應(yīng)用于電廠鼓風(fēng)機變頻運行的MMC控制技術(shù)研究

寧凌云（國電益陽發(fā)電有限公司，湖南益陽413000）

應(yīng)用于電廠鼓風(fēng)機變頻運行的MMC控制技術(shù)研究

寧凌云
（國電益陽發(fā)電有限公司，湖南益陽413000）

鼓風(fēng)機是發(fā)電廠鍋爐的重要輔助設(shè)備，采用高壓變頻器對鼓風(fēng)機進行變頻調(diào)速能夠極大提高效率，減小損耗。對一種基于MMC的高壓變頻器結(jié)構(gòu)進行研究，提出了相應(yīng)的控制策略，并對提出的控制策略進行了仿真和實驗研究，仿真和實驗結(jié)果驗證了所提出控制策略的正確性和實用性。

高壓變頻；鼓風(fēng)機；模塊化多電平

1　引言

火電廠中鍋爐是非常重要的設(shè)備，為了使鍋爐正常燃燒，鼓風(fēng)機起到了非常重要的輔助作用。通常情況下，火電廠的廠用電率達到8%－10%左右，而其中的風(fēng)機耗電量達到30%左右，可見，提高風(fēng)機的利用效率，降低損耗會對電廠的節(jié)能起到重要作用［1］。傳統(tǒng)方法是通過調(diào)節(jié)擋板來控制風(fēng)量，由于電機的輸出功率保持不變，這種調(diào)節(jié)方法必然造成風(fēng)機的效率偏低，很大一部分能量會被浪費，造成風(fēng)機發(fā)熱嚴(yán)重，并且還會對風(fēng)機、擋板和風(fēng)道產(chǎn)生磨損等。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，大功率的高壓變頻技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。通過對電廠鼓風(fēng)機改造，采用高壓變頻設(shè)備調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，實時調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，能夠極大降低設(shè)備的損耗，也使得設(shè)備的檢修成本大大降低，因此，對電廠鼓風(fēng)機進行改造極有必要。

在我國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高壓變頻器從2004年以來，每年均有超過40%的增長率，由此可見，我國市場對高壓變頻器的需求量非常大。目前，高壓變頻器結(jié)構(gòu)主要是采用移相變壓器與后級多個整流逆變子單元構(gòu)成，前級移相變壓器的使用導(dǎo)致高壓變頻器體積龐大，成本也較高。因此，對于高壓變頻器結(jié)構(gòu)的改造仍需進一步研究。基于模塊化多電平（MMC）結(jié)構(gòu)的變流器是目前研究的熱點之一，由于其結(jié)構(gòu)新穎，高度模塊化，電平數(shù)拓展方便，輸出性能優(yōu)異等優(yōu)點，在直流輸電領(lǐng)域和電氣節(jié)能領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用［2－5］。

本文對基于MMC的高壓變頻器的結(jié)構(gòu)及其控制策略進行研究。其采用前級整流結(jié)合后級逆變的兩級結(jié)構(gòu)，并且前后級均采用MMC結(jié)構(gòu)。其與傳統(tǒng)高壓變頻器相比，省略了前級的移相變壓器，能夠有效縮減變頻器體積，并且變頻器整流側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運行，輸出諧波小，功率因數(shù)高，后級能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的平滑調(diào)速。本文分別對變頻器前級和后級的控制策略進行研究，并搭建仿真實驗平臺對整個系統(tǒng)進行分析和驗證。

2　MMC型高壓變頻器工作原理

基于MMC的高壓變頻器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其分別由交流側(cè)系統(tǒng)、整流器MMC1、逆變器MMC2和鼓風(fēng)機構(gòu)成。整流器和逆變器均采用MMC結(jié)構(gòu)，構(gòu)成背靠背系統(tǒng)，MMC采用子模塊級聯(lián)方式，具有高度模塊化特點，非常易于拓展電平數(shù)，滿足各種高壓變頻電壓等級的要求。整流側(cè)和逆變側(cè)可以采用完全相同的子模塊設(shè)計，對于處理系統(tǒng)故障和子模塊故障及更換提供了很大的便利。相比于傳統(tǒng)級聯(lián)型結(jié)構(gòu)，省去了前級體積龐大的移相變壓器，能夠極大縮小變頻器體積和成本，并且具有易于實現(xiàn)四象限運行，功率因數(shù)高等特點，具有很好的工程應(yīng)用價值。

圖1　基于MMC的高壓變頻器基本結(jié)構(gòu)

圖2　模塊化多電平換流器（MMC）基本結(jié)構(gòu)

其中，三相MMC的拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示［6－7］，其中isa、isb和isc為MMC三相輸出電流，usa、usb和usc為MMC交流側(cè)輸出電壓，ipa、ipb和ipc表示上橋臂電流，ina、inb和inc表示下橋臂電流，upa、upb和upc表示三相上橋臂輸出電壓，una、unb和unc表示三相下橋臂輸出電壓，Udc表示直流側(cè)正負(fù)極母線電壓，idc表示直流側(cè)電流，L為橋臂電抗器，R為橋臂等效電阻，O點表示系統(tǒng)中性點。橋臂上子模塊為半H橋結(jié)構(gòu)，能夠輸出兩種電平。

