感应交流电机变频调速器自动化稳态控制技术

吕 强

(国能(天津)港务有限责任公司,天津 300456)

0 引言

稳态控制、变频调频、智能控制和转换调度等技术用于稳定电网线路的运行功率、电压及电流等指标的变化,达到内部运作平衡的目的。但由于设备年久失修、电路短路或外界因素影响等,当故障出现时,仅凭借人工调制手段,使感应交流电机恢复运作,已不能满足线下需求,逐步发展的变频调速器自动化稳态控制手段是目前的首选技术,效率较高且跟踪效果较好,能减少人工耗用,缩减成本,为电力建设提供重要帮助。

为此,文献[1]提出一种大容量的故障调频稳态控制技术。预先采集变电站和近区交流电网的电压变化情况,在大容量调相机的作用下,分别对变电站的工作模式以及周围交流电网的无功负载变化情况下实施独立控制。这种方式可控制电机内部参数之间相互独立,在调控单个参数时不必考虑其他参数变化情况,实现精准调控,但参数会因其他因素影响,导致算法并不能获得理想控制结果。文献[2]建立一种包含操作、数据传输和调控的稳态控制系统,采集现场数据作为系统的初始输入值,使用同步调度法对稳态和不稳态电力节点进行无功替换,解决补偿缺口完成控制。该方法通过各节点的替换补偿实现控制,整体耗用较大,运算量较高,实用价值不高。

综合上述问题,采用一种变频调速器技术,对感应交流电机进行自动化稳态控制。变频调速器装置采用频率转换的方式,根据电机的实时运行功率值,通过参数调节实现稳态控制,即内部线路出现的稳态误差变化,通过无功补偿均衡电机线路的不平衡点,使线路中所有点的运行功率保持平衡,从根源处解决不稳定问题;采用逐步自动化的控制模式,每个步骤之间的连贯性较强,逻辑表达明确,所需运算量较小,整体实用价值较高。

1 感应交流电机数学模型

为保证自动化稳态控制的精准性,减少不必要的判定误差,采集感应交流电机历史信息库数据[3],建立电机内部电力参数的动态变化数学模型,通过模型分析与求解得出电力参数跟随不同情况而出现稳态变化,为后续控制提供帮助。

以九绕组结构的感应交流电机为例,得到电机内定子[4]和转子[5]的电感应矩阵为:

Lm=L1mL3m

(1)

(2)

(3)

Lm、L1m、L3m分别为感应交流电机的磁力相互作用因子、定子和转子的运行矩阵;m为感应交流电机系数;μ0为磁导率;l为电机运行内芯长度;r为感应交流电机定子的内转直径;g为气隙间隔[6];Nc为转子绕数。

定、转子的漏感矩阵为

(4)

n为绕组系数;δ为变换系数;lδsn、lδrn分别为定子和转子的绕组漏感[7]。绕组漏感是感应交流电机运行容易出现的一种故障现象,其也是影响运行稳定性的重要因素之一。按照该点着手进行自动化稳态控制,大大降低因故障点判定失误导致的控制误差问题。根据定子侧对转子侧的互感关系θm,判定二者之间的关联度,表达矩阵为:

(5)

(6)

(7)

通过式(6)和式(7)得到对感应交流电机运行稳定性影响最大的定子和转子间关联关系,根据关联关系得到二者的互感函数为[8]

(8)

T为互感周期。通过该关系式可判定当感应交流电机中存在因绕组漏感到的稳定变化时,此时转子和定子的互感值相等,后续进行功率补偿和稳定控制时均可以此作为参照标准。

2 自动化稳态控制技术

2.1 自动化解耦控制

稳感应交流电机的自动化稳态控制过程分为2个部分,其一以控制器作为载体的自动化解耦控制[9]过程,用于根据不稳定点实现的初步自动化控制;其二是稳态无功补偿过程[10],用于平衡因故障导致功率变化不均衡问题。二者相辅相成,形成一个完整的自动化控制线路。

考虑到在实际应用中,自动化控制需要满足高效率、高精确度的需求,将稳态化控制算法输入到自动化控制解耦器中,以控制器作为应用载体,方便实际的具体应用。

设R(s)表示参考输入值;F(s)表示不稳定信号反馈;E(s)表示控制器的输出值;C(s)表示内模控制器输出值;G(s)表示传递系数[11];Gm(s)表示内模机制[12];dm(s)表示外界存在的扰动信号;Y(s)表示解耦控制器的最终输出值。

不稳定信号反馈F(s)和解耦控制器Y(s)之间的关系定义为:

(9)

Y(s)=[R(s)-F(s)]G(s)C(s)+dm(s)

