基于自適應(yīng)復(fù)合控制的同步電機(jī)軟起動自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)控制方法

金光哲，徐殿國，高 強(qiáng)，寇佳寶，李志城

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

大功率同步電動機(jī)的起動及并網(wǎng)困難是其應(yīng)用的重大障礙，并成為限制產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大技術(shù)難題。自動準(zhǔn)同期裝置是大功率同步電動機(jī)軟起動裝置中非常重要的組成部分。準(zhǔn)同期裝置并網(wǎng)時，確保電網(wǎng)電壓與電機(jī)端電壓相位一致是至關(guān)重要的，特別是大功率同步電動機(jī)并網(wǎng)時，相位差引起的并網(wǎng)沖擊電流會對電網(wǎng)質(zhì)量以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性等造成較大的影響［1-5］。

確保并網(wǎng)時刻相位一致，難點(diǎn)在于并網(wǎng)指令發(fā)出到接觸器主觸頭閉合需要一定的時間，要在控制算法中，預(yù)估出這段時間內(nèi)相角差的變化量，即準(zhǔn)確計(jì)算出相角導(dǎo)前角d。針對導(dǎo)前角的預(yù)報，文獻(xiàn)［6-7］提出了微分預(yù)報法。微分預(yù)報法認(rèn)為滑差是穩(wěn)定的，相角變化量與合閘時間成線性關(guān)系，但測量誤差會隨著合閘時間變大；文獻(xiàn)［8-9］采用積分預(yù)報的原理，可以極大減少噪聲對預(yù)報的誤差，即使在加速度滑差或隨機(jī)滑差的情況下，也能獲得較準(zhǔn)確的導(dǎo)前時間。但以上2種預(yù)報方法均假設(shè)電機(jī)在并網(wǎng)時速度恒定。實(shí)際上，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前速度可能是波動的，而且合閘時間越長，近似認(rèn)為發(fā)電機(jī)恒速計(jì)算出的合閘角誤差越大。文獻(xiàn)［10-12］提出的滑差預(yù)報的分析方法，能較準(zhǔn)確地描述發(fā)電機(jī)勻速或變速情況下的相角變化。文獻(xiàn)［13］將模糊控制應(yīng)用于準(zhǔn)同期并網(wǎng)判決中，用模糊判決提高并網(wǎng)可靠性。上述文獻(xiàn)通過合閘前滑差的變化預(yù)估相角導(dǎo)前角并提出了有效的算法，但對并網(wǎng)合閘指令給出之后并網(wǎng)接觸器合閘這段時間內(nèi)的滑差變化無能為力。無論采用何種預(yù)報算法，滑差的穩(wěn)定是確保并網(wǎng)合閘成功的必要因素。

本文首先對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在電流環(huán)非理想狀態(tài)下，采用速度PI控制算法會引起相角滑差產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析，并基于速度環(huán)用比例環(huán)節(jié)時可以有效避免相角滑差不穩(wěn)定的問題，提出了基于自適應(yīng)復(fù)合控制的自動準(zhǔn)同期控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效避免準(zhǔn)同期階段滑差的不穩(wěn)定，提高系統(tǒng)并網(wǎng)的可靠性。

