CN113395033A - 一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统，涉及高压变频技术领域，本发明通过将高压变频器系统进线低压情况划分为了暂态、动态及稳态三个区域，针对每个区域针对性设计低压穿越控制策略，最大化了高压变频器低压输出能力，并且针对动态穿越区首次提出了“额定磁通控制最大电流限制自动降速运行”控制策略，该策略可实现高压变频器在进线电源电压跌落到不小于60％额定电压情况下，以变频器可允许的最大功率持续输出，保证供电对象长时安全运行，实现了简单的，对系统扰动较小，可适应长时较小幅度电压跌落的高压变频器低压穿越的控制。

Description

一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及高压变频技术领域，具体涉及一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统。

背景技术

大功率水泵及风机广泛应用于能源、炼钢、水泥、煤炭矿石开采等工业领域，由于工艺及节能等方面的要求，目前较多采用高压变频器进行调速驱动。变频器驱动电机时，如果电网发生由供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低，而变频器不采取任何措施，会造成以下问题：1、进线电压降低，则变频器电流将变大，如果变频器功率裕量不够，则会产生变频器过流跳停故障。2、大部分高压变频器单元控制电取至单元母线电压，如果电压跌落幅度过大，则可能会造成单元断电，进而导致变频器跳停。大功率水泵及风机的稳定运行对于以上各工业领域生产的安全、工艺质量及产量等方面而言至关重要，因此上述工业驱动应用场合均要求高压变频器需具备应对电网跌落的低压穿越能力。

目前，高压变频器的低压穿越大多采用的是短时断电后转速跟踪再启动控制方式。此种控制方式下，当电源电压降低超过一定幅度时，变频器将停止输出但不跳闸，这时电机处于自由制动状态，转速逐渐降低，如果在指定的“等待时间”内电源电压恢复正常，变频器将按照“跟踪转速再起动”方式再起动(“跟踪转速再起动”方式即根据电机反电势估算出电机电频率，高压变频器恢复时，即从估算的电频率开始工作，使得再起过程平稳无冲击)，就可以躲过电源电压的瞬间波动，如果在此“等待时间”内电源电压未恢复正常，变频器就认为出现了电源低压故障，跳闸停车。

当故障类型为暂态性时，母线电压一般快速降低快速恢复；而长时故障时，母线低电压要持续比较长一段时间，所以变频器重起动的时间要能躲过较长时间的电压波动时间，才能最大限度的发挥其作用。单独采用“短时断电后转速跟踪再启动控制方式”的低压穿越方案应对电压跌落持续时间不超过5s的情况均较为有效，但随着电压跌落时间的增长，该方法的可靠性将会大大降低，但目前工业应用环境中对于高压变频器较长时间的低压穿越功能存在比较急迫的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统，实现了简单的，对系统扰动较小，可适应长时较小幅度电压跌落的高压变频器低压穿越控制。

第一方面，本发明实施例提供一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法，应用在高压变频器输入输出系统，具体由电源、高压变频器和电机组成，该方法包括步骤：

S1：根据电压跌落的情况将变频器电源低压穿越区划分为暂态区间、动态区间和稳态区间；其中，电压跌落的情况包括电压跌落幅度和电压跌落速度；

S2：当电压跌落的情况落入暂态区间时，高压变频器采用跟踪转速再启动的方式进行低电压穿越；

S3：当电压跌落的情况落入动态区间时，高压变频器采用额定磁通的最大电流限值深度弱磁控制的方式进行低电压穿越；

S4：当电压跌落的情况落入稳态区间时，通过高压变频器的容量裕量维持稳定运行并进行低电压穿越。

在本实施方式中，鉴于高压变频器及供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低到规定的高、低电压穿越区内时，通过对不同暂态、动态和稳态进行合理处理，使其当电压跌落幅度不超过一定程度时，高压变频器能够实现按照其最大输出能力长时稳定带动电机运行，即形成长时低压穿越能力，增强低压穿越技术的可靠性，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。

在一个可能的实施方式中，在进行低电压穿越中，所述高压变频器内的主控系统设置低电压穿越控制算法，所述主控系统获取高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据；其中，所述输入、输出侧电压通过在所述高压变频器输入输出系统设置电压互感器测取，所述输出侧电流数据通过在所述高压变频器输入输出系统设置电流互感器测取；所述低电压穿越控制算法根据所述高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据调整调制信号的幅值和频率。

