感應(yīng)交流電機(jī)變頻調(diào)速器自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)

呂 強(qiáng)

(國(guó)能(天津)港務(wù)有限責(zé)任公司,天津 300456)

0 引言

穩(wěn)態(tài)控制、變頻調(diào)頻、智能控制和轉(zhuǎn)換調(diào)度等技術(shù)用于穩(wěn)定電網(wǎng)線路的運(yùn)行功率、電壓及電流等指標(biāo)的變化,達(dá)到內(nèi)部運(yùn)作平衡的目的。但由于設(shè)備年久失修、電路短路或外界因素影響等,當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí),僅憑借人工調(diào)制手段,使感應(yīng)交流電機(jī)恢復(fù)運(yùn)作,已不能滿足線下需求,逐步發(fā)展的變頻調(diào)速器自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制手段是目前的首選技術(shù),效率較高且跟蹤效果較好,能減少人工耗用,縮減成本,為電力建設(shè)提供重要幫助。

為此,文獻(xiàn)[1]提出一種大容量的故障調(diào)頻穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)。預(yù)先采集變電站和近區(qū)交流電網(wǎng)的電壓變化情況,在大容量調(diào)相機(jī)的作用下,分別對(duì)變電站的工作模式以及周圍交流電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)載變化情況下實(shí)施獨(dú)立控制。這種方式可控制電機(jī)內(nèi)部參數(shù)之間相互獨(dú)立,在調(diào)控單個(gè)參數(shù)時(shí)不必考慮其他參數(shù)變化情況,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控,但參數(shù)會(huì)因其他因素影響,導(dǎo)致算法并不能獲得理想控制結(jié)果。文獻(xiàn)[2]建立一種包含操作、數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)控的穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng),采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的初始輸入值,使用同步調(diào)度法對(duì)穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)態(tài)電力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功替換,解決補(bǔ)償缺口完成控制。該方法通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的替換補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)控制,整體耗用較大,運(yùn)算量較高,實(shí)用價(jià)值不高。

綜合上述問題,采用一種變頻調(diào)速器技術(shù),對(duì)感應(yīng)交流電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制。變頻調(diào)速器裝置采用頻率轉(zhuǎn)換的方式,根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行功率值,通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控制,即內(nèi)部線路出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)誤差變化,通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償均衡電機(jī)線路的不平衡點(diǎn),使線路中所有點(diǎn)的運(yùn)行功率保持平衡,從根源處解決不穩(wěn)定問題;采用逐步自動(dòng)化的控制模式,每個(gè)步驟之間的連貫性較強(qiáng),邏輯表達(dá)明確,所需運(yùn)算量較小,整體實(shí)用價(jià)值較高。

1 感應(yīng)交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為保證自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制的精準(zhǔn)性,減少不必要的判定誤差,采集感應(yīng)交流電機(jī)歷史信息庫(kù)數(shù)據(jù)[3],建立電機(jī)內(nèi)部電力參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)學(xué)模型,通過(guò)模型分析與求解得出電力參數(shù)跟隨不同情況而出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)變化,為后續(xù)控制提供幫助。

以九繞組結(jié)構(gòu)的感應(yīng)交流電機(jī)為例,得到電機(jī)內(nèi)定子[4]和轉(zhuǎn)子[5]的電感應(yīng)矩陣為:

Lm=L1mL3m

(1)

(2)

(3)

Lm、L1m、L3m分別為感應(yīng)交流電機(jī)的磁力相互作用因子、定子和轉(zhuǎn)子的運(yùn)行矩陣;m為感應(yīng)交流電機(jī)系數(shù);μ0為磁導(dǎo)率;l為電機(jī)運(yùn)行內(nèi)芯長(zhǎng)度;r為感應(yīng)交流電機(jī)定子的內(nèi)轉(zhuǎn)直徑;g為氣隙間隔[6];Nc為轉(zhuǎn)子繞數(shù)。

定、轉(zhuǎn)子的漏感矩陣為

(4)

n為繞組系數(shù);δ為變換系數(shù);lδsn、lδrn分別為定子和轉(zhuǎn)子的繞組漏感[7]。繞組漏感是感應(yīng)交流電機(jī)運(yùn)行容易出現(xiàn)的一種故障現(xiàn)象,其也是影響運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素之一。按照該點(diǎn)著手進(jìn)行自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制,大大降低因故障點(diǎn)判定失誤導(dǎo)致的控制誤差問題。根據(jù)定子側(cè)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)的互感關(guān)系θm,判定二者之間的關(guān)聯(lián)度,表達(dá)矩陣為:

