一種變頻器低電壓穿越電源的制作方法

本發(fā)明屬于電網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種變頻器低電壓穿越電源。

背景技術(shù)：

變頻器通過(guò)改變電源的頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，具有很好的調(diào)速和節(jié)能性能。配合過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載等保護(hù)，使其在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域得到應(yīng)用?，F(xiàn)有變頻器采用的技術(shù)包括：

(1)采用模糊自適應(yīng)算法計(jì)算igbt觸發(fā)脈寬以使輸出電壓維持預(yù)設(shè)值，

(2)采集低電壓穿越電源的三相交流輸入電壓，將經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的正序分量與啟動(dòng)判據(jù)作比較，

(3)設(shè)計(jì)采集直流電壓作為判據(jù)，

(4)在設(shè)計(jì)控制電源時(shí)加裝ups。

可以參見(jiàn)以下文件：

[1]鄭安.電廠變頻器用低電壓穿越電源研究[d].北京:華北電力大學(xué)，2014.

[2]劉耀中，馬永崗，王國(guó)慶，等.火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越電源的設(shè)計(jì)[j].電力電子技術(shù),2014,48(11):13-15.

[3]武利俊，林雪欣，劉劍，等.低電壓穿越裝置在火電廠的應(yīng)用[j].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2014(24)：97-100.

[4]王鋼，賈偉，鄭懷國(guó)，等.具有低電壓穿越能力的變頻器穩(wěn)壓?jiǎn)卧b置[p].中國(guó),cn102299644a.2011-12-28.

目前這4種現(xiàn)有技術(shù)的不足及缺點(diǎn)為：

上述(1)中模糊控制的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)的整合較為困難，增加了控制難度。

上述(2)中該方法需要鎖相檢測(cè)，算法較復(fù)雜，對(duì)cpu要求高。

上述(3)中電壓采集點(diǎn)并聯(lián)在整流電容兩側(cè)，當(dāng)電壓跌落時(shí)，電容會(huì)以較慢的速度進(jìn)行放電，采集到的電容電壓會(huì)滯后于實(shí)際電壓值，從而使響應(yīng)變慢。

上述(4)中ups需定期維護(hù)，且電池對(duì)使用環(huán)境要求較高，壽命有限，成為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)工作可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種變頻器低電壓穿越電源，解決當(dāng)電網(wǎng)電壓低于一定值(一般為額定電壓的80％)時(shí)，變頻器輸出功率嚴(yán)重不足，并發(fā)生欠壓停機(jī)保護(hù)問(wèn)題及在某些場(chǎng)合會(huì)引起事故等問(wèn)題。

一種變頻器低電壓穿越電源，包括功率電路和控制電路，功率電路由總開(kāi)關(guān)電路、整流電路、預(yù)充電電路、升壓斬波電路、投切電路和旁路線路組成，控制電路由采樣電路、控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及控制電路供電電源組成，

斷路器qf合閘上電要通過(guò)預(yù)充電電阻yr1對(duì)直流電容充電，上電完成后將預(yù)充電電阻yr1旁路，

經(jīng)過(guò)全橋不控整流，經(jīng)濾波電容，將直流電送入升壓回路，

升壓回路由三組參數(shù)一致的boost電路并聯(lián)組成，三組電路的開(kāi)關(guān)管采用交錯(cuò)并聯(lián)調(diào)制方式，

在低電壓穿越電源處于備用狀態(tài)，由晶閘管開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越電源隔離，并根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略實(shí)現(xiàn)投切控制，

控制器采集功率回路的電壓、電流和開(kāi)關(guān)的狀態(tài)量，對(duì)電壓和電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全閉環(huán)控制，

控制電路供電電源采用寬電壓輸入電源。

所述控制器的控制算法包括：

(1)旁路式工作模式：電壓跌落時(shí)，低電壓穿越電源給變頻器供電電網(wǎng)電壓正常時(shí)，變頻器直接經(jīng)交流輸入端從電網(wǎng)取電工作，低電壓穿越電源處于熱備用狀態(tài)，

低電壓穿越電源投入使用時(shí)，控制器上電進(jìn)入初始化，發(fā)出合閘指令，斷路器qf、接觸器km相繼合閘，之后進(jìn)行自檢，以在上電初期檢測(cè)設(shè)備是否正常，防止將故障設(shè)備投入，