在一个可能的实施方式中，在步骤S2中，包括：

检测到所述高压变频器输入输出系统进线电压落入暂态区间的时长；

当落入暂态区间的时长超过1ms时，所述高压变频器停止输出但不跳闸，通过所述输出侧电压互感器采样所述电机的反电势，并根据反电势计算电机转速；

根据所述进线电压幅值判定高压变频器进线电压是否恢复正常，根据所述反电势计算的转速计算变频器输出电压的频率和幅值，保证电机转速平稳无冲击再起即恢复正常；如果进线电压幅值落入暂态区时长超过一定时长(通常为2s，也可根据具体工程整定该参数)，则判定高压变频器进线电压不正常，高压变频器再启动失败，上报重故障停机。在一个可能的实施方式中，在步骤S3中，包括：

检测到所述高压变频器输入输出系统进线电压落入动态区间的时长；

当落入动态区间的时长超过1ms时，判定所述高压变频器电压调制度；当所述电压调制度未满，则通过额定磁通控制为目标，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp，当所述电压调制度已满，则高压变频器输入输出系统无法再维持额定磁通运行。

在一个可能的实施方式中，在高压变频器输入输出系统无法再维持额定磁通运行时，若进线电压继续降低则所述高压变频器输出电流逐渐增大；其中，所述高压变频器以不超过额定电流幅度输出运行频率增量ΔFreq，当ΔFreq为负值减低高压变频器输出负荷；在所述高压变频器电压恢复至正常时，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp和运行频率增量ΔFreq调整为0。

优选地，所述暂态区间为电压跌落后幅度大于等于20％Un小于60％Un和电压跌落速度大于等于264KV/S。

优选地，所述动态区间为电压跌落后幅度大于等于60％Un小于90％Un和电压跌落速度小于等于264KV/S。

优选地，所述稳态区间为电压跌落后幅度大于90％Un和电压跌落速度小于等于264KV/S。

第二方面，本发明实施例提供一种用于高压变频器低电压穿越的控制系统，所述高压变频器接入电源的三相交流电控制输出至电动机，所述高压变频器包括：

电流互感器，用于测取输出测电流数据；

电压互感器，用于测取输入、输出侧电压数据；

主控系统，其连接电流互感器和电压互感器，并内置入有低压穿越控制算法，用于根据输出测电流数据和输入、输出侧电压数据调整调制数据的幅值和频率，并发送至PWM调制模块；

PWM调制模块，用于根据调整调制数据的幅值和频率生成开关脉冲信号，控制高压变频器的各功率开关器件的开断。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统，高压变频器及供电对象设备外部故障或扰动引起的暂态、动态或长时间电源进线电压降低到规定的高、低电压穿越区内时，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行，当电压跌落幅度不超过一定程度时，高压变频器能够实现按照其最大输出能力长时稳定带动电机运行，即形成长时低压穿越能力，增强低压穿越技术的可靠性；

2、本发明实施例提供的一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法及系统，实现高压变频器在进线电源电压跌落到不小于20％额定电压，持续时间不超过5s的区域内，能够可靠供电，保障供电对象的安全运行；高压变频器在进线电源电压跌落到不小于60％额定电压，能够以变频器可允许的最大功率持续输出，保证供电对象长时安全运行；高压变频器在进线电源电压跌落到不小于90％额定电压，变频器能够可靠供电，保障供电对象的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的高压变频器低电压穿越的控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的高压变频器低电压穿越的控制系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的高压变频器低电压穿越的控制框图；