3　控制策略

3.1整流側(cè)MMC1控制策略

整流側(cè)MMC1為高壓變頻器的前級部分，主要作用是為了產(chǎn)生一個穩(wěn)定的直流側(cè)電壓，為后級逆變器提供直流電壓支撐。整流側(cè)MMC1能夠?qū)崿F(xiàn)在PQ平面上四個象限獨立控制有功功率和無功功率，并且當(dāng)電平數(shù)達到一定水平時，MMC輸出諧波畸變率很小，不僅不會對所連接的交流系統(tǒng)造成不良影響，還能夠在必要時提供一定的無功補償。為了實現(xiàn)以上功能，設(shè)計采用dq坐標(biāo)系下有功和無功解耦控制策略對整流側(cè)MMC1進行控制。

根據(jù)三相MMC等效模型，由基爾霍夫定律可以得到（x＝a，b，c）：

其中：uex＝（unx－upx）／2，將uex定義為內(nèi)部電動勢，即相當(dāng)于逆變器輸出電壓經(jīng)過橋臂電抗器之后的電壓。由式（1）可知，通過控制內(nèi)部電動勢uex，能夠?qū)崿F(xiàn)對MMC交流側(cè)輸出電壓和電流的控制。將式（1）變換到dq坐標(biāo)系下，可得系統(tǒng)對應(yīng)兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的低頻動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

通過（2）式得到MMC電流內(nèi)環(huán)控制策略，另外，需要電壓外環(huán)提供有功和無功指令電流。整流側(cè)MMC1需要穩(wěn)定直流側(cè)電壓，電壓外環(huán)通過采樣直流側(cè)電壓與給定值做差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到有功電流給定值isdref。無功電流給定值isqref通過無功功率計算得到。然后經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)控制后得到MMC1控制信號。總體控制框圖如下圖3所示。

圖3　整流側(cè)MMC1控制框圖

3.2逆變側(cè)MMC2控制策略

逆變側(cè)直接連接鼓風(fēng)機。為了控制鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，逆變側(cè)設(shè)計采用速度外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的矢量控制策略。矢量控制的基本表達式如下：

其中：ism為定子電流勵磁分量，ist為定子電流轉(zhuǎn)矩分量，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，Lm為勵磁電感，Tr＝Lr／Rr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，p為微分算子，np為異步電機極對數(shù)，ω1為轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)角速度，ω為旋轉(zhuǎn)角速度。由公式（3）、（4）和（5）可知，矢量控制中定子電流為被控量，定子電流被分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，其中轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅受勵磁電流分量ism影響，當(dāng)勵磁電流分量ism為定值時，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr為常數(shù)。此時，電磁轉(zhuǎn)矩Te與ist完全成正比關(guān)系，無時間滯后。因此，矢量控制策略實現(xiàn)了異步電機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，具有較好的轉(zhuǎn)矩控制特性。另外，通過檢測轉(zhuǎn)差頻率確定轉(zhuǎn)子磁通的位置，通過式（5）計算轉(zhuǎn)差頻率ωs，與旋轉(zhuǎn)角速度ω相加，作為轉(zhuǎn)子磁通旋轉(zhuǎn)角速度ω1的估算值。因此，可以得到基于MMC的高壓變頻器逆變側(cè)控制框圖如圖4所示。

圖4　整流側(cè)MMC2控制框圖

由以上控制框圖可知，通過檢測電機實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)過轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩給定值Te*。由電磁轉(zhuǎn)矩給定值Te*和轉(zhuǎn)子磁通給定值ψr*計算得到定子勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量給定值，經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)器控制，得到逆變器輸出電壓參考值uea、ueb和uec，結(jié)合逆變側(cè)MMC2電壓平衡控制和橋臂環(huán)流控制［8］，最終經(jīng)過調(diào)制策略得到MMC2上子模塊開關(guān)信號。電壓平衡控制和環(huán)流控制方法與整流側(cè)MMC1相同。

4　仿真分析

為驗證本文提出的高壓變頻器結(jié)構(gòu)及其控制方法的有效性，在PSIM9.0仿真環(huán)境下，搭建了如圖1所示的三相五電平高壓變頻器仿真模型，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

整流側(cè)和逆變側(cè)采用相同的結(jié)構(gòu)，橋臂模塊數(shù)均為4個，直流側(cè)電壓為1120V，整流側(cè)連接交流電網(wǎng)，逆變側(cè)直接拖動鼓風(fēng)機，采用異步電機模擬實際中的鼓風(fēng)機。采用本文提出的控制策略分別進行控制，仿真過程為：首先整流側(cè)控制投入，使直流側(cè)電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，再使逆變側(cè)控制投入，對電機進行調(diào)速控制。具體仿真結(jié)果如下。

