重要异步电动机负荷的无缝供电方法研究

摘 要：为了实现电网重要异步电动机负荷的高可靠性供电要求，提出了一种利用UPS逆变器控制实现的无缝供电切换方法，该无缝供电切换方法的核心是在电网出现故障导致电动机失去主电源后，引入一逆变电源向电动机注入无功功率支撑电动机残压，以利于检同期合闸冲击电流的减少，增加备用电源的投切成功率。通过Simulink软件的仿真，验证了无缝供电切换方法的可行性，有效避免了传统后备电源切换过程中对电动机的大电流冲击。

关键词：可靠性供电;电源切换;无功功率控制;逆变电源

目前，电网中存在相当多的重要负荷，特别是钢铁、冶金、化工、煤矿等大型工矿企业对供电可靠性要求更高[1-2]。这些企业存在由异步电动机驱动的重要负荷，一旦电动机甩负荷可造成生产的重大经济损失或社会影响。

电网故障[3]是电动机停转或甩负荷的重要原因。当电网出现雷击等因素产生的短路故障时，电网电压迅速下降，电动机输入功率迅速减少，电动机依靠机械惯性驱动负荷，并向短路故障点输出短路功率，其电动机转速快速减小。若短路故障不能及时切除，电动机将很快丧失负荷的驱动能力，被迫停转或甩负荷。在短路故障切除后，电动机虽不向短路故障点输出短路功率，但电动机机械动能仍在不停地减少，若不能快速切换到后备电源，电动机也将很快停转或甩负荷。

另外，当电网出现短路故障时，特别是靠近电动机端口处出现短路故障时，电动机端口电压快速下降，使异步电动机电磁转矩快速减小，电动机转子绕组电流快速上升，若短路故障不能及时切除，电动机有被烧毁的危险。在短路故障切除后，电动机端口电压上升到电动机的残压水平，随着电动机转速的下降，电动机端口电压也下降，使电动机运行状态进一步恶化[4]。

由此可见，当电网出现短路故障时，重要异步电动机负荷要做到不停转或甩负荷，也就是做到重要异步电动机负荷的无缝供电，须有三个环节的保障。一是能快速地切除故障，文献[5]已进行了一定程度的研究，可在10ms内检测出故障;二是能快速切换到后备电源，现有快切方法可通过检同期实现后备电源的快速切换;三是在故障切除后到后备电源的切换完成之间时段，应向电动机注入一定的无功功率支撑电动机端口电压，使电动机端口电压维持在一个安全的水平，以利于检同期合闸冲击电流的减少，这一工作是本文研究的主要内容。

1 重要电动机负荷的无缝供电系统

为实现重要异步电动机负荷的无缝供电，本文构建了图1所示的重要异步电动机负荷无缝供电的系统结构，主要包括变压器、整流器及逆变电源三个部分以及相应的采样和控制单元。在正常运行情况下，主电源给电动机供电，如果主电源发生故障，则切换至备用电源。主电源和备用电源互为备用。重要异步电动机负荷无缝供电的工作方式如下：①正常运行时，主电源通过断路器DL1向负载供电，开关K3处于断开状态，断路器DL2断开，主、备两路电源向逆变电源供电，保证其高可靠性，逆变电源一直在线处于准备状态，但不输出功率。②当主电源D点发生短路故障时，经快速检测（10ms内）向DL1发出跳闸命令以切除故障，同时指令逆变电源投入运行，控制逆变电源向电动机输出无功功率，闭合开关K3。③DL1切除故障后，逆变电源向电动机注入无功功率支撑电動机端口电压，使电动机端口电压维持在一个安全的水平，等待后备电源检同期合闸。④在后备电源与电动机满足同期合闸条件后，后备电源合闸向电动机注入功率，恢复电动机到正常运行状态，同时逆变电源退出运行，断开开关K3。

2 无功功率控制算法原理

三相PWM逆变器的主电路如图2所示

图2  PWM逆变器主电路

根据文献[6]得到在dq两相旋转坐标系下，PWM逆变器的数学模型如下：（1）

将abc左边系下的三相对称量通过坐标变化到dq两相旋转坐标系下，则将三相时变正玹量变化为了两相旋转坐标系下的直流量。

忽略三相PWM逆变器自身损耗，定义逆变器输出功率为：

（2）

其中，Us为三相PWM逆变器交流侧电源的空间合成矢量，为其交流侧三相电流的合成空间矢量Is的共轭向量。三相电压和电流空间合成矢量分别被定义为：（3）

将式（3）代入式（2）可得：（4）

由于Usq=0，可得： （5）

可见，输入PWM逆变器的有功功率即为其交流侧的瞬时功率，且通过分别控制交流侧电流电压id、iq和Usd即可控制输出的有功和无功功率[7]。

通过dq坐标变换之后并采用前馈解耦之后，对整流桥的控制等效为对d轴、q轴分别进行的控制。并且由于dq解耦后控制量为直流量，因此采用PI控制可以达到无静差效果。采用直流电压反馈外环来稳定直流侧电压，并将直流电压经过PI调节器控制作为电流内环的给定信号。通过电流内环对输入侧电流的跟踪，使系统以较好的动态性能实现单位功率因数运行。