自檢即是讓設(shè)備進(jìn)行升壓斬波工作，將直流母線電壓(uc2處)抬高到給定輸出值，

若自檢失敗，發(fā)停機(jī)指令并將故障信號(hào)上傳給上位機(jī)，

自檢成功后進(jìn)入熱備用待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器輸入電壓，電壓值小于啟動(dòng)電壓值時(shí)，啟動(dòng)升壓斬波功能并觸發(fā)晶閘管，設(shè)備投入運(yùn)行，

當(dāng)設(shè)備最大運(yùn)行時(shí)間到達(dá)或電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，便停止升壓功能，低電壓穿越電源退出運(yùn)行，重新回到熱備用待機(jī)狀態(tài)，

電壓監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器直流母線電壓值，設(shè)定測(cè)試點(diǎn)u3處是監(jiān)測(cè)電壓最佳位置，測(cè)試點(diǎn)u3處連接在變頻器的輸入直流母線上，可以及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)變頻器輸入電壓，此處雖然也有濾波電容，但是與u2相比時(shí)間常數(shù)很小，電容電壓可真實(shí)反映直流母線的實(shí)際電壓，

當(dāng)u3<ustart時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)升壓，ustart的值需根據(jù)變頻器的低電壓保護(hù)閾值確定，在變頻器啟動(dòng)低壓保護(hù)之前向變頻器供電，設(shè)備是否退出升壓斬波需監(jiān)測(cè)u1處電壓值，當(dāng)在斬波運(yùn)行中u1處電壓>ustop,且2s后仍滿(mǎn)足此關(guān)系，便可停止升壓。ustop的值需大于ustart。

普通晶閘管scr用作低電壓穿越電源投入與退出供電的控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到變頻器的輸入電壓跌落需要進(jìn)行輔助升壓時(shí)，在觸發(fā)boost升壓電路igbt的同時(shí)，觸發(fā)晶閘管scr，待其導(dǎo)通后停止觸發(fā)，但此時(shí)仍處于通態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，設(shè)備不再進(jìn)行升壓斬波，晶閘管scr中便沒(méi)有電流流過(guò)，自動(dòng)關(guān)斷；

(2)雙單環(huán)自動(dòng)控制模式：升壓斬波電路的控制采用雙單環(huán)pi算法，采樣電路將輸出電壓和電流值送入控制器，經(jīng)過(guò)pi運(yùn)算后得到igbt的占空比，與載波進(jìn)行比較，輸出igbt的觸發(fā)脈沖，

將電壓環(huán)和電流環(huán)拆為兩個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)，同一時(shí)刻只有一個(gè)控制環(huán)在運(yùn)行，兩個(gè)控制環(huán)均將pi運(yùn)算后輸出的數(shù)值作為igbt的觸發(fā)脈沖占空比，設(shè)備通常運(yùn)行在電壓環(huán)，直流母線電壓u2工作在給定值uref，

若由于過(guò)載或短路使輸出電流高于電流保護(hù)閾值時(shí)，便切換到電流控制環(huán)，進(jìn)行定電流調(diào)節(jié)，輸出電壓隨之降低，防止設(shè)備輸出電流過(guò)大而被損壞；當(dāng)輸出負(fù)載恢復(fù)正常時(shí)，再次切換到電壓控制環(huán)，進(jìn)行定電壓工作；

(3)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)與處理模式：由于控制器具有一定的調(diào)節(jié)周期，瞬間擾動(dòng)引起的過(guò)電壓和過(guò)電流在閉環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)周期內(nèi)處于失控狀態(tài)，對(duì)于這種異常狀態(tài)，

