高巧玲,秦燦華

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001;2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，各種大功率變頻應(yīng)用需求越來越多。變頻器機(jī)組并聯(lián)技術(shù)作為保障變頻器可靠性并快速擴(kuò)展容量的方案得到廣泛應(yīng)用。特別是在并網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用中并聯(lián)的優(yōu)勢更為明顯。但機(jī)組并聯(lián)面臨的最大問題是環(huán)流問題，由于機(jī)組硬件特性的差異，控制系統(tǒng)時(shí)序的差異等原因，導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)組存在環(huán)流問題，環(huán)流問題嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。大量的文獻(xiàn)也對并網(wǎng)變流器并聯(lián)技術(shù)均流控制進(jìn)行了研究[1-3]。但針對變頻器機(jī)組并聯(lián)用于輸出頻率時(shí)變的電機(jī)控制領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)較少。

VF開環(huán)控制是一種變頻器通用類控制算法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是算法的簡易性與負(fù)載強(qiáng)適合性，但其在變頻器機(jī)組并聯(lián)應(yīng)用中容易出現(xiàn)不均流的問題。在保留VF開環(huán)控制對負(fù)載強(qiáng)適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)級聯(lián)型變頻器機(jī)組并聯(lián)均流控制對變頻器機(jī)組并聯(lián)及通用化具有重要意義。

諧振控制是一種基于內(nèi)模原理的控制算法，由于其開環(huán)增益在諧振頻率處接近無窮大，可有效抑制諧振頻率處的不平衡擾動分量[4-5]。文獻(xiàn)[5]根據(jù)擾動頻率特性，在并網(wǎng)電流閉環(huán)控制基礎(chǔ)上構(gòu)建基于諧振控制器的零序環(huán)流閉環(huán)控制來抑制并網(wǎng)設(shè)備中兩臺逆變器的零序環(huán)流。文獻(xiàn)[6]采用自適應(yīng)比例諧振控制器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率漂移時(shí)的零穩(wěn)態(tài)誤差控制。文獻(xiàn)[7-9]根據(jù)準(zhǔn)諧振控制器對特定頻率諧波的無窮大增益的特點(diǎn)，提出了一種永磁同步電動機(jī)共模電壓抑制方法和一種永磁同步電機(jī)弱磁區(qū)電流諧波抑制方法。文獻(xiàn)[10]引入比例諧振調(diào)節(jié)器抑制雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流無速度傳感器控制中的角頻率和轉(zhuǎn)差頻率的交流脈動。

本文分析了變頻器機(jī)組并聯(lián)環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理，介紹了傳統(tǒng)VF開環(huán)控制策略和準(zhǔn)諧振控制器控制模型。針對輸出頻率時(shí)變的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器的VF開環(huán)均流控制模型 ，在變頻器機(jī)組并聯(lián)與均流控制中取得了良好的效果。

1 機(jī)組并聯(lián)電路拓?fù)渑c環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理

級聯(lián)型變頻器機(jī)組并聯(lián)電路拓?fù)淙鐖D1所示。變頻器INV1、INV2主電路輸入端并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出端經(jīng)均流電抗器并聯(lián)接電機(jī)繞組，其它主電路及控制電路相對獨(dú)立。

圖1 級聯(lián)型變流器機(jī)組并聯(lián)拓?fù)?/p>

變頻器INV1的A相電壓模型：

(1)

根據(jù)PWM調(diào)制，其中INV1輸出電壓Ua1=k1UdcA1。

則式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

同樣變頻器INV2的A相電壓模型為

(3)

式中,UdcA1、UdcA2；ia1、ia2；Ra1、Ra2；L1、L2分別為INV1與INV2對應(yīng)A相的直流電壓值、輸出電流值、線路等效電阻值、均流電抗值；Ea為電機(jī)A相輸入端電壓。

聯(lián)立式(2)和式(3)有，

(4)

