靜止變頻起動器低頻階段起動控制方法的研究

邵燕秋　邵宜祥　王小紅　楊合民　簡優宗

（國網電力科學研究院，南京 211000）

靜止變頻起動器低頻階段起動控制方法的研究

邵燕秋邵宜祥王小紅楊合民簡優宗

（國網電力科學研究院，南京 211000）

目前抽水蓄能機組和燃氣輪機組一般采用靜止變頻起動方式。在靜止變頻起動的低頻階段，機端電壓很小且畸變嚴重的情況，針對這一情況，研究了一種基于機組起動恒加速度的開環控制方法。在理論分析的基礎上進行了PSCAD和RTDS仿真，并在動模實驗平臺上進行了動模實驗，證明了該方法在理論上是正確的，在工程上是可行的。

靜止變頻起動；低頻階段；恒加速度；開環控制；仿真；動模實驗

抽水蓄能機組和燃氣輪機組的起動方式是電站電氣設計時需要考慮的重要問題之一。隨著機組向大容量方向發展，傳統的電動機起動電流越來越大，會對機組和電網都造成巨大的沖擊危害，使得機組本身承受的機械沖擊、熱沖擊以及電網的瞬時電壓降都超過限度。在抽水蓄能電站及燃氣電站自動控制系統及成套設備中，靜止變頻器對于保證大型抽水蓄能機組及燃氣輪機組的快速起動和穩定運行具有重要的意義［1］。

靜止變頻起動器的負載是同步電動機，根據機端電壓頻率的不同，靜止變頻起動分為初始靜止階段、低頻階段和中高頻階段。其中低頻階段是指定子三相電壓的頻率低于0.5Hz，即轉速低于30r/min。此時轉子雖然開始轉動，但由于機端電壓非常微弱，定、轉子電流因轉子位置變化而引起的變化量非常小，無法從測量相關電氣量方面得到轉子位置信號以決定變頻器的通電方式和控制模式。低頻階段的起動控制是靜止變頻起動中的技術難點，制約著靜止變頻起動技術的發展。傳統的方法是在電動機的轉子上安裝位置傳感器，根據轉子位置決定變頻器的控制模式。但安裝位置傳感器會增加系統的復雜程度和安裝、調試及維護的工作量，降低系統的可靠性，在工作條件惡劣時更為嚴重。

1　低頻階段起動控制原理

根據轉子的運動方程：

式中，J為機組轉動慣量；rω為轉子角速度；eT為變頻器提供的驅動力矩；LT為機組阻力矩。

變頻器提供的驅動力矩表達式為

式中，eC為常數；si為定子電流，由變頻器提供，選擇合適的觸發角，可以使其為常數；Φ為轉子磁通，由勵磁系統提供的勵磁電流決定，在此轉速范圍內，Φ的幅值保持不變，所以eT在此轉速范圍內為常數。而在頻率低于0.5Hz時，可近似認為阻力矩LT為常數［2］。

從而可得式（3）至式（6）：

根據式（6），可以估算出電動機定子電壓的頻率低于0.5Hz時，不同時刻轉子的位置。而檢測出轉子位置的目的是為了確定何時給變頻器的逆變橋施加觸發脈沖，以及給哪兩個逆變橋施加觸發脈沖。而在轉子初始位置檢測結束后，已經能確定給哪兩個晶閘管發第一組觸發脈沖，而正常情況下，晶閘管的導通順序是固定的，因此在這個階段只要計算出給逆變橋施加觸發脈沖的時刻，就能步進式地使轉子轉速平滑上升［3］。這就是靜止變頻起動器在低頻階段采用的基于機組起動恒加速度的開環控制方法的原理。

2　具體實現

關于給逆變橋晶閘管施加觸發脈沖的時刻的計算方法如下。

1）逆變橋第一組觸發脈沖的確定：

圖1　低頻階段電動機角速度曲線示意圖

設在t=t0時刻，變頻器解鎖，轉子初始速度ω=ω0=0rad/s ，轉子位置為轉子靜止時的初始位置θ0，可以通過相關電氣檢測方法計算得到，因此有：θ1=θ0，然后依據使電動機在該初始位置獲得最大的起動加速度的原則給逆變橋相應的晶閘管施加觸發脈沖，驅動電動機旋轉。

