一種帶自學習功能的DC-BANK系統投切控制策略研究

閆紅廣，姜忠山，郭 鵬

（海軍航空工程學院 山東 煙臺 264001）

在傳統DC-BANK系統中，當母線電壓跌落至閾值以下時，投切控制器發出指令，實現IGBT導通、備用蓄電池組向變頻器直流母線供電[1]，實現了“晃電”支撐。考查某型DCBANK直流不間斷電源系統，變頻器正常工作時母線電壓為537 V，該系統僅對變頻器母線電壓進行監測，并以其跌落至閾值500 V為投切條件。

針對具體的變頻器－電機系統，考查其母線電壓跌落與電網電壓存在的對應關系，發現從電網電壓發生暫降到變頻器母線電壓跌落[2-4]至投切閾值，存在一定的跌落時間。這使得傳統DC-BANK系統的投切控制器對于電壓暫降的反應存在一定延時，而采用調高閾值的方法帶來了誤投切的風險。

考慮同時監測電網電壓暫降信息及變頻器母線電壓的投切控制器設計，在不改變投切閾值的前提下，向投切控制器的決策中引入對電網電壓暫降的檢測。其中，開關投切條件為：

變頻器母線電壓跌落至閾值；

或發生的電壓暫降被CPU認定為將導致母線電壓跌落致閾值以下。

從以上的開關投切條件可以看出，當系統中變頻器直流母線電壓跌落至閾值以下，立即執行投切動作；當母線電壓未跌落至閾值，但處理器通過監測電網電壓變化，通過判斷亦可以實現提前投切。

1 控制器流程圖設計

在傳統DC-BANK投切控制器的決策中，以直流母線電壓跌落至閾值電壓以下為決定投切條件。對于具體的變頻器系統而言（容量、參數及負載等一定），變頻器母線直流電壓的跌落與電網電壓暫降相對應。本文對于控制器的改進在于加入了對電網電壓暫降檢測的考慮，即當電網電壓發生暫降，控制器判斷該暫降幅值下電壓暫降的持續時間，當認為此次暫降將導致母線電壓低于閾值電壓時，DC-BANK投切控制器可以在母線電壓未跌落至閾值電壓之前亦發生投切指令。

原則上，電網電壓、母線電壓有兩種情況：

1）電網電壓暫降導致母線電壓暫降；

2）電網電壓瞬時暫降，母線電壓未發生明顯跌落。

此處，為了增加控制器的可靠性，額外考慮第三種情況：電網電壓正常，母線電壓跌落。

圖1 投切控制流程圖Fig.1 Flow chart of switch controller

如圖1所示為改進的控制系統流程圖。由流程圖可知，控制器無論檢測到電網電壓是否發生暫降，都首先以變頻器母線電壓低于系統設定的投切閾值為投切條件，此信號由外部電壓比較器對母線電壓與閾值電壓的比較結果所得。圖3中比較器輸出信號為低電平時表示母線電壓高于閾值電壓；比較器輸出信號為高電平時表示母線電壓低于閾值電壓。比較器輸出送CPU并與CPU的IGBT控制信號相或后接驅動。

控制器中預設電壓暫降幅值pu時，對應該幅值的容許的最大暫降持續時間為t＜T（pu），暫降幅值精確到10%。

對于母線電壓未跌落至投切閾值但電網電壓發生暫降的情況，CPU通過判斷電壓暫降持續的時間來判斷該次暫降是否將導致Udc＜Uk，進行決定是否在母線電壓未跌落至閾值之前執行投切動作。具體為：

當檢測到電網電壓發生暫降，CPU迅速確定電壓暫降幅值pu，并記錄暫降持續時間并與系統預設的對應幅值電壓暫降最大容許時間比較，若暫降持續時間超過控制器預設的該幅值暫降的最大容許時間，即t＞T（pu），在母線電壓未跌落至閾值時亦執行投切動作；若在t＜T（pu）某時刻，母線電壓跌落至閾值電壓，立即執行投切動作。此時CPU自動重設該次暫降對應幅值所對應的 T（pu），即 T（pu）=t－t0，其中，T（pu）＞0，t0為校正時間。

由流程例如可知，當電壓未發生暫降，或電壓發生暫降但母線電壓正常時，開關始終處于斷開狀態。對于開關投切后電網電壓恢復正常后的開關斷開控制，由流程圖可知，開關閉合后，延時1 s對電網電壓及母線電壓進行檢測，確定兩處電壓均恢復正常時才執行斷開動作，否則開關繼續為閉合狀態。由于控制器中的暫降容許時間有自學習功能，故設置時不必提前對系統進行專門的測試。如設置檢測到的暫降電壓幅值 pu 精確到 0.1，T（0.1）及以下為 10 ms，T（0.1）～T（0.9）為 40 ms，T（0.9）以上為 10 s。

2 控制器功能模擬

在simulink環境下，仿真分析基于壓差比較的投切控制器[5－6]與帶自學習和電網電壓監測功能的投切控制器的功能異同。

圖2 改進的投切控制器模塊Fig.2 Module of promoed switch controller

在圖2的控制器模塊中，電網電壓發生暫降時，經dq分析得到暫降幅值pu。CPU啟動計時并與系統預設的對應T（pu）相比較，控制K值。clear模塊在電網恢復時及時將控制字K改寫為0，而由于預設了退出支撐的1 s延時，故此處改寫K＝0后，IGBT開關并不立即斷開。delay模塊旨在使控制器在變頻器穩定工作后才開始對母線電壓的檢測，否則開機瞬間即執行投切動作。