(5)

(6)

(7)

通過(guò)式(6)和式(7)得到對(duì)感應(yīng)交流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性影響最大的定子和轉(zhuǎn)子間關(guān)聯(lián)關(guān)系,根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系得到二者的互感函數(shù)為[8]

(8)

T為互感周期。通過(guò)該關(guān)系式可判定當(dāng)感應(yīng)交流電機(jī)中存在因繞組漏感到的穩(wěn)定變化時(shí),此時(shí)轉(zhuǎn)子和定子的互感值相等,后續(xù)進(jìn)行功率補(bǔ)償和穩(wěn)定控制時(shí)均可以此作為參照標(biāo)準(zhǔn)。

2 自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)

2.1 自動(dòng)化解耦控制

穩(wěn)感應(yīng)交流電機(jī)的自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制過(guò)程分為2個(gè)部分,其一以控制器作為載體的自動(dòng)化解耦控制[9]過(guò)程,用于根據(jù)不穩(wěn)定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的初步自動(dòng)化控制;其二是穩(wěn)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程[10],用于平衡因故障導(dǎo)致功率變化不均衡問題。二者相輔相成,形成一個(gè)完整的自動(dòng)化控制線路。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中,自動(dòng)化控制需要滿足高效率、高精確度的需求,將穩(wěn)態(tài)化控制算法輸入到自動(dòng)化控制解耦器中,以控制器作為應(yīng)用載體,方便實(shí)際的具體應(yīng)用。

設(shè)R(s)表示參考輸入值;F(s)表示不穩(wěn)定信號(hào)反饋;E(s)表示控制器的輸出值;C(s)表示內(nèi)?？刂破鬏敵鲋?G(s)表示傳遞系數(shù)[11];Gm(s)表示內(nèi)模機(jī)制[12];dm(s)表示外界存在的擾動(dòng)信號(hào);Y(s)表示解耦控制器的最終輸出值。

不穩(wěn)定信號(hào)反饋F(s)和解耦控制器Y(s)之間的關(guān)系定義為:

(9)

Y(s)=[R(s)-F(s)]G(s)C(s)+dm(s)

(10)

若設(shè)計(jì)的解耦控制器的參數(shù)匹配精準(zhǔn)度較高,即Gm(s)=G(s),可得到:

F(s)=dm(s)

(11)

Y(s)=

R(s)G(s)C(s)+dm(s)[1-G(s)-Gm(s)]

(12)

由式(12)可知,控制器的控制反饋信號(hào)F(s)即為擾動(dòng)信號(hào)dm(s)[13],當(dāng)待監(jiān)測(cè)感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)中存在不穩(wěn)定干擾項(xiàng)時(shí),可根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制[14],輸出信號(hào)也可直接跟蹤。

按照上述控制原理,將式(11)和式(12)進(jìn)行拉普拉斯變化可得

(13)

Jd、Jq分別為在感應(yīng)交流電機(jī)線路的第d、q節(jié)點(diǎn)的跟蹤電流數(shù)值;ωq為收斂域。由于ωq表現(xiàn)為一階控制函數(shù),若整個(gè)自動(dòng)化控制過(guò)程不存在延時(shí)和噪聲信號(hào)干擾,為了優(yōu)化變頻調(diào)速器參數(shù),在此基礎(chǔ)上,添加一個(gè)濾波器用于增強(qiáng)自動(dòng)化的魯棒性,表達(dá)式為:

(14)

(15)

ξ為調(diào)制系數(shù);I為穩(wěn)定電流值;J(s)為拉普拉斯系數(shù)。則內(nèi)?？刂破鬏敵鲋礐(s)′為

C(s)′=D-1(s)J(s)′

(16)

2.2 穩(wěn)態(tài)無(wú)功偏差補(bǔ)償

針對(duì)繞組漏感故障導(dǎo)致的電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象,采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞綇浹a(bǔ)上述解耦控制器的控制誤差,通過(guò)補(bǔ)償減少互感交流電機(jī)的電力減少量,在自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高控制的精準(zhǔn)性,保證控制效率和質(zhì)量。設(shè)電路中的剩余濾波電容的無(wú)功補(bǔ)償減少量Qu為

(17)

(18)

Qmax、Q0分別為無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖畲笾岛皖~定值;k為補(bǔ)償次數(shù)。補(bǔ)償偏差Q1為

