抽水蓄能電站靜止變頻器轉(zhuǎn)子位置檢測

趙 鑫，李國良，李興廣，李玉秋

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抽水蓄能電站靜止變頻器轉(zhuǎn)子位置檢測

趙 鑫，李國良，李興廣，李玉秋

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150040）

針對抽水蓄能電站靜止變頻器SFC設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)子角測量展開研究。從基本電磁原理電動勢與磁鏈的關(guān)系入手，應(yīng)用磁鏈觀測的方法求解轉(zhuǎn)子角。通過分析純積分方法存在的問題，提出了一種先補(bǔ)償再低通濾波的替代方法，并仿真驗(yàn)證了此法的正確性。在實(shí)驗(yàn)平臺上對數(shù)字控制器編程實(shí)現(xiàn)該算法，采樣前端使用了硬件的二階Butterworth低通濾波器，同時(shí)對引入的滯后采用軟件補(bǔ)償。分析了電樞繞組壓降的影響，實(shí)測驗(yàn)證了角度計(jì)算的精度。利用轉(zhuǎn)子位置角的測量值進(jìn)行扇區(qū)判斷，對逆變橋的晶閘管施加觸發(fā)信號，驅(qū)動同步電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

靜止變頻器SFC；轉(zhuǎn)子角測量；磁鏈觀測；低通濾波與補(bǔ)償

0 前言

抽水蓄能電站能夠調(diào)頻調(diào)相、調(diào)峰填谷，對現(xiàn)代電網(wǎng)起著靈活的調(diào)控作用。靜止變頻器是大型抽水蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)擔(dān)所有機(jī)組抽水工況下的啟動任務(wù)。這種變頻器屬于自控式變頻啟動器。即它是根據(jù)轉(zhuǎn)子的角度來控制與電機(jī)定子相連的逆變橋的晶閘管觸發(fā)順序的。只有實(shí)時(shí)知道轉(zhuǎn)子精確位置才能確保電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩向指定方向旋轉(zhuǎn)。靜止變頻器早期一般采用位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，這就需要在電機(jī)主軸上附加額外的傳感器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于安裝。目前引進(jìn)的國外靜止變頻器如ABB、ALSTOM均采用無位置傳感器，只需測量機(jī)端電壓和電流就可以測得轉(zhuǎn)子位置。本文對靜止變頻器無位置檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，提出的轉(zhuǎn)子位置檢測算法可以應(yīng)用在機(jī)組啟動低頻至額定頻率的整個(gè)階段，仿真和小功率電機(jī)實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了其有效性。

1 磁鏈求解轉(zhuǎn)子角基本原理

以上通過純積分求磁鏈的方法叫做電壓模型磁鏈觀測器[2]。

2 轉(zhuǎn)子角計(jì)算方法

2.1 純積分方法存在的問題

圖1 3/2變換后的

圖2 純積分后的

圖3 直流偏置帶來的積分上揚(yáng)

2.2 低通濾波器方法

2.3 補(bǔ)償公式

當(dāng)輸入信號頻率接近或低于低通濾波器的截止頻率時(shí)，利用低通濾波器估算得到的定子磁鏈存在較大的幅值和相位誤差，這些估計(jì)誤差會使轉(zhuǎn)子角計(jì)算有誤，導(dǎo)致扇區(qū)判斷失誤。為得到更精確的結(jié)果需對低通濾波后的結(jié)果進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償，其補(bǔ)償原理如下：

根據(jù)式（3）和（4）可得到：

將磁鏈向量分別向和軸投影，利用三角函數(shù)兩角和公式，可以推得下式[3]：

式（9）（10）即為低通濾波器的相位和幅值補(bǔ)償計(jì)算公式。

2.4 新型改進(jìn)低通濾波器

交換低通環(huán)節(jié)和補(bǔ)償環(huán)節(jié)的計(jì)算順序，先補(bǔ)償再濾波方法的磁鏈?zhǔn)噶坎罘址匠虨椋?/p>

2.5 反電勢e的求解

2.6 對硬件濾波的補(bǔ)償

由于SFC通過相控整流的方法輸出直流電，再經(jīng)平波電抗器給逆變橋供電，機(jī)端電壓輸出波形勢必引入6脈波300Hz的疊加成分。故我們選用由運(yùn)算放大器搭建的二階Butterworth低通濾波電路將其濾除[4]。而使用Butterworth濾波器必然引入相位滯后，我們關(guān)心的就是相位采樣計(jì)算結(jié)果，所以必須在軟件中將相位加以補(bǔ)償。根據(jù)濾波電路推導(dǎo)出其傳遞函數(shù)，再求其相頻響應(yīng)為：