2）逆變橋第二組觸發脈沖的確定：

第二組觸發脈沖的正確給定是電動機能否在低頻階段成功起動的關鍵。因為轉子初始位置的不確定性，導致第二組觸發脈沖與第一組觸發脈沖之間，轉子掃過的電角度從0°到60°都有可能。而換相時轉子電角度為60°的整數倍，因此在已知轉子初始位置時，發第二組觸發脈沖時，轉子位置角2θ可以用式（7）表示：

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式中，mod表示整除所得商的整數部分，1θ為發第一組觸發脈沖時的轉子位置角，即轉子的初始位置角，2θ為發第二組觸發脈沖時的轉子位置角。

由圖1可知三角形AOB的面積AOBS為

由式（7）和式（8）可得逆變橋第二組觸發脈沖的時刻為

3）逆變橋第三組觸發脈沖的確定：

逆變橋由第二組觸發脈沖時刻的轉子位置θ2轉過60°后，即到達第二次換相點，需要對逆變橋發第三組觸發脈沖。由圖1可知梯形ABCD的面積SABCD為

可得逆變橋第三組觸發脈沖的時刻為

4）逆變橋第i組觸發脈沖的確定：

同理，由前面的推導可得

這樣，便確定了低頻階段給逆變橋晶閘管施加觸發時刻的時刻，按照預定的順序給相應的晶閘管施加觸發脈沖，便可以完成同步電動機在低頻階段的起動控制。

3　PSCAD和RTDS仿真驗證

在PSCAD中搭建的逆變橋和電動機模型如圖2所示。若晶閘管按照圖2所示來編號，則晶閘管的導通順序為（T6和T1）→（T1和T2）→（T2和T3）→（T3和T4）→（T4和T5）→（T5和T6）→（T6和T1）…逆變橋通常是兩個晶閘管同時導通，只有在換相過程中才會出現3個晶閘管同時導通的現象［4］。

圖2　靜止變頻起動器中的逆變橋和電動機模型

為了便于描述，對于一個晶閘管的開關狀態用一個二進制的編碼來表示，見表1。這個二進制的第一位表示晶閘管T6的狀態，最后一位表示晶閘管T1的狀態，其它位代表的晶閘管依次類推。某位為“1”表示該位對應的晶閘管導通，為“0”表示該位對應的晶閘管關斷。這個二進制編碼直觀地表示了6個晶閘管的導通與關斷情況。為了便于觀察，將6位二進制編碼轉化為十進制編碼。

表1　晶閘管的二進制和十進制編碼

采用前面介紹的估算逆變橋晶閘管換相時刻的方法，得到轉子旋轉一周的范圍內對應導通的晶閘管，如圖3所示。因為在換相過程中會出現三個晶閘管同時導通的現象，為了輸出非換相時候導通的晶閘管，需要對逆變橋三相電流進行采樣，當某相電流的絕對值小于某一個基準時，說明該相對應的兩個晶閘管都沒有導通；當某相電流的絕對值大于某一個基準值時，說明該相兩個晶閘管中有一個晶閘管導通，至于導通的是上橋臂的晶閘管還是下橋臂的晶閘管，可以根據采樣電流的方向來判斷。以圖2所示的電流方向為例，電流為正表示導通的是上橋臂的晶閘管，電流為負表示導通的是下橋臂的晶閘管。

