改變投切閾值的前提下，向投切控制器的決策中引入對電網(wǎng)電壓暫降的檢測。其中，開關(guān)投切條件為：

變頻器母線電壓跌落至閾值；

或發(fā)生的電壓暫降被CPU認(rèn)定為將導(dǎo)致母線電壓跌落致閾值以下。

從以上的開關(guān)投切條件可以看出，當(dāng)系統(tǒng)中變頻器直流母線電壓跌落至閾值以下，立即執(zhí)行投切動(dòng)作；當(dāng)母線電壓未跌落至閾值，但處理器通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓變化，通過判斷亦可以實(shí)現(xiàn)提前投切。

1 控制器流程圖設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)DC-BANK投切控制器的決策中，以直流母線電壓跌落至閾值電壓以下為決定投切條件。對于具體的變頻器系統(tǒng)而言（容量、參數(shù)及負(fù)載等一定），變頻器母線直流電壓的跌落與電網(wǎng)電壓暫降相對應(yīng)。本文對于控制器的改進(jìn)在于加入了對電網(wǎng)電壓暫降檢測的考慮，即當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降，控制器判斷該暫降幅值下電壓暫降的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)認(rèn)為此次暫降將導(dǎo)致母線電壓低于閾值電壓時(shí)，DC-BANK投切控制器可以在母線電壓未跌落至閾值電壓之前亦發(fā)生投切指令。

原則上，電網(wǎng)電壓、母線電壓有兩種情況：

1）電網(wǎng)電壓暫降導(dǎo)致母線電壓暫降；

2）電網(wǎng)電壓瞬時(shí)暫降，母線電壓未發(fā)生明顯跌落。

此處，為了增加控制器的可靠性，額外考慮第三種情況：電網(wǎng)電壓正常，母線電壓跌落。

圖1 投切控制流程圖Fig.1 Flow chart of switch controller

如圖1所示為改進(jìn)的控制系統(tǒng)流程圖。由流程圖可知，控制器無論檢測到電網(wǎng)電壓是否發(fā)生暫降，都首先以變頻器母線電壓低于系統(tǒng)設(shè)定的投切閾值為投切條件，此信號由外部電壓比較器對母線電壓與閾值電壓的比較結(jié)果所得。圖3中比較器輸出信號為低電平時(shí)表示母線電壓高于閾值電壓；比較器輸出信號為高電平時(shí)表示母線電壓低于閾值電壓。比較器輸出送CPU并與CPU的IGBT控制信號相或后接驅(qū)動(dòng)。

控制器中預(yù)設(shè)電壓暫降幅值pu時(shí)，對應(yīng)該幅值的容許的最大暫降持續(xù)時(shí)間為t＜T（pu），暫降幅值精確到10%。

對于母線電壓未跌落至投切閾值但電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降的情況，CPU通過判斷電壓暫降持續(xù)的時(shí)間來判斷該次暫降是否將導(dǎo)致Udc＜Uk，進(jìn)行決定是否在母線電壓未跌落至閾值之前執(zhí)行投切動(dòng)作。具體為：

當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降，CPU迅速確定電壓暫降幅值pu，并記錄暫降持續(xù)時(shí)間并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的對應(yīng)幅值電壓暫降最大容許時(shí)間比較，若暫降持續(xù)時(shí)間超過控制器預(yù)設(shè)的該幅值暫降的最大容許時(shí)間，即t＞T（pu），在母線電壓未跌落至閾值時(shí)亦執(zhí)行投切動(dòng)作；若在t＜T（pu）某時(shí)刻，母線電壓跌落至閾值電壓，立即執(zhí)行投切動(dòng)作。此時(shí)CPU自動(dòng)重設(shè)該次暫降對應(yīng)幅值所對應(yīng)的 T（pu），即 T（pu）=t－t0，其中，T（pu）＞0，t0為校正時(shí)間。

由流程例如可知，當(dāng)電壓未發(fā)生暫降，或電壓發(fā)生暫降但母線電壓正常時(shí)，開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。對于開關(guān)投切后電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后的開關(guān)斷開控制，由流程圖可知，開關(guān)閉合后，延時(shí)1 s對電網(wǎng)電壓及母線電壓進(jìn)行檢測，確定兩處電壓均恢復(fù)正常時(shí)才執(zhí)行斷開動(dòng)作，否則開關(guān)繼續(xù)為閉合狀態(tài)。由于控制器中的暫降容許時(shí)間有自學(xué)習(xí)功能，故設(shè)置時(shí)不必提前對系統(tǒng)進(jìn)行專門的測試。如設(shè)置檢測到的暫降電壓幅值 pu 精確到 0.1，T（0.1）及以下為 10 ms，T（0.1）～T（0.9）為 40 ms，T（0.9）以上為 10 s。

2 控制器功能模擬

在simulink環(huán)境下，仿真分析基于壓差比較的投切控制器[5－6]與帶自學(xué)習(xí)和電網(wǎng)電壓監(jiān)測功能的投切控制器的功能異同。

圖2 改進(jìn)的投切控制器模塊Fig.2 Module of promoed switch controller

在圖2的控制器模塊中，電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時(shí)，經(jīng)dq分析得到暫降幅值pu。CPU啟動(dòng)計(jì)時(shí)并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的對應(yīng)T（pu）相比較，控制K值。clear模塊在電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)及時(shí)將控制字K改寫為0，而由于預(yù)設(shè)了退出支撐的1 s延時(shí)，故此處改寫K＝0后，IGBT開關(guān)并不立即斷開。delay模塊旨在使控制器在變頻器穩(wěn)定工作后才開始對母線電壓的檢測，否則開機(jī)瞬間即執(zhí)行投切動(dòng)作。