對控制器進行功能性仿真，設定電容C1為0.1 F，電機為110 kW三相異步電動機，負載轉矩設置為100 N·m。由于電機容量較大，電機啟動緩慢，在約1.2 s達到穩定工作狀態，因此設定電壓暫降發生在1.5 s時刻，持續0.2 s至1.7 s時刻電網電壓恢復正常。

可以預見，傳統基于壓差的投切控制器將在1.5 s以后的某個時刻（此時Udc＜Uk=500 V）執行投切動作。由于電網在1.7 s時刻恢復正常，則系統在2.7 s時刻斷開IGBT。

注：控制器仿真模型中包含退出投切時的1s延時模塊，但未包含對T(pu)的改寫設計。延時及改寫的具體實現方法詳見圖1流程圖及投切控制器程序。

如圖3所示，傳統DC－BANK系統中投切控制器由壓差比較器、“市電好”檢測模塊和斷開延時模塊構成。當壓差比較器檢測到母線電壓跌落至閾值以下，立即執行投切動作。當檢測到市電恢復正常，壓差比較器輸出斷開指令，但在延時模塊控制下，延時1 s才斷開IGBT。

由控制器原理可知，壓差控制器發出投切命令后，IGBT至少保持1 s閉合狀態。而市電恢復正常后才開始斷開IGBT前的1 s延時。simulink仿真中可以通過這兩個時間下的控制字“相或”來實現。

圖3 傳統投切控制器功能仿真框圖Fig.3 Simulation block of promoted switch controller

圖4 變頻器母線電壓Fig.4 Bus voltage of VFD

圖5 電機C相相電流與轉矩特性曲線Fig.5 Cphase current waveeform and torque curve of motor

從圖4中可以看出，電網電壓在1.5 s發生暫降，在約1.61 s時刻跌落至500 V，投切控制器發出投切指令，蓄電池組輸出530 V直流電壓經由IGBT開關向直流母線供電。電網在1.7 s時刻恢復正常，但開關IGBT仍未斷開，2.7 s時刻蓄電池組退出支撐。

由圖5電機C相相電流與電機轉矩特性變化可以看出，傳統DC-BANK系統中，投切控制器在電壓跌落至閾值時刻投切，對于電機來說相當于重啟階段，因而電流變化巨大，變化幅度與投切壓差成正比。因此，提高控制器對于電壓暫降的反應速度、減小投切壓差可以減小投切動作對于電機的影響。

如圖6是改進的投切控制器進行功能性仿真模型。控制器由電網電壓智能監測模塊、母線電壓監測模塊和延時模塊組成。電網電壓智能監測模塊不同于“市電好”檢測模塊之處在于：“市電好”檢測模塊僅向控制器提供退出支撐的時間參考，不直接控制IGBT的導通或關斷。電網電壓智能監測模塊對電網電壓進行AD采樣后，通過dq算法得到電壓暫降的幅值，與該幅值下對應的電壓暫降最大容許時間相比較，可直接執行投切動作，該模塊同時具有“市電好”檢測功能。

從圖7變頻器母線電壓波形、圖8電機相電流波形和轉矩特性曲線可以看出，改進的控制器使得電壓暫降和DCBANK系統的投切支撐期間，電機工作狀態受到的影響更小。

3 結 論

從仿真結果中可以看出，對電網電壓的智能監測使得控制器可以預判變頻器母線電壓的跌落，從而在電壓暫降持續時間超過T（pu）時（母線電壓跌落至閾值之前）執行投切動作。從自學習投切控制器的原理設計中可以知道，該控制器的反應時間總優于傳統壓差控制器。新型帶自學習功能的DC-BANK系統投切控制器不再局限于單純依靠對母線電壓中東的檢測，對電壓暫降反應更快。基于該控制器對于母線電壓跌落的預判和近壓投切能減小固定壓差投切對于電機系統正常工作的影響，有利于系統的持續穩定工作，適用于對電能質量要求更高的變頻器系統抗“晃電”改造。

圖6 改進的投切控制器仿真模塊Fig.6 Simulation module of promoted switch controller

圖7 變頻器母線電壓波形Fig.7 Bus voltage waveforrm of VFD

圖8 電機C相相電流與轉矩特性曲線Fig.8 Cphase current waveeform and torque curve of motor

[1]賈彬，陳澤.一種新型不間斷電源 [J].電源技術應用，2005（10）:43-46.JIA Bin，CHENZe.A new type uninterruptible power supply system[J].Power Supply Technologies and Applications，2005（10）:43-46.

[2]Li Y，FAN G，Li Q，et al.The impact of dabancheng wind farm integration on power quality of Xinjiang power grid[J].Power System Technology，2007（6）:20.

[3]Zhan Y，Guo Y，Zhu J，et al.Intelligent uninterruptible power supply system with back-up fuel cell/battery hybrid power source[J].Journal of Power Sources，2008，179（2）:745-753.

[4]Langer D R，Messer G J.Uninterrupted Power Supply（UPS） system interfacing with communications network:U.S.Patent 5，381，554[P].1995-1-10.

[5]張瀚文，周艷，孟國營.基于 DS2438的智能直流不間斷電源[J].電子世界，2013（5）:72-74.ZHANG Han-wen， ZHOU Yan， MENG Guo-ying.DC uninterruptible power supply system based on DS2438[J].Electronic World， 2013 （5）:72-74.

[6]Simonelli J M，Klikic D，Ingemi M J，et al.Method and apparatus for providing uninterruptible power using a power controller and a redundant power controller:U.S.Patent 5，982，652[P].1999-11-9.