1 傳統(tǒng)PI算法在準(zhǔn)同期應(yīng)用中存在的問題

自控變頻式同步電動機(jī)軟起動裝置（簡稱LCI）是一種交直交電流型變頻器，主要由進(jìn)線電抗器、晶閘管三相全控整流器、直流平波電抗器、晶閘管三相全控逆變器構(gòu)成。晶閘管三相全控整流器將三相交流電源整流成6脈波的直流電流，經(jīng)過平波電抗器濾波后，再經(jīng)三相全控逆變器將電流逆變?yōu)榻涣鞣讲娏?，施加于待起動電動機(jī)定子側(cè)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變頻軟起動過程。自控變頻式同步電動機(jī)軟起動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率高、起動電流可控、對電網(wǎng)沖擊小等顯著優(yōu)點(diǎn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在實(shí)際傳動系統(tǒng)中，大多采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。同步電機(jī)的電流受到電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、檢測電路的精度、功率器件的開通延時等因素的制約，限制了電流控制的精度，影響了電流環(huán)的動態(tài)特性［14］。在LCI系統(tǒng)中，平波電抗器過大，會使電流響應(yīng)變慢，影響電流調(diào)節(jié)的動態(tài)特性，增加系統(tǒng)成本；平波電抗器過小，將使電流脈動加大，電流檢測與控制變得困難。因此在實(shí)際系統(tǒng)中，很難做到完全理想的電流響應(yīng)。

圖1 同步電動機(jī)自控變頻軟起動系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of synchronous motor soft starting system with adaptive variable-frequency control

圖2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖［15］。圖中，為轉(zhuǎn)速給定電壓；Un為轉(zhuǎn)速反饋電壓；為電流給定電壓；Ui為電流反饋電壓；Tm為機(jī)電時間常數(shù)；Ce為電動勢系數(shù)。為模擬實(shí)際系統(tǒng)，在實(shí)際仿真中加入非線性環(huán)節(jié)。

圖3為不同速度控制器下的仿真波形，從圖3（a）中可以看出當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用比例積分環(huán)節(jié)時，頻率穩(wěn)態(tài)誤差較小，但是因非線性干擾的存在，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小范圍不規(guī)則的波動現(xiàn)象。將頻率誤差做積分，即相當(dāng)于計(jì)算相角滑差，從圖4（a）中可以看出積分后波形斜率的一致性較差。從圖3（b）與圖4（b）可以看出，當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用單比例環(huán)節(jié)時，轉(zhuǎn)速在小于給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差無法消除，但將頻率誤差做積分后的波形斜率一致性很好。因頻差較大，圖4（b）的滑差曲線比圖4（a）的相角滑差曲線快很多。在準(zhǔn)同期并網(wǎng)系統(tǒng)中，滑差曲線不能太快，因此應(yīng)盡可能減小頻差。

圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Dynamic structure of dual close-loop speed regulation system

圖3 不同速度控制器下頻率仿真波形Fig.3 Simulative frequency waveforms for different speed controllers

在準(zhǔn)同期并網(wǎng)過程中，并網(wǎng)指令發(fā)出后如果出現(xiàn)滑差不穩(wěn)定，將導(dǎo)致之前計(jì)算的相位導(dǎo)前角不準(zhǔn)確。因此保證滑差的穩(wěn)定對并網(wǎng)成功是至關(guān)重要的?；罘€(wěn)定本質(zhì)是電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。雖然PI算法可以使頻率的穩(wěn)態(tài)誤差減小，但也會使頻差不穩(wěn)定，從而使滑差的一致性變差［16］。當(dāng)速度環(huán)只有比例環(huán)節(jié)的情況下，雖然頻率的穩(wěn)態(tài)誤差無法消除，但卻能使頻差相對穩(wěn)定，得到較為理想的滑差曲線。根據(jù)上述特點(diǎn)，本文提出了基于自適應(yīng)復(fù)合控制的自動準(zhǔn)同期算法。

圖4 不同速度控制器下滑差仿真波形Fig.4 Simulative slip waveforms for different speed controllers

2 基于自適應(yīng)復(fù)合控制的準(zhǔn)同期算法

同步電動機(jī)起動并網(wǎng)的理想條件是并網(wǎng)接觸器兩側(cè)電壓的3個狀態(tài)量全部相等，尤其對相角差的要求更為嚴(yán)格，必須確保相位差為0時完成并網(wǎng)。而相角滑差的穩(wěn)定是確保并網(wǎng)時刻滿足相位要求的必要前提。電流內(nèi)環(huán)非理想狀態(tài)下，PI算法會產(chǎn)生相角滑差不穩(wěn)定，無法準(zhǔn)確預(yù)估出并網(wǎng)導(dǎo)前角。本文針對該問題采用單比例環(huán)節(jié)的速度控制器，并通過自適應(yīng)算法達(dá)到調(diào)頻的目的。