圖3　轉子旋轉一周的范圍內對應導通的晶閘管

從圖3中可以看出，逆變橋的晶閘管按照表1所示的順序輪流導通，且導通間隔越來越短，說明電動機的轉速在逐漸升高。

圖4為在低頻階段轉子旋轉一周時的電角度，圖5為在此時間段內電動機轉速與時間的關系。兩條曲線的形狀幾乎是一樣的，都是以一定的加速度上升。

圖4　轉子旋轉一周的范圍內轉子的實時位置

圖5 轉子旋轉一周的范圍內電動機轉速與時間的關系

圖4、圖5表明電動機轉速在平穩上升，說明采用上述估算換相時刻，給逆變橋應該導通的晶閘管施加觸發脈沖的方法在理論上是正確的。

圖6為采用上述方法在RTDS仿真中錄波得到的轉速和轉子位置波形。

圖6 RTDS仿真得到的轉速與轉子位置波形

圖6中，第一條曲線為電動機的轉速波形，第二條曲線為轉子實時位置波形。轉子從145°的初始位置開始旋轉，轉子位置曲線和轉速都比較平滑，說明上述方法能夠使電動機轉子在低頻階段平穩旋轉，也說明該方法在工程上是可行的。

理論分析及PSCAD和RTDS仿真結果都表明：在低頻階段采用的基于機組起動恒加速度的開環控制方法在理論上是正確的，在工程上也是可行的。

4　動態模擬實驗驗證

低頻階段采用基于機組起動恒加速度的開環控制方法，即前文研究的估算逆變橋晶閘管觸發脈沖的時刻，然后按照一定的順序給逆變橋晶閘管施加觸發脈沖，步進式地使電動機升速。低頻階段的動態模擬實驗波形如圖7所示。

圖7 低頻階段實驗波形

圖7中第一條曲線為轉子實時位置波形，第二條曲線為直流電流波形。由第一條曲線發現：在給逆變橋的晶閘管發第三組觸發脈沖之前，轉子共出現一次停頓和一次抖動現象，該現象是由動態模擬實驗室采用的電動機容量較小，而轉子剩磁又比較大的原因造成的。工程中的大型同步電動機容量都很大，因此在變頻起動的低頻階段不會出現轉子停頓和抖動現象。該結論已在潘家口抽水蓄能電站的抽水蓄能機組的變頻起動中得到證實。

經過大量的動模實驗發現，盡管在低頻階段轉子實時位置會受到轉子剩磁的影響，但卻未出現因剩磁問題導致電動機起動失敗的現象，因此可以暫時忽略轉子剩磁的影響。當不考慮轉子剩磁對前兩次換相時轉子位置波動的影響時，在低頻階段，轉子位置曲線和直流電流曲線都比較平滑，且轉子旋轉一周所用的時間和相鄰兩次晶閘管換相的間隔都越來越短，說明電動機在平穩升速，也說明低頻階段采用恒加速度的開環控制方法在機組起動過程中發揮了很好的作用。前述的低頻階段起動控制方法在實際系統中是可行的。

5　結論

對低頻階段的起動控制方法進行了理論分析和仿真驗證，最后在動模實驗平臺上進行了動模實驗驗證，說明了該方法在理論上是正確的，在工程上也是可行的。關于靜止變頻起動低頻階段起動控制的相關文獻較少，本文是對以往文獻的補充，也為變頻起動技術的進一步發展提供了技術支撐，同時為變頻起動器的國產化制造奠定了基礎。

［1］ 方軍民. 抽水蓄能機組變頻啟動技術介紹［J］. 水電

站機電技術， 2012， 35（2）： 17-19， 64.

［2］ 李崇鑒. 交流同步電動機調速系統［M］. 北京： 科學出版社， 2006.

［3］ 李志民， 張遇杰. 同步電動機調速系統［M］. 北京：機械工業出版社， 1996.

［4］ 黃俊， 王兆安. 電力電子變流技術［M］. 北京： 中國勞動社會保障出版社， 2012.

The Control Method of the Static Frequency Converter in the Low Frequency Period

Shao Yanqiu Shao Yixiang Wang Xiaohong Yang Hemin Jian Youzong
（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211000）

At present， static frequency converter is usually used for pump/motor and gas turbine starting. The synchronous machine's voltage is small and distorted seriously in the low frequency period，an open loop control method based on constant acceleration is put forward. PSCAD and RTDS simulation verification test and dynamic simulation experiment has been done based on the theoretical analysis， which verified the theoretical correctness and the engineering feasibility of the method.

static frequency converter； low frequency period； constant acceleration； open loop control method； simulation； dynamic simulation experiment

邵燕秋（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向：大型同步電動機靜止變頻啟動技術。