一種適用于級(jí)聯(lián)式高壓變頻器老化測(cè)試的平臺(tái)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： 級(jí)聯(lián)式高壓變頻器 老化測(cè)試

摘要：本文從并網(wǎng)技術(shù)出發(fā)，對(duì)鎖相環(huán)技術(shù)、SVPWM技術(shù)等進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種適用于級(jí)聯(lián)式高壓變頻器老化測(cè)試的平臺(tái)，并通過(guò)了廠內(nèi)不同等級(jí)、不同容量段的老化測(cè)試，性能良好，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

  隨著電力電子元器件的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外高壓變頻器正朝著小型化、大容量化方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外知名的高壓變頻器廠家其容量均已做到10MW以上，甚至達(dá)到20MW。但是，大容量高壓變頻器在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)容易出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程比較復(fù)雜，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試到正常投運(yùn)，周期往往較長(zhǎng)。造成此現(xiàn)象的一個(gè)關(guān)鍵原因就是高壓變頻器出廠時(shí)不能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的額定電流下的穩(wěn)定運(yùn)行即老化測(cè)試。在高壓變頻器行業(yè)內(nèi)，整機(jī)老化的方式主要是直接帶電機(jī)和能量回饋兩種。考慮成本以及兼容性等問(wèn)題，廠內(nèi)測(cè)試的電機(jī)容量往往有限，所以，直接帶電機(jī)的方式僅適合于電流較小的場(chǎng)合，一般不超過(guò)100A。而能量回饋的方式需要一臺(tái)大容量的四象限變頻器將電能回饋到電網(wǎng)；此種方式雖然將能量回饋到電網(wǎng)，但是試驗(yàn)成本高，性能穩(wěn)定性不高，且損耗高，不經(jīng)濟(jì)。

  目前，高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是級(jí)聯(lián)式，由不同級(jí)數(shù)的低壓模塊串聯(lián)組合成高壓系統(tǒng)。6kV電壓等級(jí)下分別有5級(jí)和6級(jí)；10kV電壓等級(jí)分布有8級(jí)和9級(jí)。故后續(xù)所說(shuō)的高壓變頻器或者變頻器均是指級(jí)聯(lián)式高壓變頻器。通過(guò)對(duì)變頻器的拓?fù)浼肮ぷ髟淼姆治觯Y(jié)合光伏逆變器并網(wǎng)控制策略，在對(duì)原有變頻器不改動(dòng)的情況下，成功設(shè)計(jì)大容量變頻器的老化測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證。在老化測(cè)試平臺(tái)中，變頻器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，故在變頻器和廠內(nèi)電網(wǎng)之間需要加電抗裝置，用于平衡高壓電頻器與電網(wǎng)之間的電壓壓降。電壓、電流的采樣點(diǎn)仍與變頻器的一致，分別位于變頻器的進(jìn)線端及輸出端。

  整個(gè)控制系統(tǒng)基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將變頻器的輸出交流量轉(zhuǎn)化為直流量，便于PI調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)主要包括鎖相環(huán)和SVPWM（空間矢量脈寬調(diào)制）等模塊，其核心是鎖相環(huán)。由于電網(wǎng)側(cè)電壓存在三相電壓不平衡以及諧波的情況，鎖相原理如下：三相電壓傳感器采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)等量3s/2r變換（三相靜止坐標(biāo)系abc變換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq）得到電網(wǎng)電壓正序分量和負(fù)序分量；由于采樣誤差以及噪聲的影響，需要對(duì)正序分量通過(guò)一階低通濾波器濾掉交流噪聲的處理，從而得到網(wǎng)側(cè)電壓的正序分量?？紤]模塊的通用性和控制的穩(wěn)定性，將正序分量進(jìn)行標(biāo)幺化處理。當(dāng)鎖相角度與電網(wǎng)電壓相位同步時(shí)，q軸分量為0。故將0作為給定量，q軸分量作為反饋量，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到角頻率的誤差信號(hào)，再考慮理論角頻率的前饋?zhàn)饔?，即得到網(wǎng)側(cè)電壓的實(shí)際角頻率，角頻率經(jīng)過(guò)一階積分環(huán)節(jié)即得到電網(wǎng)電壓的相位。鎖相環(huán)的正確與否決定了變頻器輸出電壓、電流的方向是否與電網(wǎng)的一致，也是決定試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵一環(huán)。

  另一個(gè)核心的模塊就是SVPWM。為提高直流利用率，減少開(kāi)關(guān)次數(shù)，采用改進(jìn)型SVPWM調(diào)制。傳統(tǒng)SVPWM是根據(jù)二相靜止坐標(biāo)系下電壓分量合成空間電壓矢量指令，根據(jù)空間電壓矢量處于不同的區(qū)間，輸出功率開(kāi)關(guān)電路中三相模塊的PWM導(dǎo)通信號(hào)，使實(shí)際的空間電壓矢量盡可能逼近指令電壓矢量，以達(dá)到電流控制的目的。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，控制開(kāi)關(guān)管側(cè)的輸出電流。但上述SVPWM是基于三相半橋、單級(jí)模塊系統(tǒng)，而級(jí)聯(lián)式高壓變頻器是有不同級(jí)的全橋模塊串聯(lián)組成的高壓系統(tǒng)，所以需要對(duì)SVPWM進(jìn)行改造。此控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式如下：①先將級(jí)聯(lián)式高壓變頻器的第一級(jí)作為基準(zhǔn)，全橋模塊分為兩個(gè)半橋系統(tǒng)，分為左半橋和右半橋。而左半橋和右半橋采用導(dǎo)通信號(hào)互補(bǔ)的方式，即只需要考慮半橋即可，這樣就與二電平SVPWM方式一致。此作為級(jí)聯(lián)式模塊的基準(zhǔn)PWM信號(hào)，在DSP中實(shí)現(xiàn)；②由于級(jí)聯(lián)式高壓變頻器的級(jí)數(shù)不定，且通常都采用移相載波的方式對(duì)不同級(jí)數(shù)的模塊導(dǎo)通信號(hào)處理。設(shè)模塊的級(jí)數(shù)為n，移相角度則為pi/n；由DSP設(shè)定模塊級(jí)數(shù)及載波頻率， FPGA根據(jù)實(shí)際需要對(duì)載波進(jìn)行相應(yīng)的移相，生成適用于級(jí)聯(lián)式高壓變頻器的SVPWM。

另外，為了更快響應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓變化，降低起動(dòng)沖擊電流，控制系統(tǒng)中采用網(wǎng)側(cè)電壓前饋的方式，很好地實(shí)現(xiàn)小電流無(wú)沖擊并網(wǎng)。

  依據(jù)上述控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)式高壓變頻器老化測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并順利通過(guò)了6kV、10kV不同級(jí)數(shù)、不同容量段的全功率測(cè)試，性能良好。變頻器老化平臺(tái)的設(shè)計(jì)成功，能為變頻器的出廠品質(zhì)保駕護(hù)航，大大提高了公司產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，降低了產(chǎn)品在工程現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試時(shí)間以及故障率。同時(shí)，老化測(cè)試平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)損耗低，可以在以后產(chǎn)品中大規(guī)模使用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。