switch变频器

目录 一．    介绍    3 二．    系统主拓扑    3 三．    控制框图    4 四．    网侧控制原理框图    4 五．    发电机侧控制原理框图    6 六．        7 一． 介绍 Switch 变流器采用了主动整流的方式来控制发电机以及和电网并网。其控制方式为分布式控制，这种方式和它的主电路拓扑结构相对应。 即网侧和发电机侧各有独立的控制器，以一个控制器为主要控制器，通过控制器之间的联系进行相互信息交换和控制。 二． 系统主拓扑 图一  Switch变流器系统主拓扑结构 图中可以看到，网侧功率模块为1U1，而发电机侧有两个功率模块：2U1 和3U1。这是和发电机两套绕组相的结构相对应的。 图中的4U1 和5U1 为用于制动的功率模块。采用两个功率模块的原因是单个模块的电流容量有限。在最新的系统中，这两个模块已经被一个大容量模块所代替。 这里，网侧变流器的作用是将发电机发出的能量转换为电网能够接受的形式并传送到电网上。而发电机侧功率模块则是将发电机发出的电能转换为直流有功传送到直流母线上。 制动功率模块则是在当某种原因使得直流母线上的能量无法正常向电网传递时将多余的能量在电阻上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。 三． 控制框图 图二 控制框图 Switch变流柜中采用的功率模块都是VACON公司生产的通用变频器。这里所说的控制器也是VACON公司为变频器所配的控制器。这些控制器和功率模块一一对应，相互之间通过光纤/CAN总线互连。从硬件上看，这些控制器的基本配置一致，从控制角度看，1U1 的控制器是变流器主要的控制核心，通过它变流器完成和WTC之间的信息和命令交互，同时完成对其他控制器的操作。可以看到，1U1 和2U1 及3U1之间通过光纤和CAN总线连接，而4U1/5U1 之间及与其他控制器的连接通过CAN总线实现，这是因为1U1/2U1/3U1之间需要高速通讯以满足系统正常运行所需，而制动功率模块的相应时间可以慢一些。 四． 网侧控制原理框图 网侧功率单元的作用是将直流母线上的直流有功功率转换为50Hz交流有功功率传送到电网上。其控制对象为直流母线电压。其控制原理框图为： 图三 网侧功率模块控制原理框图 从图中可以看到，网侧功率模块控制对象有电网电压和直流母线电压。这两个控制对象本质上分别代表网侧无功功率和有功功率。 一般来说，当网侧电压上升时，需要网侧模块提供感性无功；而当网侧电压下降时则需要提供容性无功。其中电网电压为可选项，实际系统中并没有这个功能，而以WTC给出的无功功率指令代替。根据这个无功指令，考虑到电网电压波动有限，则可以直接得到这个无功对应的无功电流，如下式所示： (1) 式中Idref为无功电流，Q为无功给定，Us为电网电压。 根据电网电压也可以产生无功输出给定，但在目前的系统中并没有实现这一功能。 有功功率是由发电机提供的，当发电机发出的有功功率通过发电机侧功率模块转化为直流有功输送到直流母线上。而网侧功率模块则将直流母线上的有功转换为交流有功输送到电网上。当直流母线上输入有功功率增加到大于通过网侧模块输送到电网上的有功时，将导致直流母线电压上升；而当直流输入有功功率下降到小于输送到电网的有功时，直流母线电压会下降。也就是说，直流母线电压的变化直接反应了发电机发出的功率的变化。网侧功率模块通过监测直流母线电压的波动，就可以得到输出有功电流的大小。 从图中可以看到：将直流母线电压和参考给定值比较得到差值，经过PI调节器得到有功电流给定Iqref。 在这个系统中，对网侧三相电流进行了检测。通过3/2变换，将三相电流转换到静止坐标系下，转换公式为： (2) 根据检测得到的电网电压相角θ，通过静止/旋转坐标系变换得到同步旋转坐标系下的电流id/iq，如下式： （3） 经过（2）/（3）两式计算得到有功/无功电流分量，由于和有功/无功电流的参考给定构成闭环控制。 有功电流的参考给定和反馈之间的差值经过PI调节器，得到电压调制比的给定值。通过调整电压调制比的大小，可以控制向电网输送有功的大小。具体公式这里无法给出。 无功电流的参考给定与反馈之间的差值经过PID调节器，其输出为网侧功率模块输出电压的频率。通过调节输出电压频率，可以调节输出电压和电网电压之间的相位角，从而对输出无功功率进行调整。 根据调节器输出的频率给定和电压调制比，可以产生IGBT驱动脉冲，同时给出静止/旋转坐标系变换所需的电网电压相角θ。 五． 发电机侧控制原理框图 图四 发电机侧功率模块控制原理框图 图中可以看到这里只给出了一套绕组对应的功率模块的控制框图。这是由于两套绕组在控制原理上是一致的，只是在控制的相位上有一定偏差，所以这里只需要给出一套绕组对应的功率模块控制框图。另外，图中光电码盘在实际系统中是不存在的，实际上采用的是无速度矢量控制原理。通过这一控制方式，可以得到转子转速，从而得到转子磁场位置角θr。通过VACON公司的核心算法，可以从电机电枢电流及电机参数推导得到转子磁场的旋转速度。 从框图上可以看到这里采用的是直接转子磁场定向控制。首先根据检测得到的转子磁场的旋转速度，积分得到转子磁场位置角θr。根据这个位置角θr，对检测得到的发电机定子电流进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换(公式(2)(3)结合即可得到这个变换)，得到转矩电流分量iq和励磁电流分量id。这两个量作为电流闭环控制的反馈量。 转矩电流的参考给定有两个来源： 1。由转速参考给定与检测得到的转子速度进行比较，然后经过PI调节器得到转矩电流给定。 2。根据转矩给定直接得到转矩电流给定。 励磁电流的参考给定则比较复杂。首先根据直流母线电压推算出对应的定子最大端电压，将这个电压和前馈电压值(资料不全，无法分析其来源)比较，将其中较小者作为机端电压最大值。再将这个结果和电压给定进行比较，再经过磁场控制器得到励磁电流给定。注意，这里虽然用PI调节器的符号表示磁场控制器，但实际上与一般的PI调节器是有一定区别的。这里暂不作深入讨论。 在得到励磁电流/转矩电流的给定和反馈之后，通过电流调节器可以得到转矩电压/励磁电压的参考给定值Udref/Uqref。再根据转子磁场位置角θr，对这两个给定进行两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，得到发电机机端三相电压的给定。根据这三相给定，PWM模块给出功率器件的驱动脉冲。 六． 总结 在前面几节中，笔者依据已有知识及个人经验对SWITCH提供的框图进行了读图。根据框图，可以看到其网侧控制和发电机侧控制是分离的。网侧控制为DQ控制，而发电机侧控制为直接转子磁场定向控制。这些控制都已在工业上得到广泛使用。 虽然框图中的一些细节值得商榷，但这里不对这些内容进行深入讨论。 限于笔者能力，分析可能有不足和失误，请大家指正。