Q1=Qx-Qu

(19)

經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后,得到穩(wěn)態(tài)化控制結(jié)果,整體偏向精準(zhǔn)穩(wěn)定的自動(dòng)化控制方向,不需要過(guò)多的計(jì)算步驟,求得影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)變化,可降低后續(xù)的誤判次數(shù),大大提高控制的精準(zhǔn)性和效率;整個(gè)自動(dòng)化控制過(guò)程中,不需要過(guò)多的參數(shù)求解,通過(guò)解耦控制器輸入初始化參數(shù)即可完成有效控制,實(shí)用價(jià)值較高。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

為驗(yàn)證本文提出的穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)有效性,選用永磁同步感應(yīng)交流電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

圖1中,利用DLOG4軟件記錄電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)作功率、電流和電壓,并采用平臺(tái)將仿真記錄發(fā)送至Maple云計(jì)算軟件中,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確精細(xì)的數(shù)據(jù)對(duì)比。

將本文方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與大容量調(diào)相機(jī)的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓協(xié)同控制法、含同步調(diào)相機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制方法進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 穩(wěn)態(tài)控制結(jié)果

通常情況下,判定感應(yīng)交流電機(jī)運(yùn)行是否穩(wěn)定,其功率信號(hào)運(yùn)行情況是最直觀的判定指標(biāo)之一,分別根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的電壓、電流和功率3種信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)比,確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的參考價(jià)值。3種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 基于電壓判定的穩(wěn)態(tài)控制結(jié)果

從圖2可以看出,感應(yīng)交流電機(jī)的原始運(yùn)行情況穩(wěn)定性表現(xiàn)較差,電壓信號(hào)整體呈現(xiàn)較為混亂的分布趨勢(shì),不存在固定的規(guī)律變化,說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)存在故障影響,導(dǎo)致電壓變動(dòng)紊亂,而本文方法是其中表現(xiàn)最佳的,電壓分布較為規(guī)律沒有出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的幅值變化,說(shuō)明對(duì)因穩(wěn)態(tài)差導(dǎo)致的電壓負(fù)載現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了有效控制;反觀其他2種方法,沒有對(duì)電壓的高峰和低谷現(xiàn)象完成有效改善,實(shí)用效果不佳。

從圖3可以看出,3種方法對(duì)電流的控制結(jié)果與電壓存在較大的共通性,說(shuō)明在感應(yīng)交流電機(jī)電路中電壓和電流屬于共同體變化,二者之間存在一定的定向關(guān)聯(lián),其中之一發(fā)生變化都會(huì)引起另一個(gè)出現(xiàn)改變。對(duì)比3種方法的控制結(jié)果,除本文方法外,均存在峰值未剔、低估未補(bǔ)現(xiàn)象,控制質(zhì)量整體較差。

圖3 基于電流判定的穩(wěn)態(tài)控制結(jié)果

從圖4可以看出,基于功率控制的輸出結(jié)果與電壓和電流存在較大差異,因?yàn)楣β适歉袘?yīng)交流電機(jī)的綜合運(yùn)行結(jié)果,是電壓和電流共同影響后的輸出情況,根據(jù)功率可判定穩(wěn)態(tài)化控制的整體情況。對(duì)比細(xì)節(jié)可發(fā)現(xiàn),本文方法的功率輸出結(jié)果是穩(wěn)定均衡的,而其他2種方法仍然存在高峰和低谷,說(shuō)明本文方法的控制效果更好。

圖4 基于運(yùn)行功率判定的穩(wěn)態(tài)控制結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種感應(yīng)交流電機(jī)變頻調(diào)速器自動(dòng)化穩(wěn)態(tài)控制技術(shù),建立了感應(yīng)交流電機(jī)的電力運(yùn)行模型,通過(guò)內(nèi)部指標(biāo)和參數(shù)分析,判定其中對(duì)穩(wěn)定性影響程度最高的定子和轉(zhuǎn)子之間的同步關(guān)聯(lián)關(guān)系,根據(jù)關(guān)系變化規(guī)律,查找影響穩(wěn)定性變化的重點(diǎn)指標(biāo),建立解耦控制器對(duì)感應(yīng)交流電機(jī)實(shí)行自動(dòng)化控制后,進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,這樣連貫的自動(dòng)化控制方式不僅可以提高算法的適應(yīng)能力,還可以增強(qiáng)控制的精準(zhǔn)性,保證質(zhì)量。