静止变频器分阶段启动控制策略

林丽

（沈阳广播电视大学 辽宁省沈阳市 110003）

在电力领域中开始迅速普及和应用抽水蓄能机组，这是因为该类机组能够迅速响应控制指令，工作人员可按照工作需要来对抽水蓄能机组进行灵活启停。就目前来看，抽水蓄能机组已成为电力领域中常用的调频机组与紧急事故备用机组。工作人员可以借助于抽水蓄能机组所具有的出色储能特性，使电网用电高峰和低谷之间的差距得到有效缩小，进而达到削峰填谷目的。不过，因抽水蓄能机组在运行过程中会产生较大的转动惯量，而且启动一瞬间的电流强度非常大，因此为了确保抽水蓄能机组得以平稳启动，就需要对其启动电流进行控制，这也是应用抽水蓄能机组过程中迫切需要解决的重要问题。

1 静止变频器的运行原理分析

在同步电机启动过程中，当采用变频启动方式时则需借助于静止变频器来完成启动功能。静止变频器内的主电路由电流型逆变电路与晶闸管整流电路两部分组成，此外整个系统中还要配置相应的同步电机与输入变压器。同步电机在利用静止变频器进行控制时，需要分别检测转子位置与同步相位，此外还要确保静止变频器中的电流型逆变电路及整流电路处于触发状态。在描述静止变频器中直流电和交流电在电压、电流方面的内在关系时，需要在变压器二次侧中对变压器漏感进行相应的折算，以此便可得出具体的关系描述公式，即：

在上述关系描述公式中，三相交流系统的输入相电压有效值可由Ur来进行表示，对于静止变频器主电路中的晶闸管整流电路来说，其输出的直流电实际电压值则可由Udr来进行表示。在主电路中晶闸管逆变电路处于触发状态下，则其直流电在输入时的实际电压值则由Udi 来进行表示。三相交流输出相中的实际电压值则由Ui进行表示，其指的是同步电机的机端电压。对于电抗器Ls 来说，其电感及电阻则分别由Ldc与Rdc进行表示。除此之外，变压器在运行过程中的变比由k 进行表示，而换相重叠角和延迟触发角则分别由μi与α 进行表示。在对电流型逆变电路在触发过程中的换相过程进行了解以后，可以确定的是，在独立的工作周期中，该工作周期时间由T 来表示，则桥臂导通所花费的时间可达到整个工作周期时间的三分之一，即T/3，而电流在晶闸管中开通的时间间隔则为整个工作周期时间的六分之一，即T/6。通过分析同步电机在启动时的稳态相量，可以知道电压相位是落后于电流相位的，这使得反向电压能够在电流型逆变电路被触发的状态下产生，从而使晶闸管具备能量来进行关断。在三相同步电动机，可利用以下方程式来描述电动机在运行过程中的实际电磁输出功率与转子实际转速、摩擦系统与转动惯量之间的内在关系，即：

在上述方程式中，同步电动机在启动时产生的实际电磁功率及励磁电压分别由Pem与Eq来进行表示，而其电磁及机械转矩则由Tem和Ti来表示。在同步电动机中，转子的实际转速、摩擦系数以及转动惯量则分别由ωr、D 和J 来进行表示。

2 静止变频器的分阶段启动控制策略与相关参数

2.1 静止变频器分阶段启动控制策略

工作人员在启动同步电机时，需要采取静止变频器来实施分阶段控制，在此过程中通过触发后级电流型逆变电路来达到稳频控制目的。具体控制阶段包括两个，分别是低速阶段与高速阶段。在低速阶段中，通过断续换相法来控制转子转速，使其经过拖动后的实际转速能够达到额定转速的10%，而在高速阶段中，则需通过自然换相法来控制转子转速，以使其经过拖动后的实际转速超过额定转速，超出比例可达到105%以上。在静止变频器中，其逆变电路在控制过程中会以电机反电动势相位或者转子的实际位置来对导通信号进行确定，这样无论是在哪个时间段，相比于励磁电动势相位，电枢电流相位都是处于超前的，从而有效防止了同步电机在启动时出现失步运行问题。当电机处于低速运行状态时，其机端电压较弱，而且在负载换相过程中的难度很大，为了解决这一问题，便需要通过断续换流法来解决。要想使转矩得到最大程度的提升，就需要确保初始导通的β0值为0。对于自然换相来说，其又被叫做负载换相。根据a 相反电动势最大时可确定出转子位置的角起始参考值，所以在高速阶段中要想避免电流型逆变电路产生换相失败问题，便需要将空载超前换流角β0设置成60 度。

在低速阶段中，如果对速度外环、电流内环进行应用，以使其形成双闭环来对整流电路导通进行控制，考虑到同步电机的转速和标准化的转速参考值有着很大差距，而且直流电流的连续性较弱，这便会导致整流电路中的延迟触发角α 出现剧烈变化，从而影响到控制稳定性。因此在本文中需要通过整流电路触发角来实施开环控制，在此过程中需要对α 的初始值进行设置，以确保系统对电磁转矩的实际输出值能够超过负载转矩并且还要对直流电流进行设置，以防止设备出现损坏。

在上述公式中便明确描述了电磁转矩实际输出值要比负载转矩大，其中整流电路初始导通角；I dmin 为使同步电机转动过程中，其直流电的最小值由α0来表示，而同步电机在启动时所设置的电流限值则由Idmax来表示。

