摘 要：為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的高可靠性供電要求，提出了一種利用UPS逆變器控制實(shí)現(xiàn)的無縫供電切換方法，該無縫供電切換方法的核心是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失去主電源后，引入一逆變電源向電動(dòng)機(jī)注入無功功率支撐電動(dòng)機(jī)殘壓，以利于檢同期合閘沖擊電流的減少，增加備用電源的投切成功率。通過Simulink軟件的仿真，驗(yàn)證了無縫供電切換方法的可行性，有效避免了傳統(tǒng)后備電源切換過程中對(duì)電動(dòng)機(jī)的大電流沖擊。

關(guān)鍵詞：可靠性供電;電源切換;無功功率控制;逆變電源

目前，電網(wǎng)中存在相當(dāng)多的重要負(fù)荷，特別是鋼鐵、冶金、化工、煤礦等大型工礦企業(yè)對(duì)供電可靠性要求更高[1-2]。這些企業(yè)存在由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的重要負(fù)荷，一旦電動(dòng)機(jī)甩負(fù)荷可造成生產(chǎn)的重大經(jīng)濟(jì)損失或社會(huì)影響。

電網(wǎng)故障[3]是電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或甩負(fù)荷的重要原因。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)雷擊等因素產(chǎn)生的短路故障時(shí)，電網(wǎng)電壓迅速下降，電動(dòng)機(jī)輸入功率迅速減少，電動(dòng)機(jī)依靠機(jī)械慣性驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，并向短路故障點(diǎn)輸出短路功率，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速減小。若短路故障不能及時(shí)切除，電動(dòng)機(jī)將很快喪失負(fù)荷的驅(qū)動(dòng)能力，被迫停轉(zhuǎn)或甩負(fù)荷。在短路故障切除后，電動(dòng)機(jī)雖不向短路故障點(diǎn)輸出短路功率，但電動(dòng)機(jī)機(jī)械動(dòng)能仍在不停地減少，若不能快速切換到后備電源，電動(dòng)機(jī)也將很快停轉(zhuǎn)或甩負(fù)荷。

另外，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，特別是靠近電動(dòng)機(jī)端口處出現(xiàn)短路故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)端口電壓快速下降，使異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩快速減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流快速上升，若短路故障不能及時(shí)切除，電動(dòng)機(jī)有被燒毀的危險(xiǎn)。在短路故障切除后，電動(dòng)機(jī)端口電壓上升到電動(dòng)機(jī)的殘壓水平，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，電動(dòng)機(jī)端口電壓也下降，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步惡化[4]。

由此可見，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷要做到不停轉(zhuǎn)或甩負(fù)荷，也就是做到重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的無縫供電，須有三個(gè)環(huán)節(jié)的保障。一是能快速地切除故障，文獻(xiàn)[5]已進(jìn)行了一定程度的研究，可在10ms內(nèi)檢測(cè)出故障;二是能快速切換到后備電源，現(xiàn)有快切方法可通過檢同期實(shí)現(xiàn)后備電源的快速切換;三是在故障切除后到后備電源的切換完成之間時(shí)段，應(yīng)向電動(dòng)機(jī)注入一定的無功功率支撐電動(dòng)機(jī)端口電壓，使電動(dòng)機(jī)端口電壓維持在一個(gè)安全的水平，以利于檢同期合閘沖擊電流的減少，這一工作是本文研究的主要內(nèi)容。