3 仿真分析

4 實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖6 純積分與僅低通濾波算法比較

4.2 濾波

在機(jī)端電壓采樣電路后添加的硬件濾波電路，如圖7所示。

濾波效果如圖8、圖9所示。

4.3 運(yùn)行結(jié)果分析

機(jī)端反電勢理論上應(yīng)為正弦波，但在電樞繞組電阻的影響下，實(shí)測的機(jī)端電壓在換相時(shí)刻有明顯的突變。機(jī)端電壓經(jīng)濾波補(bǔ)償后就可以應(yīng)用本文第二部分介紹的轉(zhuǎn)子角計(jì)算方法了。數(shù)字控制器邏輯分析儀顯示了考慮電阻壓降前后的對比。如圖10，可見補(bǔ)償后的電壓波形較補(bǔ)償前的電壓波形有很大改善。由于還存在漏磁感應(yīng)電動勢及逆變橋通電電壓的影響，波形還不夠平滑。

圖7 二階巴特沃斯濾波器電路

圖8 濾波之前的一相機(jī)端電壓波形

圖9 濾波之后的一相機(jī)端電壓波形

將轉(zhuǎn)子固定在某一特定位置，突加勵(lì)磁，控制器自動開始計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1。可以看出，在同步電機(jī)靜止時(shí)突加勵(lì)磁算得轉(zhuǎn)子初始位置單次誤差小于1.5°，這表明轉(zhuǎn)子位置算法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子的初始位置，計(jì)算精度較高，能夠滿足靜止變頻器對轉(zhuǎn)子位置的計(jì)算要求。

在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝絕對式光電編碼器直接測量轉(zhuǎn)子位置角，同時(shí)開啟本算法進(jìn)行轉(zhuǎn)子角計(jì)算，將兩路輸出信號采集到數(shù)字控制器的邏輯分析儀上，如圖11所示，可見應(yīng)用本無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法與用測角編碼器測量出來的轉(zhuǎn)子角度幾乎一致。

圖10 電阻壓降的補(bǔ)償

表1 轉(zhuǎn)子位置算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)記錄

圖11 轉(zhuǎn)子角測量結(jié)果比較

圖12是使用本文提出的轉(zhuǎn)子位置角檢測方法，靜止變頻器拖動電機(jī)運(yùn)行到8Hz時(shí)，濾波后的機(jī)端三相電壓波形。可見電機(jī)運(yùn)行得十分穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文使用無機(jī)械位置傳感器的方法，利用霍爾元件測量電壓電流間接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。該算法所依據(jù)磁鏈觀測原理的理論依據(jù)充分，數(shù)學(xué)計(jì)算公式簡單，易于在數(shù)字控制器上編程實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)將其應(yīng)用在靜止變頻器逆變橋的觸發(fā)控制策略上，證明了這種轉(zhuǎn)子位置角檢測方法的實(shí)用性和有效性。

圖12 8Hz時(shí)機(jī)端電壓波形

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Rotor Position Detection of Static Frequency Converter of Pumped Storage Power Plant

ZHAO Xin, LI Guoliang, LI Xingguang, LI Yuqiu

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Aiming at static frequency converter SFC key technology of pumped storage power plant rotor angle measurement, had in-depth discussion. From basic electromagnetic principle the relationshipof electromotive force and flux, used flux observation to obtain rotor angle. By means of analyzing the problem of pure integral, proposed a alternative solution of compensation first Lowpass filtering later, proving the correctness through simulation. On the experimental platform digital controller, programming and achieving the arithmetic. At the part of sampling, used hardware second order Butterworth Lowpass filter, applied soft compensation on the imported lag at the same time, analyzed the influence of armature winding voltage reducing, tested and verified the accuracy of angle calculation with experiments. Used the measurement value of rotor angle to judge the fan section, triggered the thyristor of inverter, driving the synchronous machine rotating stably and continuously.

static frequency converter SFC; rotor angle measurement; flux observation; LPF and compensation

TM344.6

A

1000-3983(2014)06-0070-06

2014-05-17

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：大型抽水蓄能機(jī)組控制系統(tǒng)裝置及系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)（2011BAF03B03）

趙鑫（1980-），2006年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事變頻器設(shè)計(jì)，助理工程師。

審稿人：樸秀日