當(dāng)電壓電流瞬間越限，比較電路將越限信號(hào)傳給控制器，控制器立即將pi調(diào)節(jié)器輸出清零，

若出現(xiàn)連續(xù)多次封脈沖處理，可斷定設(shè)備已故障，需停機(jī)修復(fù)。

所述控制器對(duì)于(2)模式的控制算法還包括：

采用增量式pi控制算法，如式(3)所示，fn為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期內(nèi)的計(jì)算輸出值，在本設(shè)備中為igbt的觸發(fā)脈沖占空比，fn-1為上一個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)的輸出值，ek為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期內(nèi)反饋值與給定值的偏差，δek為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期的偏差與上一個(gè)周期偏差的差值，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)。pi參數(shù)的整定常用的試湊法，雙單環(huán)的參數(shù)分別整定，且兩組參數(shù)沒(méi)有直接聯(lián)系。整定時(shí)，先令kp由0逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，取此時(shí)kp的60％-70％作為最終kp值，之后，保持kp不變，ki由0逐漸增大，待穩(wěn)態(tài)誤差為零，ki整定結(jié)束，

fn＝kp·δek+ki·ek+fn-1(3)

δek＝ek-ek-1(4)。

正常情況下由電網(wǎng)直接給變頻器供電，低電壓穿越電源處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到一定值時(shí)，低電壓穿越電源快速啟動(dòng)向變頻器提供額定電壓和額定功率并維持一定時(shí)間。此外，控制回路電源及附件都需要具有低壓穿越能力，防止低壓時(shí)控制失效。

本發(fā)明進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，如采用寬范圍輸入控制電源、選擇有效的電壓采樣點(diǎn)、重要的是設(shè)計(jì)全范圍閉環(huán)無(wú)盲區(qū)控制策略，確保設(shè)備工作可靠性。

本發(fā)明的有益效果包括：

(1)控制電源設(shè)計(jì)采用寬范圍輸入控制電源，保證控制系統(tǒng)供電可靠性；通過(guò)對(duì)電路特征的分析，找到了實(shí)時(shí)反映變頻器輸入電壓變化的電壓采集點(diǎn)，提高了設(shè)備響應(yīng)速度。

(2)boost升壓電路中igbt的觸發(fā)脈沖占空比調(diào)節(jié)采用雙單環(huán)pi控制，算法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好，在發(fā)生過(guò)載時(shí)，能夠自動(dòng)保護(hù)；針對(duì)低電壓穿越電源長(zhǎng)時(shí)間處于熱備用不進(jìn)行升壓工作，設(shè)計(jì)了日自檢、年自檢，并設(shè)計(jì)了故障監(jiān)測(cè)功能，確保長(zhǎng)期可靠工作；對(duì)出現(xiàn)的瞬間擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路，避免出現(xiàn)失控狀態(tài)。

本發(fā)明控制電源設(shè)計(jì)采用了寬范圍輸入控制電源以及boost升壓電路中igbt的觸發(fā)脈沖占空比調(diào)節(jié)采用雙單環(huán)pi控制、故障監(jiān)測(cè)功能，能夠保證系統(tǒng)供電可靠性，解決了實(shí)時(shí)反映變頻器輸入電壓變化的電壓采集點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)一步的提高了設(shè)備的響應(yīng)速度；利用雙單環(huán)pi控制算法，與模糊控制相比算法簡(jiǎn)單，同時(shí)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)魯棒性好；確保了系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠工作，避免出現(xiàn)失控狀態(tài)等。在這些方面與現(xiàn)有技術(shù)相比具有比較明顯的積極效果。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明示例性實(shí)施方式的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發(fā)明的若干實(shí)施方式，其中：

圖1本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明實(shí)施例采用的雙單環(huán)控制算法示意圖。

圖3本發(fā)明實(shí)施例中低電壓穿越電源的整體控制流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如附圖1所示。根據(jù)具體功能，系統(tǒng)可分為功率部分、控制部分。功率部分由總開(kāi)關(guān)電路、整流電路、預(yù)充電電路、升壓斬波電路、投切電路、旁路線路組成；控制部分主要有采樣電路、控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及控制部分供電電源組成。qf合閘上電要通過(guò)預(yù)充電電阻yr1對(duì)直流電容充電，上電完成后將預(yù)充電電阻旁路。采用全橋不控整流，經(jīng)濾波電容，將直流電送入升壓回路。升壓回路由三組參數(shù)一致的boost電路并聯(lián)組成，三組電路的開(kāi)關(guān)管采用交錯(cuò)并聯(lián)調(diào)制方式，有效減小電感電流脈動(dòng)和輸出電壓的波動(dòng)。在備用狀態(tài)，由晶閘管開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越電源隔離，并根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略實(shí)現(xiàn)投切控制。控制器采集功率回路的電壓、電流和開(kāi)關(guān)的狀態(tài)量，對(duì)電壓和電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全閉環(huán)控制?？刂撇糠止╇婋娫吹脑O(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)控制至關(guān)重要，須保證在輸入電壓降到額定值20％的情況下輸出電壓仍正常，避免控制失電停機(jī)，采用寬電壓輸入電源可解決此問(wèn)題，如光伏專(zhuān)用電源模塊，可靠性較高且不需要定期維護(hù)