1 重要電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的無縫供電系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的無縫供電，本文構(gòu)建了圖1所示的重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷無縫供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括變壓器、整流器及逆變電源三個(gè)部分以及相應(yīng)的采樣和控制單元。在正常運(yùn)行情況下，主電源給電動(dòng)機(jī)供電，如果主電源發(fā)生故障，則切換至備用電源。主電源和備用電源互為備用。重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷無縫供電的工作方式如下：①正常運(yùn)行時(shí)，主電源通過斷路器DL1向負(fù)載供電，開關(guān)K3處于斷開狀態(tài)，斷路器DL2斷開，主、備兩路電源向逆變電源供電，保證其高可靠性，逆變電源一直在線處于準(zhǔn)備狀態(tài)，但不輸出功率。②當(dāng)主電源D點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，經(jīng)快速檢測(cè)（10ms內(nèi)）向DL1發(fā)出跳閘命令以切除故障，同時(shí)指令逆變電源投入運(yùn)行，控制逆變電源向電動(dòng)機(jī)輸出無功功率，閉合開關(guān)K3。③DL1切除故障后，逆變電源向電動(dòng)機(jī)注入無功功率支撐電動(dòng)機(jī)端口電壓，使電動(dòng)機(jī)端口電壓維持在一個(gè)安全的水平，等待后備電源檢同期合閘。④在后備電源與電動(dòng)機(jī)滿足同期合閘條件后，后備電源合閘向電動(dòng)機(jī)注入功率，恢復(fù)電動(dòng)機(jī)到正常運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)逆變電源退出運(yùn)行，斷開開關(guān)K3。

2 無功功率控制算法原理

三相PWM逆變器的主電路如圖2所示

圖2 ?PWM逆變器主電路

根據(jù)文獻(xiàn)[6]得到在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，PWM逆變器的數(shù)學(xué)模型如下：（1）

將abc左邊系下的三相對(duì)稱量通過坐標(biāo)變化到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，則將三相時(shí)變正玹量變化為了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量。

忽略三相PWM逆變器自身損耗，定義逆變器輸出功率為：

（2）

其中，Us為三相PWM逆變器交流側(cè)電源的空間合成矢量，為其交流側(cè)三相電流的合成空間矢量Is的共軛向量。三相電壓和電流空間合成矢量分別被定義為：（3）

將式（3）代入式（2）可得：（4）

由于Usq=0，可得： （5）

可見，輸入PWM逆變器的有功功率即為其交流側(cè)的瞬時(shí)功率，且通過分別控制交流側(cè)電流電壓id、iq和Usd即可控制輸出的有功和無功功率[7]。

通過dq坐標(biāo)變換之后并采用前饋解耦之后，對(duì)整流橋的控制等效為對(duì)d軸、q軸分別進(jìn)行的控制。并且由于dq解耦后控制量為直流量，因此采用PI控制可以達(dá)到無靜差效果。采用直流電壓反饋外環(huán)來穩(wěn)定直流側(cè)電壓，并將直流電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器控制作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)。通過電流內(nèi)環(huán)對(duì)輸入側(cè)電流的跟蹤，使系統(tǒng)以較好的動(dòng)態(tài)性能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

3 基于dq變換的功率控制

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，采用內(nèi)環(huán)電流外環(huán)功率的控制策略。d軸電流控制逆變電源有功功率的輸出，q軸電流控制無功功率。以d軸為例的逆變器內(nèi)環(huán)控制框圖如下：

圖3 ?d軸電流內(nèi)環(huán)控制框圖

有功功率跟電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此d軸外環(huán)引入電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，以維持有功功率的平衡。引入前饋解耦后d軸雙環(huán)控制框圖如下：

圖4 ?解耦后d軸雙環(huán)控制框圖

無功功率和母線電壓相關(guān)，q軸外環(huán)引入母線電壓控制，雙環(huán)控制框圖如5所示。

圖5 ?解耦后q軸雙環(huán)控制框圖

采用雙環(huán)控制策略的逆變器通過電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和母線電壓外環(huán)控制并穩(wěn)定逆變器輸出功率，而電流內(nèi)環(huán)則用于改善控制性能。在控制系統(tǒng)中，對(duì)d軸和q軸分別進(jìn)行雙閉環(huán)控制，外環(huán)控制負(fù)載側(cè)輸出功率，內(nèi)環(huán)控制該軸的電流分量，改善其動(dòng)態(tài)性能。d軸外環(huán)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋量之差通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算之后得到電流給定值，再與實(shí)際電流相比較，其結(jié)果也通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電流的內(nèi)環(huán)控制。最后，同樣也通過SVPWM算法驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件得到PWM脈沖信號(hào)，即可輸出所需的有功功率，q軸同理?？刂葡到y(tǒng)通過四個(gè)PI控制器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的功率控制。