(10)

若设计的解耦控制器的参数匹配精准度较高,即Gm(s)=G(s),可得到:

F(s)=dm(s)

(11)

Y(s)=

R(s)G(s)C(s)+dm(s)[1-G(s)-Gm(s)]

(12)

由式(12)可知,控制器的控制反馈信号F(s)即为扰动信号dm(s)[13],当待监测感应电机系统中存在不稳定干扰项时,可根据反馈信号进行闭环控制[14],输出信号也可直接跟踪。

按照上述控制原理,将式(11)和式(12)进行拉普拉斯变化可得

(13)

Jd、Jq分别为在感应交流电机线路的第d、q节点的跟踪电流数值;ωq为收敛域。由于ωq表现为一阶控制函数,若整个自动化控制过程不存在延时和噪声信号干扰,为了优化变频调速器参数,在此基础上,添加一个滤波器用于增强自动化的鲁棒性,表达式为:

(14)

(15)

ξ为调制系数;I为稳定电流值;J(s)为拉普拉斯系数。则内模控制器输出值C(s)′为

C(s)′=D-1(s)J(s)′

(16)

2.2 稳态无功偏差补偿

针对绕组漏感故障导致的电机运行不稳定现象,采用无功补偿的方式弥补上述解耦控制器的控制误差,通过补偿减少互感交流电机的电力减少量,在自动化控制的基础上进一步提高控制的精准性,保证控制效率和质量。设电路中的剩余滤波电容的无功补偿减少量Qu为

(17)

(18)

Qmax、Q0分别为无功补偿的最大值和额定值;k为补偿次数。补偿偏差Q1为

Q1=Qx-Qu

(19)

经过补偿后,得到稳态化控制结果,整体偏向精准稳定的自动化控制方向,不需要过多的计算步骤,求得影响稳定性的关键参数变化,可降低后续的误判次数,大大提高控制的精准性和效率;整个自动化控制过程中,不需要过多的参数求解,通过解耦控制器输入初始化参数即可完成有效控制,实用价值较高。

3 实验验证

3.1 实验背景

为验证本文提出的稳态控制技术有效性,选用永磁同步感应交流电机作为实验对象。如图1所示。

图1 实验对象

图1中,利用DLOG4软件记录电机的实时运作功率、电流和电压,并采用平台将仿真记录发送至Maple云计算软件中,实现准确精细的数据对比。

将本文方法的实验结果与大容量调相机的电力系统稳态电压协同控制法、含同步调相机的稳态控制方法进行对比分析。

3.2 稳态控制结果

通常情况下,判定感应交流电机运行是否稳定,其功率信号运行情况是最直观的判定指标之一,分别根据电机运行的电压、电流和功率3种信号的变化实现精准对比,确保实验数据的参考价值。3种方法的实验结果如图2～图4所示。

图2 基于电压判定的稳态控制结果

从图2可以看出,感应交流电机的原始运行情况稳定性表现较差,电压信号整体呈现较为混乱的分布趋势,不存在固定的规律变化,说明此时已经存在故障影响,导致电压变动紊乱,而本文方法是其中表现最佳的,电压分布较为规律没有出现过高或过低的幅值变化,说明对因稳态差导致的电压负载现象实现了有效控制;反观其他2种方法,没有对电压的高峰和低谷现象完成有效改善,实用效果不佳。

从图3可以看出,3种方法对电流的控制结果与电压存在较大的共通性,说明在感应交流电机电路中电压和电流属于共同体变化,二者之间存在一定的定向关联,其中之一发生变化都会引起另一个出现改变。对比3种方法的控制结果,除本文方法外,均存在峰值未剔、低估未补现象,控制质量整体较差。

图3 基于电流判定的稳态控制结果

从图4可以看出,基于功率控制的输出结果与电压和电流存在较大差异,因为功率是感应交流电机的综合运行结果,是电压和电流共同影响后的输出情况,根据功率可判定稳态化控制的整体情况。对比细节可发现,本文方法的功率输出结果是稳定均衡的,而其他2种方法仍然存在高峰和低谷,说明本文方法的控制效果更好。

图4 基于运行功率判定的稳态控制结果

4 结束语

本文提出了一种感应交流电机变频调速器自动化稳态控制技术,建立了感应交流电机的电力运行模型,通过内部指标和参数分析,判定其中对稳定性影响程度最高的定子和转子之间的同步关联关系,根据关系变化规律,查找影响稳定性变化的重点指标,建立解耦控制器对感应交流电机实行自动化控制后,进行无功补偿,这样连贯的自动化控制方式不仅可以提高算法的适应能力,还可以增强控制的精准性,保证质量。