图4为本发明实施例提供的高压变频器落入动态区间时的控制框图；

图5为本发明实施例提供的高压变频器低电压穿越实际数据处理图；

图6位本发明实施例提供的电机电流幅度标幺值数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例

发明人研究发现目前对于低压穿越方案在电压跌落持续时间不超过5s的情况均较为有效，但随着电压跌落时间的增长，该方法的可靠性将会大大降低的问题，目前工业应用环境中对于高压变频器较长时间的低压穿越功能存在比较急迫的需求，如何实现简单的，且减少系统扰动实现长时间较小幅度电压跌落中高压变频器低压穿越控制是有待解决的。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种用于高压变频器低电压穿越的控制系统，包括电源、高压变频器和电机，高压变频器具体包括电流互感器、电压互感器、主控系统和PWM调制模块。电流互感器用于测取输出测电流数据的，电压互感器用于测取输入、输出侧电压数据的电压互感器，主控系统连接电流互感器和电压互感器，并内置入有低压穿越控制算法，用于根据输出测电流数据和输入、输出侧电压数据调整调制数据的幅值和频率，并发送至PWM调制模块，PWM调制模块再根据调整调制数据的幅值和频率生成开关脉冲信号，控制高压变频器的各功率开关器件的开断，实际应用中，本发明通过低电压穿越的高压大功率变频器在其主控系统中植入有低压穿越控制算法，该控制算法的实施需要获得变频器输入、输出侧电压及输出电流信息。本发明所述系统通过PT装置分别测取输入及输出侧电压信息，通过CT装置测取输出电流信息，然后主控系统中低压穿越控制算法根据以上信息调整调制信号的幅值和频率，从而控制各功率开关器件的开断，以适应进线电压状态，保证电动机及其负载系统以最小的功率波动穿越低压区。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法，在实际应用中，首先根据电压跌落幅度及电压跌落速度对变频器电源低压穿越区进行划分，形成暂态、动态及稳态三种低压穿越区，当电压跌落的情况符合暂态低压穿越区条件时，高压变频器采用“短时断电后转速跟踪再启动控制方式”进行低压穿越；当电压跌落的情况符合动态低压穿越区条件时，高压变频器采用“额定磁通控制下的最大电流限值深度弱磁自动降速运行控制”；当电压跌落的情况符合稳态穿越区条件时，高压变频器不采取任何措施，利用变频器容量裕量稳定运行，穿越该低压区域。

作为上述实施例的优选，在进行低电压穿越中，所述高压变频器内的主控系统设置低电压穿越控制算法，所述主控系统获取高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据；其中，所述输入、输出侧电压通过在所述高压变频器输入输出系统设置电压互感器测取，所述输出侧电流数据通过在所述高压变频器输入输出系统设置电流互感器测取；所述低电压穿越控制算法根据所述高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据调整调制信号的幅值和频率。

实际应用中，考虑到为了应对复杂的进线低压情况，根据电压跌落后幅度及电压跌落速度进行低压穿越区域的划分。变频器在进线电源电压跌落到20％至60％额定电压范围或是电压变化速度快于264kV/s时划分为暂态穿越区，此区域下需保证高压变频器能够完成低压状态持续时间小于5s的情况的穿越；电压跌落到60％至90％额定电压范围且电压变化速度小于264kV/s时划分为动态穿越区，此区域下需保证高压变频器能够以降负荷的状态长时运行穿越低压区；电压跌落到90％额定电压以上范围且电压变化速度小于264kV/s时划分为稳态穿越区，此区域下需保证高压变频器能够长时稳定运行穿越低压区，具体详见表1的高压变频器低电压穿越区划分。

表1

请参阅图1和图3，本发明实施例提供的高压变频器低电压穿越的控制框图，具体来说，为实现上述穿越区的运行要求，需根据不同穿越区制定对应的低压穿越控制方案。当检测到系统进线低压属于暂态穿越区超过1ms时，变频器进入“短时断电后转速跟踪再启动”控制策略，此控制策略下变频器停止输出但不跳闸，然后通过输出PT实时采样电机反电势，并根据反电势值估算电机转速，在设定的“等待时间”内变频器进线电压恢复正常后即跟踪电机转速平稳无冲击再起，如变频器再启动失败则报重故障停机。

如图4所示，当检测到系统进线低压属于动态穿越区超过1ms时，变频器进入“额定磁通控制最大电流限制自动降速运行”控制策略，此控制策略下如变频器电压调制度未满，则以额定磁通控制为目标，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp，如果电压调制度已满，则系统无法再维持额定磁通运行，此时如果进线电压继续降低则变频器输出电流会逐渐增大，变频器就要以保证输出电流不超过1.0倍额定电流幅值为目标输出运行频率增量ΔFreq，ΔFreq为负值即系统会自动降速以降低变频器输出负荷，从而保证系统不出现过流跳机的情况。在变频器进线电压自动恢复至正常情况时，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp和运行频率增量ΔFreq会调整为0，此时系统即可平稳无扰退出“额定磁通控制最大电流限制自动降速运行”控制，恢复至正常运行状态。

此外，当检测到系统进线低压属于稳态穿越区时，高压变频器利用自身容量裕度可保持正常状态长时运行。

如图5与图6所示，本发明在具体应用于后石电厂循坏水泵高压变频器上，用于解决电动给水泵工频启动时带来的进线电压逐渐降低的情况。具体情况如上图所示，在电动给水泵工频启动后，厂用电电压逐渐被拉低值额定电压70％左右，由于电压进线电压降低，循坏水泵高压变频器输出电流逐渐增大，最终发生了输出过流跳机。运用本发明专利技术后，变频器输出电流最大值仅为额定的1.17倍(瞬时过流为额定电流的1.5倍)，可保证保证高压变频器穿越类似的长时低电压情况。