對控制器進(jìn)行功能性仿真，設(shè)定電容C1為0.1 F，電機(jī)為110 kW三相異步電動(dòng)機(jī)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為100 N·m。由于電機(jī)容量較大，電機(jī)啟動(dòng)緩慢，在約1.2 s達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此設(shè)定電壓暫降發(fā)生在1.5 s時(shí)刻，持續(xù)0.2 s至1.7 s時(shí)刻電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

可以預(yù)見，傳統(tǒng)基于壓差的投切控制器將在1.5 s以后的某個(gè)時(shí)刻（此時(shí)Udc＜Uk=500 V）執(zhí)行投切動(dòng)作。由于電網(wǎng)在1.7 s時(shí)刻恢復(fù)正常，則系統(tǒng)在2.7 s時(shí)刻斷開IGBT。

注：控制器仿真模型中包含退出投切時(shí)的1s延時(shí)模塊，但未包含對T(pu)的改寫設(shè)計(jì)。延時(shí)及改寫的具體實(shí)現(xiàn)方法詳見圖1流程圖及投切控制器程序。

如圖3所示，傳統(tǒng)DC－BANK系統(tǒng)中投切控制器由壓差比較器、“市電好”檢測模塊和斷開延時(shí)模塊構(gòu)成。當(dāng)壓差比較器檢測到母線電壓跌落至閾值以下，立即執(zhí)行投切動(dòng)作。當(dāng)檢測到市電恢復(fù)正常，壓差比較器輸出斷開指令，但在延時(shí)模塊控制下，延時(shí)1 s才斷開IGBT。

由控制器原理可知，壓差控制器發(fā)出投切命令后，IGBT至少保持1 s閉合狀態(tài)。而市電恢復(fù)正常后才開始斷開IGBT前的1 s延時(shí)。simulink仿真中可以通過這兩個(gè)時(shí)間下的控制字“相或”來實(shí)現(xiàn)。

圖3 傳統(tǒng)投切控制器功能仿真框圖Fig.3 Simulation block of promoted switch controller

圖4 變頻器母線電壓Fig.4 Bus voltage of VFD

圖5 電機(jī)C相相電流與轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.5 Cphase current waveeform and torque curve of motor

從圖4中可以看出，電網(wǎng)電壓在1.5 s發(fā)生暫降，在約1.61 s時(shí)刻跌落至500 V，投切控制器發(fā)出投切指令，蓄電池組輸出530 V直流電壓經(jīng)由IGBT開關(guān)向直流母線供電。電網(wǎng)在1.7 s時(shí)刻恢復(fù)正常，但開關(guān)IGBT仍未斷開，2.7 s時(shí)刻蓄電池組退出支撐。

由圖5電機(jī)C相相電流與電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性變化可以看出，傳統(tǒng)DC-BANK系統(tǒng)中，投切控制器在電壓跌落至閾值時(shí)刻投切，對于電機(jī)來說相當(dāng)于重啟階段，因而電流變化巨大，變化幅度與投切壓差成正比。因此，提高控制器對于電壓暫降的反應(yīng)速度、減小投切壓差可以減小投切動(dòng)作對于電機(jī)的影響。

如圖6是改進(jìn)的投切控制器進(jìn)行功能性仿真模型。控制器由電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測模塊、母線電壓監(jiān)測模塊和延時(shí)模塊組成。電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測模塊不同于“市電好”檢測模塊之處在于：“市電好”檢測模塊僅向控制器提供退出支撐的時(shí)間參考，不直接控制IGBT的導(dǎo)通或關(guān)斷。電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測模塊對電網(wǎng)電壓進(jìn)行AD采樣后，通過dq算法得到電壓暫降的幅值，與該幅值下對應(yīng)的電壓暫降最大容許時(shí)間相比較，可直接執(zhí)行投切動(dòng)作，該模塊同時(shí)具有“市電好”檢測功能。

從圖7變頻器母線電壓波形、圖8電機(jī)相電流波形和轉(zhuǎn)矩特性曲線可以看出，改進(jìn)的控制器使得電壓暫降和DCBANK系統(tǒng)的投切支撐期間，電機(jī)工作狀態(tài)受到的影響更小。

3 結(jié) 論

從仿真結(jié)果中可以看出，對電網(wǎng)電壓的智能監(jiān)測使得控制器可以預(yù)判變頻器母線電壓的跌落，從而在電壓暫降持續(xù)時(shí)間超過T（pu）時(shí)（母線電壓跌落至閾值之前）執(zhí)行投切動(dòng)作。從自學(xué)習(xí)投切控制器的原理設(shè)計(jì)中可以知道，該控制器的反應(yīng)時(shí)間總優(yōu)于傳統(tǒng)壓差控制器。新型帶自學(xué)習(xí)功能的DC-BANK系統(tǒng)投切控制器不再局限于單純依靠對母線電壓中東的檢測，對電壓暫降反應(yīng)更快?；谠摽刂破鲗τ谀妇€電壓跌落的預(yù)判和近壓投切能減小固定壓差投切對于電機(jī)系統(tǒng)正常工作的影響，有利于系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定工作，適用于對電能質(zhì)量要求更高的變頻器系統(tǒng)抗“晃電”改造。

圖6 改進(jìn)的投切控制器仿真模塊Fig.6 Simulation module of promoted switch controller

圖7 變頻器母線電壓波形Fig.7 Bus voltage waveforrm of VFD

圖8 電機(jī)C相相電流與轉(zhuǎn)矩特性曲線Fig.8 Cphase current waveeform and torque curve of motor

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