由式 (4)可知，在INV1和INV2控制完全同步(k1=k2)的情況下，要實(shí)現(xiàn)ia1=ia1的均流，必須并聯(lián)變頻器主電路參數(shù)完全一致：UdcA1=UdcA2、Ra1=Ra2、L1=L2。

2 傳統(tǒng)開環(huán)控制模型

機(jī)組并聯(lián)模式下傳統(tǒng)開環(huán)控制框圖如下,通過INV1的控制器給定電壓幅值和頻率，并生成電壓實(shí)際值同步傳給INV2。

圖2 傳統(tǒng)開環(huán)控制框圖

由于實(shí)際上兩套控制系統(tǒng)的控制器無法完全同步，變頻器主電路電阻、電感、電容等參數(shù)也無法完全一致，導(dǎo)致機(jī)組并聯(lián)情況下無法通過簡單的傳統(tǒng)開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)輸出均流控制。

從式(4)可知當(dāng)UdcA1≠UdcA2、RA1≠Ra2、L1≠L2的情況下，要實(shí)現(xiàn)ia1=ia2，更好的方式是k1≠k2，即是通過合理的控制策略使兩個(gè)機(jī)組的輸出電壓各時(shí)刻不完全一致，以適應(yīng)兩個(gè)機(jī)組硬件的不一致性，從而達(dá)到并聯(lián)機(jī)組均流的目的。

3 基于準(zhǔn)諧振控制器的VF均流控制策略

3.1 準(zhǔn)諧振控制器

準(zhǔn)諧振控制器的傳遞函數(shù)為[4-5]

(5)

式中,k為積分系數(shù),ωc為截止頻率,ω0為諧振頻率。

從傳遞函數(shù)上看，準(zhǔn)諧振控制器與帶通濾波器一致，在諧振頻率ω0處增益無窮大，因此只對諧振頻率處的信號起作用，而對其他頻率的信號有很強(qiáng)的衰減作用，使與諧振頻率具有相同頻率的正弦信號實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制[4-7]。利用這一特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)諧振電流控器，以INV1電流為給定量，使INV2電流零穩(wěn)態(tài)誤跟隨INV1的電流，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)組的均流控制。其中通過選擇合適的ωc可以減少準(zhǔn)諧振控制器對信號頻率變化的敏感度，提高控制性能。

準(zhǔn)諧振電流控器模型如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)諧振電流控器模型

3.2 其于頻率自適應(yīng)的準(zhǔn)諧振控制器設(shè)計(jì)

與并網(wǎng)型變流器的網(wǎng)側(cè)控制其輸出頻率固定不同，機(jī)組并聯(lián)控制電機(jī)負(fù)載其輸出頻率是時(shí)變的，因此輸出電流諧振點(diǎn)也是時(shí)變的，為諧振控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難。本文采用基于頻率自適應(yīng)策略來設(shè)計(jì)準(zhǔn)諧振控制器參數(shù)，使其適應(yīng)并聯(lián)機(jī)組輸出全頻率范圍的均流控制。

為獲得更好的控制性能，對頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，圖4～圖6 給出不同參數(shù)下的準(zhǔn)諧振控制器性能指標(biāo)對比。

圖4中給出了積分系數(shù)k為300、600、1000情況下的波特圖；圖5中給出了截止頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz情況下的波特圖，從中可以看到控制器增益與積分系數(shù)成正比?？刂破鞯膸掚S著截止頻率的增加而變寬，但同時(shí)控制器增益也有一定降低。同時(shí)，相同的控制器參數(shù)針對不同的諧振頻率控制效果也一定差異。積分系數(shù)、截止頻率與對應(yīng)的諧振頻率存在最優(yōu)的配置。圖6給出了頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器在10 Hz、30 Hz、50 Hz頻率點(diǎn)處的波特圖，從圖中可以看到經(jīng)過合理參數(shù)配置可以達(dá)到控制器對于不同諧振頻率點(diǎn)的控制效果基本一致。