本發(fā)明電源電路的主要器件選型：升壓斬波電路是低電壓穿越電源的核心部分，主要由儲(chǔ)能電感、igbt、續(xù)流二極管、濾波電容構(gòu)成。恰當(dāng)?shù)钠骷?shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)升壓斬波功能具有重要意義。

電感電流在斬波過(guò)程中的電流紋波大小直接影響低壓側(cè)電流的峰值和噪聲。同等工況下，若電感電流紋波大，低壓側(cè)其他器件的容量需增大。

根據(jù)電感電流的紋波大小選取電感值。

式(1)中，vi為最小輸入電壓，ts為開(kāi)關(guān)igbt的周期，d1為升壓過(guò)程中igbt的最大占空比，δi為電感電流的紋波值，可根據(jù)具體需求規(guī)定。

在本裝置的升壓斬波電路中，由于采用三重并聯(lián)的方式，單個(gè)電感的值為所求電感值的三倍。

濾波電容在igbt導(dǎo)通的瞬間，負(fù)責(zé)維持輸出電壓，并抑制輸出電壓紋波的大小。

式(2)中，io為斬波電路輸出電流，d為最大占空比，ts為開(kāi)關(guān)頻率，δvo為輸出電流的紋波。

igbt的選型要按照升壓斬波電路的低壓側(cè)電流值峰值和高壓側(cè)電壓峰值選取，一般器件的選型裕量為50％。

控制器的工作控制算法。

(1)旁路式工作模式：考慮到電網(wǎng)電壓在絕大多數(shù)時(shí)間處于正常狀態(tài)不需要輔助升壓，低電壓穿越電源采用旁路式的工作方式：電壓跌落時(shí)，低電壓穿越電源給變頻器供電電網(wǎng)電壓正常時(shí)，變頻器直接經(jīng)交流輸入端從電網(wǎng)取電工作，低電壓穿越電源處于熱備用狀態(tài)。低電壓穿越電源投入使用時(shí)，控制器上電進(jìn)入初始化，發(fā)出合閘指令，斷路器qf、接觸器km相繼合閘，之后進(jìn)行自檢，以在上電初期檢測(cè)設(shè)備是否正常，防止將故障設(shè)備投入。自檢即讓設(shè)備進(jìn)行升壓斬波工作，將直流母線電壓(uc2處)抬高到給定輸出值，若自檢失敗，發(fā)停機(jī)指令并將故障信號(hào)上傳給上位機(jī)。自檢成功后進(jìn)入熱備用待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器輸入電壓，電壓值小于啟動(dòng)電壓值時(shí)，啟動(dòng)升壓斬波功能并觸發(fā)晶閘管，設(shè)備投入運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備最大運(yùn)行時(shí)間到達(dá)或電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，便停止升壓功能，低電壓穿越電源退出運(yùn)行，重新回到熱備用待機(jī)狀態(tài)。

電壓監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器直流母線電壓值，電壓值的準(zhǔn)確獲取對(duì)設(shè)備可靠性至關(guān)重要。圖1中u3處是監(jiān)測(cè)電壓最合適的位置。u3處連接在變頻器的輸入直流母線上，可以及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)變頻器輸入電壓，此處雖然也有濾波電容，但是與u2相比時(shí)間常數(shù)很小，電容電壓可真實(shí)反映直流母線的實(shí)際電壓，當(dāng)u3<ustart時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)升壓。ustart的值需根據(jù)變頻器的低電壓保護(hù)閾值確定，變頻器低電壓保護(hù)閾值一般為額定電壓的80％，所以，ustart一般應(yīng)高于額定電壓的80％，在變頻器啟動(dòng)低壓保護(hù)之前向變頻器供電。設(shè)備是否退出升壓斬波需監(jiān)測(cè)u1處電壓值，當(dāng)在斬波運(yùn)行中u1處電壓>ustop,且2s后仍滿(mǎn)足此關(guān)系，便可停止升壓。ustop的值需大于ustart。