4 無縫供電切換方法的仿真

依據(jù)圖1的負(fù)荷無縫供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用Simulink軟件構(gòu)建仿真模型，其仿真過程如下：①t=0.38s前，160kW異步電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，斷路器DL1閉合，斷路器DL2斷開，開關(guān)K3斷開。②t=0.38s，D點(diǎn)發(fā)生故障。③t=0.39s，斷路器DL1跳閘切除故障，同時(shí)逆變電源開始啟動(dòng)，開關(guān)K3閉合。④t=0.40s，短路故障完全切除，逆變器向電動(dòng)機(jī)輸出無功功率，以保證電動(dòng)機(jī)端口電壓不低于額定電壓的70%。⑤t=0.40+Xs，電動(dòng)機(jī)端口電壓和備用電源電壓相位一致，斷路器DL2合閘（X為檢同期合閘時(shí)間）。⑥t=0.40+X+0.01s，逆變電源關(guān)閉， K3斷開。

圖6為沒有無功功率注入的電動(dòng)機(jī)殘壓波形，圖7為有無功功率注入的電動(dòng)機(jī)殘壓波形。對(duì)比兩圖可以看出，無功功率注入可維持定子側(cè)殘壓的幅值，有利于檢同期合閘沖擊電流的減少。

在斷路器DL1跳閘切除故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)端口電壓和備用電源電壓相位相差150度的情況下，圖8為沒有無功功率注入的檢同期合閘電流波形，圖9為有無功功率注入的檢同期合閘電流波形。由圖8和圖9看出，有無功功率注入的檢同期合閘沖擊電流下降約為40A，為額定電流的2.2倍，沒有無功功率注入的檢同期合閘沖擊電流約為130A左右，為額定電流的7.2倍，可見無功功率注入對(duì)于減小檢同期合閘沖擊電流有明顯的效果。

圖6 ?沒有無功功率注入的電動(dòng)機(jī)殘壓波形

圖7 ?有無功功率注入的電動(dòng)機(jī)殘壓波形

圖8 ?沒有無功功率注入的檢同期合閘電流波形圖

圖9 ?有無功功率注入的檢同期合閘電流波形

5 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的高可靠性供電要求，本文提出了一種利用UPS逆變器控制實(shí)現(xiàn)的無縫供電切換方法，構(gòu)建了無縫供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了注入無功功率支撐電動(dòng)機(jī)殘壓的算法原理，通過無縫供電切換方法的仿真結(jié)果，得到如下結(jié)論：①對(duì)于重要異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，在電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，應(yīng)快速切除故障，使電動(dòng)機(jī)端口電壓上升到殘壓。②在故障切除后到后備電源切換完成之間時(shí)段，可通過一UPS逆變器向電動(dòng)機(jī)注入一定的無功功率支撐電動(dòng)機(jī)端口電壓，使電動(dòng)機(jī)端口電壓維持在一個(gè)安全的水平，以利于檢同期合閘沖擊電流的減少。③在后備電源與電動(dòng)機(jī)殘壓間相位條件滿足時(shí)，進(jìn)行后備電源合閘，沒有無功功率注入的檢同期合閘電流為額定電流的7.2倍，有無功功率注入的檢同期合閘電流為額定電流的2.2倍。

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作者簡(jiǎn)介：姚志良，1976年，男，漢族，廣東東莞人，大學(xué)本科，從事配電網(wǎng)運(yùn)維及安全管理專業(yè)。