圖5為整流側(cè)MMC1仿真波形。MMC1的控制目標(biāo)在于直流側(cè)電壓穩(wěn)定和交流側(cè)輸出波形質(zhì)量好。由圖5（a）可以看出，直流側(cè)電壓基本恒定，電壓上下波動幅度不超過10V。由圖5（b）可以看出，交流側(cè)輸出電流正弦，畸變率低，具有很好的輸出特性，并且當(dāng)無功指令變化時，能夠輸出無功電流，而對系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響，因此，在一定情況下，還能夠起到靜止無功補償器的作用。另外，由圖5（c）可知，MMC1橋臂上的子模塊電容電壓能夠保持穩(wěn)定，波動幅度在允許范圍內(nèi)。

圖5　高壓變頻器整流側(cè)MMC1仿真波形

圖6為高壓變頻器逆變側(cè)MMC2仿真波形。逆變側(cè)MMC2主要的功能是實現(xiàn)異步電機的平滑調(diào)速。為了驗證采用控制策略的效果，在MMC2子模塊預(yù)充電完成后，使異步電機的轉(zhuǎn)速由零開始往上調(diào)節(jié)，逐漸提升到額定轉(zhuǎn)速。由圖6（a）異步電機的實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果可以看出，實際轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，能夠很好地實現(xiàn)異步電機的平滑調(diào)速。圖6（b）為MMC2交流側(cè)電流波形，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電流逐漸增大，輸出電流為正弦波形，畸變率低，具有很好的輸出特性。圖6（c）為MMC2橋臂子模塊電容電壓波形，由于電機所帶負(fù)載為流體類負(fù)載，在異步電機調(diào)速過程中，橋臂子模塊電容電壓也不會產(chǎn)生過大的波動，具有較好的穩(wěn)定效果。

圖6　高壓變頻器逆變側(cè)MMC2仿真波形

5　實驗驗證

為驗證本文理論分析及控制策略的效果，本文以圖1所示的主電路為基礎(chǔ)，搭建三相低壓MMC樣機進行研究，如圖7所示。為簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計，整流端由接有交流調(diào)壓器的三相不可控整流橋替代，主要驗證逆變側(cè)MMC驅(qū)動流體類負(fù)載的運行特性。直流側(cè)電壓為600V，模塊電容電壓設(shè)定為300V。控制系統(tǒng)采用文獻［9］中的DSP和FPGA主從結(jié)構(gòu)，控制頻率為10kHz，載波頻率為5kHz，其余參數(shù)見表2。鼓風(fēng)機額定功率為6kW，額定頻率為50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1480r／min，極對數(shù)為2，采用星型接線方式。

圖7　MMC低壓實驗平臺

圖8為MMC驅(qū)動異步電機啟動過程的記錄波形。圖8（a）為啟動過程中風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化波形，可以看出風(fēng)機轉(zhuǎn)速上升過程較為平滑，最終達到了額定轉(zhuǎn)速；圖8（b）為MMC變頻啟動過程的輸出電流波形，可見，隨著異步電機轉(zhuǎn)速的增加，輸出驅(qū)動電流逐漸增大，且輸出電流質(zhì)量畸變率變低；圖8（c）為啟動過程中MMC上橋臂模塊電容電壓波形，明顯可以看出，子模塊電容電壓的波動在5V以內(nèi)，且啟動時低頻段的電壓波動相對于額定頻率時的波動更低，說明在合適的控制下，MMC驅(qū)動風(fēng)機等流體類負(fù)載不會出現(xiàn)電壓越限的情況。

表2　仿真參數(shù)

圖8　低壓變頻驅(qū)動風(fēng)機實驗波形

6　結(jié)束語

本文通過研究基于MMC的高壓變頻器，得到以下結(jié)論：采用前級整流結(jié)合后級逆變的兩級結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)高壓變頻器相比，不需要移相變壓器，能夠有效縮減變頻器體積，并且具有四象限運行能力和輸出諧波小、功率因數(shù)高、電機平滑調(diào)速等優(yōu)點。本文分別對變頻器前級和后級的控制策略進行研究設(shè)計，并對整個系統(tǒng)進行了仿真分析和實驗驗證，結(jié)果表明基于MMC的高壓變頻器具有很好的性能，隨著數(shù)字處理技術(shù)的進一步發(fā)展，其在發(fā)電廠鼓風(fēng)機變頻調(diào)速中有望得到更廣泛的應(yīng)用。

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Research on MMC control technology applied to power plant blower frequency conversion operation

NING Ling－yun （State Grid Yiyang Power Electric Generating Company，Yiyang 413000，China）

The blower is an important auxiliary equipment of power plant boiler.The frequency conversion speed regulation of blower is greatly improved by using high voltage inverter，which can greatly improve the efficiency and reduce the loss.The high voltage inverter based on MMC is studied，the corresponding control strategy is put forward，and the proposed control strategy is verified by simulation.The simulation results verify the correctness and practicability of the proposed control strategy.

high voltage frequency conversion；blower；modular multilevel

TM621

A

1005—7277（2016）01—0016—05

寧凌云（1980－），男，湖南益陽人，助理工程師，主要研究方向為高壓變頻調(diào)速與電氣節(jié)能技術(shù)。

2015－10－30