普通晶閘管scr導(dǎo)通速度快、電流過(guò)零自然關(guān)斷且通態(tài)壓降低，因此，將它用作低電壓穿越電源投入與退出供電的控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)檢測(cè)到變頻器的輸入電壓跌落需要進(jìn)行輔助升壓時(shí)，在觸發(fā)boost升壓電路igbt的同時(shí)，觸發(fā)晶閘管，待其導(dǎo)通后停止觸發(fā)，但此時(shí)仍處于通態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，設(shè)備不再進(jìn)行升壓斬波，晶閘管中便沒(méi)有電流流過(guò)，自動(dòng)關(guān)斷。

(2)雙單環(huán)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)：升壓斬波電路的控制采用雙單環(huán)pi算法，采樣電路將輸出電壓和電流值送入控制器，經(jīng)過(guò)pi運(yùn)算后得到igbt的占空比，與載波進(jìn)行比較，輸出igbt的觸發(fā)脈沖，如圖2所示。為避免雙環(huán)控制中外環(huán)帶寬受限、減小pi參數(shù)的整定難度，將電壓環(huán)和電流環(huán)拆為兩個(gè)獨(dú)立的控制環(huán)，同一時(shí)刻只有一個(gè)控制環(huán)在運(yùn)行，兩個(gè)控制環(huán)均將pi運(yùn)算后輸出的數(shù)值作為igbt的觸發(fā)脈沖占空比。設(shè)備通常運(yùn)行在電壓環(huán)，直流母線電壓u2工作在給定值uref。若由于過(guò)載或短路使輸出電流高于電流保護(hù)閾值時(shí)，便切換到電流控制環(huán)，進(jìn)行定電流調(diào)節(jié)，輸出電壓隨之降低，防止設(shè)備輸出電流過(guò)大而被損壞；當(dāng)輸出負(fù)載恢復(fù)正常時(shí)，再次切換到電壓控制環(huán)，進(jìn)行定電壓工作。

在實(shí)際工程中，常采用增量式pi控制算法，如式(3)所示，fn為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期內(nèi)的計(jì)算輸出值，在本設(shè)備中為igbt的觸發(fā)脈沖占空比，fn-1為上一個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)的輸出值，ek為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期內(nèi)反饋值與給定值的偏差，δek為當(dāng)前調(diào)節(jié)周期的偏差與上一個(gè)周期偏差的差值，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)。pi參數(shù)的整定常用的試湊法，雙單環(huán)的參數(shù)分別整定，且兩組參數(shù)沒(méi)有直接聯(lián)系。整定時(shí)，先令kp由0逐漸增大，直至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，取此時(shí)kp的60％-70％作為最終kp值，之后，保持kp不變，ki由0逐漸增大，待穩(wěn)態(tài)誤差為零，ki整定結(jié)束。

fn＝kp·δek+ki·ek+fn-1(3)

δek＝ek-ek-1(4)

(3)故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)與處理設(shè)計(jì)：由于控制器具有一定的調(diào)節(jié)周期，瞬間擾動(dòng)(如負(fù)載瞬間擾動(dòng)、輸入電壓瞬間擾動(dòng)等)引起的過(guò)電壓和過(guò)電流在閉環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)周期內(nèi)處于失控狀態(tài)。對(duì)于這種異常，單獨(dú)設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路。當(dāng)電壓電流瞬間越限，比較電路將越限信號(hào)傳給控制器，控制器立即將pi調(diào)節(jié)器輸出清零。若出現(xiàn)連續(xù)多次封脈沖處理，可斷定設(shè)備已故障，需停機(jī)修復(fù)。這種方式，既遏制了故障的發(fā)展，又避免了瞬間干擾導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。低電壓穿越電源的整體控制流程圖如圖3。

值得說(shuō)明的是，雖然前述內(nèi)容已經(jīng)參考若干具體實(shí)施方式描述了本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原理，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的具體實(shí)施方式，對(duì)各方面的劃分也不意味著這些方面中的特征不能組合，這種劃分僅是為了表述的方便。本發(fā)明旨在涵蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)所包括的各種修改和等同布置。