圖4 不同k參數(shù)的波特圖

圖5 不同截止頻率的波特圖

圖6 不同諧振頻率的波特圖

3.3 其于頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器的VF開環(huán)均流控制策略

結(jié)合頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器基本原因，構(gòu)建了一種新型基于頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器的機(jī)組并聯(lián)VF開環(huán)均流控制策略，控制框圖如圖7所示?？刂破魍ㄟ^頻率自適應(yīng)策略動態(tài)識別主機(jī)INV1的電流頻率與幅值大小，主機(jī)INV1與從機(jī)INV2的電流誤差通過準(zhǔn)諧振控制器實(shí)時(shí)補(bǔ)償INV2的電壓給定，實(shí)現(xiàn)INV2的電流零穩(wěn)態(tài)誤差跟隨INV1電流大小。

圖7 新VF開環(huán)均流控制框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證方法的實(shí)用性與有效性，在大功率級聯(lián)型高壓變頻器機(jī)組并聯(lián)電源試驗(yàn)臺上進(jìn)行驗(yàn)證。其中變頻器主控制芯片TMS320F2812、額定電壓10 kV，額定容量2.5 MVA；負(fù)載為異步電機(jī),額定電壓10 kV,額定功率2.5 MW,額定頻率50 Hz。

圖8給出了傳統(tǒng)VF開環(huán)控制策略下并聯(lián)機(jī)組的電流均流情況，從波形上看均流特性較差，從電流FFT分析能明顯看到各個(gè)頻率的兩個(gè)機(jī)組的電流均有較大差異。

圖8 傳統(tǒng)VF開環(huán)均流控制

圖9中給出了新型開環(huán)控制策略下，并聯(lián)機(jī)組的均流波形，從圖9(a)中可以看到兩個(gè)機(jī)組a相電流ia1、ia2基本重合，從機(jī)INV2電流均能準(zhǔn)確跟隨主機(jī)INV1的電流，正弦度高，均流特性很好。從圖9(b)中也可以看到諧振頻率50 Hz處ia1、ia2是完全重合的，其它頻率點(diǎn)處的重合度也比較高，說明準(zhǔn)諧振控制器參數(shù)合理，很好的實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)組的均流控制。

圖9 新型VF開環(huán)均流控制波形

圖10中給出了新型開環(huán)控制策略在疊頻控制模式下的均流波形。從波形中可以看到電流波形中除了主頻50Hz外還同時(shí)存在一個(gè)40Hz為頻率幅電流，從電流FFT分析中可以看到在無論在主頻50Hz還是在幅頻40Hz處，從機(jī)INV2電流均能跟隨主機(jī)INV1的電流，均流特性很好。說明基于頻率自適應(yīng)準(zhǔn)諧振控制器通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)不僅可以用于并聯(lián)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)正弦量的均流控制，還可以用于非標(biāo)準(zhǔn)正弦量的均流控制。

圖10 新型VF開環(huán)均流控制疊頻波形

5 結(jié) 語

為了保留通用性很強(qiáng)的VF開環(huán)控制算法在機(jī)組并聯(lián)均流控制上的應(yīng)用，本文結(jié)合準(zhǔn)諧振控制器的原理、特點(diǎn)，以及電機(jī)控制輸出頻率時(shí)變的特點(diǎn)，提出了一種基于頻率自適應(yīng)的準(zhǔn)諧振控制器應(yīng)于機(jī)組并聯(lián)VF開環(huán)均流控制。通過理論分析及仿真研究合理設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，并在實(shí)際機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明新的控制策略能能很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)組并聯(lián)情況下的VF開環(huán)均流控制。在實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)組均流控制的同時(shí)保留了VF開環(huán)控制算法的優(yōu)勢。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也證明了新控制策略不僅用于標(biāo)準(zhǔn)正弦量的均流控制，還適應(yīng)于非標(biāo)準(zhǔn)正弦量的控制。在變頻器朝大功率及特大功率發(fā)展過程中，對通過機(jī)組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)機(jī)組擴(kuò)容的方案具有較強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。