3 基于dq变换的功率控制

根据本设计的要求，采用内环电流外环功率的控制策略。d轴电流控制逆变电源有功功率的输出，q轴电流控制无功功率。以d轴为例的逆变器内环控制框图如下：

图3  d轴电流内环控制框图

有功功率跟电机转子的转速相关，因此d轴外环引入电机转速控制，以维持有功功率的平衡。引入前馈解耦后d轴双环控制框图如下：

图4  解耦后d轴双环控制框图

无功功率和母线电压相关，q轴外环引入母线电压控制，双环控制框图如5所示。

图5  解耦后q轴双环控制框图

采用双环控制策略的逆变器通过电机转子转速和母线电压外环控制并稳定逆变器输出功率，而电流内环则用于改善控制性能。在控制系统中，对d轴和q轴分别进行双闭环控制，外环控制负载侧输出功率，内环控制该轴的电流分量，改善其动态性能。d轴外环的转子转速参考值与转子转速反馈量之差通过一个PI调节器运算之后得到电流给定值，再与实际电流相比较，其结果也通过一个PI调节器进行计算实现电流的内环控制。最后，同样也通过SVPWM算法驱动开关器件得到PWM脉冲信号，即可输出所需的有功功率，q轴同理。控制系统通过四个PI控制器即可实现对逆变器的功率控制。

4 无缝供电切换方法的仿真

依据图1的负荷无缝供电系统结构，采用Simulink软件构建仿真模型，其仿真过程如下：①t=0.38s前，160kW异步电动机满负荷运行，断路器DL1闭合，断路器DL2断开，开关K3断开。②t=0.38s，D点发生故障。③t=0.39s，断路器DL1跳闸切除故障，同时逆变电源开始启动，开关K3闭合。④t=0.40s，短路故障完全切除，逆变器向电动机输出无功功率，以保证电动机端口电压不低于额定电压的70%。⑤t=0.40+Xs，电动机端口电压和备用电源电压相位一致，断路器DL2合闸（X为检同期合闸时间）。⑥t=0.40+X+0.01s，逆变电源关闭， K3断开。

图6为没有无功功率注入的电动机残压波形，图7为有无功功率注入的电动机残压波形。对比两图可以看出，无功功率注入可维持定子侧残压的幅值，有利于检同期合闸冲击电流的减少。

在断路器DL1跳闸切除故障时，电动机端口电压和备用电源电压相位相差150度的情况下，图8为没有无功功率注入的检同期合闸电流波形，图9为有无功功率注入的检同期合闸电流波形。由图8和图9看出，有无功功率注入的检同期合闸冲击电流下降约为40A，为额定电流的2.2倍，没有无功功率注入的检同期合闸冲击电流约为130A左右，为额定电流的7.2倍，可见无功功率注入对于减小检同期合闸冲击电流有明显的效果。

图6  没有無功功率注入的电动机残压波形

图7  有无功功率注入的电动机残压波形

图8  没有无功功率注入的检同期合闸电流波形图

图9  有无功功率注入的检同期合闸电流波形

5 结论

针对电网重要异步电动机负荷的高可靠性供电要求，本文提出了一种利用UPS逆变器控制实现的无缝供电切换方法，构建了无缝供电系统结构，给出了注入无功功率支撑电动机残压的算法原理，通过无缝供电切换方法的仿真结果，得到如下结论：①对于重要异步电动机负荷，在电网出现短路故障时，应快速切除故障，使电动机端口电压上升到残压。②在故障切除后到后备电源切换完成之间时段，可通过一UPS逆变器向电动机注入一定的无功功率支撑电动机端口电压，使电动机端口电压维持在一个安全的水平，以利于检同期合闸冲击电流的减少。③在后备电源与电动机残压间相位条件满足时，进行后备电源合闸，没有无功功率注入的检同期合闸电流为额定电流的7.2倍，有无功功率注入的检同期合闸电流为额定电流的2.2倍。

参考文献：

[1]史红艳，陈强，张正涛.快速切换技术在企业供电系统中应用的重要性[J].冶金动力，2011，1：11-21：

[2]刘文亮.厂用电快速切换装置的研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[3]梁振锋，索南加乐，宋国兵.输电线路自适应重合闸研究综述[J].电力系统保护与控制，2013，41（6）：140-145.

[4]高吉增，杨玉磊，崔学深.感应电动机失电残压的研究及其对重合过程的影响[J].电力系统保护与控制，2009（04）：45-48.

[5]广东电网公司东莞供电局.一种快速识别电网故障的方法，中国，201210513367.4[P].

[6]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7]廖波，晁阳，李根富.并网光伏逆变器无功控制策略[J].南方电网技术，2013.

作者简介：姚志良，1976年，男，汉族，广东东莞人，大学本科，从事配电网运维及安全管理专业。