同步電動機(jī)軟起動并網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)不同階段可分為升速過程、準(zhǔn)同期過程和并網(wǎng)判決過程。通過檢測電網(wǎng)電壓及電機(jī)端電壓的過零點(diǎn)可以檢測其相位信息和頻率信息。

2.1 升速過程

當(dāng)速度控制器采用單比例環(huán)節(jié)時，穩(wěn)態(tài)誤差將無法完全消除。穩(wěn)態(tài)誤差與比例系數(shù)的倒數(shù)成正比，比例系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是比例系數(shù)過大將使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在比例系數(shù)一定的情況下，需要一套自適應(yīng)算法來消除穩(wěn)態(tài)誤差。

穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為：

其中，ω*為轉(zhuǎn)速給定；ω為實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速；Kω為速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；為電流給定。

此時有：

轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時有：

其中，TL為包括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

由式（1）—（3）得：

將式（5）、（6）相除，整理得：

系統(tǒng)最終狀態(tài)可以認(rèn)為 ω（n）為電網(wǎng)頻率 ωG，那么式（7）可寫為：

可通過式（8）得到最終的轉(zhuǎn)速給定?？紤]到調(diào)節(jié)頻率大于電機(jī)的慣量，為減小超調(diào)量，式（8）可寫為：

其中，Kv為速度調(diào)節(jié)器的升速階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，Kv越大，超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)速度越慢。最終采用式（9）完成升速過程，其流程圖見圖5。

圖5 升速階段程序流程圖Fig.5 Flowchart of speedup stage

2.2 準(zhǔn)同期階段

當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速后，相角滑差應(yīng)跟隨預(yù)設(shè)的滑差角頻率，即ωsi=ωG-ω，其中ω為電動機(jī)角頻率。由于在準(zhǔn)同期階段，頻率已接近額定值，因此需要對電機(jī)頻率進(jìn)行微調(diào)。在準(zhǔn)同期階段，將以電機(jī)與電網(wǎng)的相位差變化率替代電機(jī)頻率作為系統(tǒng)的輸入，通過式（10）來微調(diào)轉(zhuǎn)速給定，當(dāng)滑差滿足式（11）時，將不改變轉(zhuǎn)速給定。通過相位的變化計(jì)算滑差角頻率的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地看出電網(wǎng)與電機(jī)相位的相對變化速率，并可以直接應(yīng)用到并網(wǎng)判決中，減小程序的計(jì)算量。

其中，Δω 為允許的角頻率誤差；θ（n）、θ（n－1）為 n、n-1 時刻電機(jī)端電壓相位；為準(zhǔn)同期階段 n、n-1時刻的轉(zhuǎn)速給定；Ts為相位采樣周期；Ks為準(zhǔn)同期轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，作用與式（9）中的Kv相同。

圖6 準(zhǔn)同期階段程序流程圖Fig.6 Flowchart of quasi-synchronization stage

圖7為自適應(yīng)復(fù)合速度控制系統(tǒng)框圖，圖中Kω=1/（KvTon），Ke=1 /（KsTon），Ton為頻率控制周期，為電流給定，id為反饋電流。

圖7 自適應(yīng)復(fù)合速度控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of adaptive complex speed control system

2.3 并網(wǎng)判決階段

當(dāng)電動機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓幅值差在5%以內(nèi)，且相位變化速度滿足式（11）時，進(jìn)入并網(wǎng)判決階段。并網(wǎng)合閘的判定必須要考慮并網(wǎng)接觸器合閘過程中相位的變化，這樣才能確保在真正并網(wǎng)時刻相位差為0。相位差的判決采用式（12）。