当同步电机的转速增加时，也会使转子产生更大的摩擦力矩，要想提高转速稳定性，就必须要确保静止变频器的输出功率足够大，而且还要增加整流电路中的输入功率。在高速阶段中，静止变频器中的前级整流电路在导通晶闸管时采取双闭环控制策略，也就是电流内环与速度外环。其中，速度外环能够确保同步电机在运行过程中的实际速度在控制过程中始终接近于额定转速，而对于电流内环来说，则可使闭环调节变得更加快速、便捷。

2.2 静止变频器中的控制参数设计

2.2.1 低速阶段

对于静止变频器来说，当转子处于低速运行阶段时，其内部整流电路会通过开环控制方式来确保电机运行过程中的电磁转矩始终保持充足，以确保上升率能够稳定提高。在低速阶段中，变频器中的电流型逆变电路通过应用断续换相法，来提高直流电流强度和稳定性，通过前馈与反馈相结合的控制方法来实现电流逆变器对回路电流的控制。

在上述公式中，某时间段为t，则该时间段中的前馈及反馈产生的控制量分别由Cfw(t)与Cfb(t)进行表示。

在设置前馈控制量时，需将其初始值Cinit 设置为0，前馈控制器参数则由Kfwi表示，在控制器中设置的计算周期由Δiupl表示，反馈控制器中的设置参数由Kfbp表示，电流变化量由ΔT 表示，该时间段中直流电实际测量值和参考值之间的偏差由Δi(t)表示。以控制指标为依据，在采用断续换相法时，该方法的持续时间为TD，以电流型逆变电路切换成自然换相法以后，其超前导通角由Cfw(TD)来表示，一般而言，该导通角的值设定为60°。利用控制器运算可对周期ΔT 进行计算，前馈控制器的输入值Δipul 的取值范围则为0.1～0.2，对相应的前馈控制输入量Δipul进行合理选择，则可以得出前馈控制器的参数Kfwi，即：以启动同步电机的电流限定值及其超前导通角最大值为依据，便可对反馈控制器的参数进行确定。

2.2.2 高速阶段

在高速阶段中，机端电流I 的控制是采用双闭环控制器来完成的，从而实现对电机转速ωr 的控制，这样便可明确机端电流和电机转速之间的内在关系，具体公式为：

在上述公式中，电机的运行状态和CM、CR有着密切的关系，而在对同步电机进行分析时，可对其小信号模型进行提取，提取方法为线性化方法。利用小信号来分析直流回路，在此过程中需对电机转速变化进行忽略，这样便可获得输入直流电压与直流电流之间的关系式，即：

在上述公式中，系统的扰动量分别是Δωr、ΔI、ΔIdc与ΔUdr，而其则分别对应着状态量ωr、I、Idc与Udr，由此便可确定静止变频器中的传递函数。在电流内环开环传递函数中主要包括电流反馈网络传递、整流电路传递函数以及电流补偿网络，因整流电路在被触发时会有一定的延迟时间，所以可以得出整流电路的传递函数，对于电流反馈网络传递系数Hif(s)来说，则可通过一阶惯性环节进行表示，即：

在该式中的Kci 表示电流传感器产生的增益，而τif则是其时间常数。在设计电流补偿网络过程中，则需要达到三个条件，其一是要保证电流闭环能够在所有操作条件中稳定驱动；其二是依据电流参考指令或产生的扰动，要求定子电流在迅速响应过程中的超调量与阻尼量较小；其三是参考电流出现变化过程中，仅会产生较小或不会产生稳态误差。在确保系统保持良好的稳态性能时，通过比例积分控制器的应用，以使系统具备更好的动态响应性。在经典控制理论中便明确了频率ωc 中有开环传递函数得以穿越时会产生适量的相位裕度与单位增益。对于转速外环来说，其主要起到控制电机速度的作用，在该外环中则涉及到电流内环闭环传递函数、转速估计环节、同步电机传递函数以及速度补偿器，其中速度补偿器可对系统性能进行调节，从而确保其性能达到设计要求，在速度补偿器也对比例积分控制器进行了应用，并且电流内环参数以及参数设计所采用的方法是一致的。

3 仿真验证

本文利用Matlab/Simulink 仿真平台对相应的仿真模型进行了搭建，在设置同步电机参数时则参考了某水电站中的机组参数。在对传统控制策略和改进后的控制策略进行同步电机启动比较，以此测量和分析转子转速与位置，可以发现在改进后的控制策略中，通过静止变频器的控制，转子处于低速阶段时，该阶段持续了0.2s，而转子的转速从静止增加至额定转速105%的启动时间则持续了3.2s，其转速上升过程趋于线性，并且从从低速阶段至高速阶段的过渡过程只会产生很小的加速度，相当于软切换，这充分说明了改进后的控制策略在同步电机静止变频的分阶段启动控制中有着更加明显的优势。并且，通过观察直流电流波形可知，无论是在低速阶段，还是在高速阶段，转子转速上升时，其直流电流始终接近于参考值，这进一步说明采用改进后的控制策略后，同步电机系统在启动过程中的动态稳定性得到了显著提高。

4 结语

综上所述，本文分析了静止变频系统的运行原理，通过抽水蓄能机组与电流型逆变器的高效配合，以此确保负载换相的顺利实现。在此基础上，提出一种对静止变频器进行改进后的分阶段启动控制策略，以便于针对同步电机中转子的高速阶段与低速阶段来实施平稳控制，以此提高静止变频器的控制性能。通过静止变频器，可确保抽水蓄能机组在启动、调速及并网时能够全面实现自动化控制。当然，考虑到静止变频器在运行过程中会有大量谐波产生，进而影响到电网的稳定运行，所以在应用静止变频器过程中还要致力于研究更加先进的谐波抑制技术。