综上，本发明主要解决的问题如下，首先是将高压变频器系统进线低压情况划分为了暂态、动态及稳态三个区域，针对每个区域针对性设计低压穿越控制策略，最大化了高压变频器低压输出能力。再者是针对动态穿越区首次提出了“额定磁通控制最大电流限制自动降速运行”控制策略，该策略可实现高压变频器在进线电源电压跌落到不小于60％额定电压情况下，以变频器可允许的最大功率持续输出，保证供电对象长时安全运行。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于高压变频器低电压穿越的控制方法，高压变频器输入输出系统由电源、高压变频器和电机组成，其特征在于，该方法包括步骤：

根据电压跌落的情况将变频器电源低压穿越区划分为暂态区间、动态区间和稳态区间；其中，电压跌落的情况包括电压跌落幅度和电压跌落速度；

当电压跌落的情况落入暂态区间时，高压变频器采用跟踪转速再启动的方式进行低电压穿越；

当电压跌落的情况落入动态区间时，高压变频器采用额定磁通的最大电流限值深度弱磁控制的方式进行低电压穿越；

当电压跌落的情况落入稳态区间时，通过高压变频器的容量裕量维持稳定运行并进行低电压穿越。

2.根据权利要求1所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，在进行低电压穿越中，所述高压变频器内的主控系统设置低电压穿越控制算法，所述主控系统获取高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据；其中，所述输入、输出侧电压通过在所述高压变频器输入输出系统设置电压互感器测取，所述输出侧电流数据通过在所述高压变频器输入输出系统设置电流互感器测取；所述低电压穿越控制算法根据所述高压变频器输入、输出侧电压和输出侧电流数据调整调制信号的幅值和频率。

3.根据权利要求2所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，在当电压跌落的情况落入暂态区间时，高压变频器采用跟踪转速再启动的方式进行低电压穿越中，包括：

检测到所述高压变频器输入输出系统进线电压落入暂态区间的时长；

当落入暂态区间的时长超过1ms时，所述高压变频器停止输出但不跳闸，通过所述输出侧电压互感器采样所述电机的反电势，并根据反电势计算电机转速；

根据所述输入侧电压幅值判定高压变频器进线电压是否恢复正常，根据所述反电势计算的电机转速计算变频器输出电压的频率和幅值，保证电机转速平稳无冲击再起即恢复正常；如果进线电压幅值落入暂态区时长超过一定时长，则判定高压变频器进线电压不正常，高压变频器再启动失败，上报重故障停机。

4.根据权利要求2所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，在当电压跌落的情况落入动态区间时，高压变频器采用额定磁通的最大电流限值深度弱磁控制的方式进行低电压穿越中，包括：

检测到所述高压变频器输入输出系统进线电压落入动态区间的时长；

当落入动态区间的时长超过1ms时，判定所述高压变频器电压调制度；当所述电压调制度未满，则通过额定磁通控制为目标，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp，当所述电压调制度已满，则高压变频器输入输出系统无法再维持额定磁通运行。

5.根据权利要求4所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，在额定磁通的最大电流限制深度弱磁控制在高压变频器输入输出系统无法再维持额定磁通运行时，若进线电压继续降低则所述高压变频器输出电流逐渐增大；其中，所述高压变频器以不超过额定电流幅度输出运行频率增量ΔFreq，当ΔFreq为负值减低高压变频器输出负荷；在所述高压变频器电压恢复至正常时，输出电压调制信号幅值增量ΔAmp和运行频率增量ΔFreq调整为0。

6.根据权利要求1所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，所述暂态区间为电压跌落后幅度大于等于20％Un小于60％Un和电压跌落速度大于等于264KV/S。

7.根据权利要求1所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，所述动态区间为电压跌落后幅度大于等于60％Un小于90％Un和电压跌落速度小于等于264KV/S。

8.根据权利要求1所述的用于高压变频器低电压穿越的控制方法，其特征在于，所述稳态区间为电压跌落后幅度大于90％Un和电压跌落速度小于等于264KV/S。

9.一种用于高压变频器低电压穿越的控制系统，包括电源、高压变频器和电机，其特征在于，所述高压变频器接入电源的三相交流电控制输出至电动机，所述高压变频器包括：

电流互感器，用于测取输出测电流数据；

电压互感器，用于测取输入、输出侧电压数据；

主控系统，其连接电流互感器和电压互感器，并内置入有低压穿越控制算法，用于根据输出测电流数据和输入、输出侧电压数据调整调制数据的幅值和频率，并发送至PWM调制模块；

PWM调制模块，用于根据调整调制数据的幅值和频率生成开关脉冲信号，控制高压变频器的各功率开关器件的开断。

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