其中，δi為合閘時刻相角；Δδ為合閘允許的相角誤差；ωsi為滑差角頻率；TKM為接觸器合閘時間。

因此通過式（9）、（10）、（12）即可完成同步電機(jī)的起動及并網(wǎng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)平臺采用10 kV/1000 kW的同步電動機(jī)作為傳動電機(jī)，采用晶閘管串聯(lián)的10 kV自控變頻式軟起動裝置作為起動設(shè)備，由變頻器拖動一臺異步電動機(jī)作為負(fù)載，實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of experimental system

電網(wǎng)電壓經(jīng)過電壓互感器，濾波調(diào)理電路濾掉高次諧波，經(jīng)過過零比較電路，變成方波信號?？紤]到電機(jī)起動的低速階段，互感器無法準(zhǔn)確檢測低頻信號，因此，電機(jī)端電壓通過電阻分壓，再經(jīng)過高精度隔離運(yùn)放及濾波電路，最后變成方波信號。通過2個方波過零點(diǎn)的比較及過零點(diǎn)的寬度來計(jì)算電網(wǎng)電壓和電機(jī)端電壓的相位和頻率。

圖9為不同Kv下的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形，從波形中可以看出Kv越小，頻率的超調(diào)量越大。圖10為直流母線電流波形，在速度單比例控制下電流給定相對穩(wěn)定，對電流環(huán)的動態(tài)要求較低，輸出的電流較穩(wěn)定。圖11為速度控制器分別采用PI環(huán)節(jié)和單比例環(huán)節(jié)時的頻率波形和滑差波形。從波形中可以看出采用單比例環(huán)節(jié)速度控制器的滑差很穩(wěn)定，為有效估算導(dǎo)前角及可靠并網(wǎng)創(chuàng)造了條件。圖12為并網(wǎng)時刻電網(wǎng)電壓與電機(jī)端電壓波形。實(shí)驗(yàn)采用的真空接觸器在控制器發(fā)出指令到接觸器合閘需要200 ms，階躍信號為控制器合閘信號和接觸器觸點(diǎn)反饋信號，即上階躍表示合閘信號給定時刻，下階躍為接觸器主觸點(diǎn)合閘時刻。從圖12中可看出在穩(wěn)定的滑差下，并網(wǎng)判決可以準(zhǔn)確預(yù)估出合閘導(dǎo)前角，并網(wǎng)時刻相位差幾乎為0。圖13為電機(jī)并網(wǎng)三相電流波形，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝置并網(wǎng)的電流沖擊可以限定在額定電流的20%以內(nèi)。

圖9 不同Kv下的轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)波形Fig.9 Response to speed step change for different Kvs

圖10 不同速度控制器下的直流母線電流波形Fig.10 Waveforms of DC bus current for different speed controllers

圖11 不同速度控制器下的滑差波形與電機(jī)頻率波形Fig.11 Frequency waveforms of slip and motor for different speed controllers

圖12 電網(wǎng)電壓與電機(jī)端電壓并網(wǎng)波形Fig.12 Waveforms of grid voltage and motor terminal voltage during grid-connection

圖13 并網(wǎng)三相電流波形Fig.13 Waveforms of three-phase grid-connection current

4 結(jié)語

在準(zhǔn)同期并網(wǎng)場合，為了克服采用PI環(huán)節(jié)時因電流調(diào)節(jié)器動靜態(tài)特性的限制產(chǎn)生的頻率脈動對相角滑差的不利影響，本文提出了基于自適應(yīng)復(fù)合速度控制的準(zhǔn)同期并網(wǎng)控制方法。升速階段采用了具有自適應(yīng)功能的單比例環(huán)節(jié)的速度控制算法，解決了比例控制器無法克服靜差的問題；提供了基于相角滑差的準(zhǔn)同期控制算法，解決了滑差不穩(wěn)定的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法適用于自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)場合，驗(yàn)證了算法的正確性與可行性。