高壓變頻器與工頻電源之間軟切換方式的研究

圖1高壓變頻器的工頻旁路運行
Fig. 1 Bypass operation of inverter system
根據(jù)電機(jī)運行特性、工頻旁路切換頻度和對象系統(tǒng)的要求，高壓變頻器與工頻電源之間常用的切換方式分為直接切換、異步切換、同步切換以及軟切換。
a．直接切換。指在保證高壓變頻器與電網(wǎng)電源相序一致的前提下，直接倒閘切換工頻電源與高壓變頻電源，直接切換時不檢測電壓的幅值、頻率和相位。這種方式要求系統(tǒng)及保護(hù)能夠容許切換時的波動和沖擊，因而很少使用。
b.異步切換。指檢測電壓的幅值和頻率而不檢測電壓相位的切換。異步切換時最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在高壓變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差1800時，會造成很大的沖擊電壓和電流，沖擊電流最大可達(dá)額定電流的30倍左右。這種方式要求系統(tǒng)能夠容許切換時的沖擊和轉(zhuǎn)矩變化，一般只用于小功率低壓變頻系統(tǒng)。
c.同步切換。指檢測電壓的幅值、頻率和相位的切換川。采用同步切換技術(shù)可以使切換電流不超過電機(jī)額定電流的2．5倍，同步切換時，轉(zhuǎn)速在工頻電源投人前后變化極小。
d.軟切換。指在檢測電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，實現(xiàn)“無擾”切換。軟切換有先投后切和先切后投兩種情況。工頻電源切換到高壓變頻電源的過程中，首先利用相位檢測和鎖相控制使高壓變頻電源與機(jī)端殘壓相位保持一致，在高壓變頻器的V/F保持基本不變的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的高壓變頻器切換運行點，調(diào)整高壓變頻器的輸出電壓和頻率。這樣，投人高壓變頻器時電機(jī)基本無沖擊電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。高壓變頻切換到工頻過程中，用鎖相環(huán)鎖定工頻電源的相位和頻率，控制高壓變頻器使電機(jī)在稍微高于額定電壓和頻率的狀態(tài)下進(jìn)行切換。這樣，就可以實現(xiàn)高壓變頻電源與工頻電源之間的軟切換。
2仿真及分析
　　本文使用PSCAD/EMTDC仿真軟件對圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。該軟件是由加拿大Manitoba大學(xué)高壓直流輸電研究中心研發(fā)的電磁暫態(tài)分析軟件包，其主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，對切換過程的暫態(tài)波形可以得到很好的仿真結(jié)果。PSCAD有網(wǎng)絡(luò)版(EE)和個人計算機(jī)版(PE)。PE版適用于低于15個節(jié)點的仿真系統(tǒng)，大于15個節(jié)點的系統(tǒng)要用EE版151。

圖2 PSCAD仿真用主電路
Fig. 2 Main circuit for PS-AD simulation
　　電機(jī)仿真參數(shù)如下：額定線電壓為6 kV，額定相電流為0. 159 kA，極對數(shù)為8,額定負(fù)載下的功率因數(shù)為0. 8，額定負(fù)載下的效率為0. 935，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率為0. 008，額定電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩為1，最大轉(zhuǎn)矩為1. 8,額定電壓下的啟動電流為6(標(biāo)么值），機(jī)械阻尼為0. 008。
　　2．1異步切換仿真
　　異步切換時電機(jī)定子電流波形如圖3所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運行5．5 S時斷開工頻電源，5. 55 S時異步切換到高壓變頻電源。由圖3看出，異步切換時電流沖擊非常明顯，為額定電流的30倍左右，對電機(jī)和高壓變頻器造成很大的沖擊，而且電機(jī)恢復(fù)的穩(wěn)定運行的時間較長，超過1. 5 S,電機(jī)震動非常劇烈。

　　 圖3異步切換時電機(jī)定子電流i。的波形
Fig. 3 Stator current curve of asynchronous-switching
　　2．2同步切換仿真
　　同步切換時的電機(jī)定子電流波形如圖4所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運行5．5s時斷開工頻電源,5. 55 s時同步切換到高壓變頻電源。由圖4可以看出，采用同步切換方式時電流有比較小的沖擊，大約是額定電流的2. 5倍。切換到高壓變頻電源0．25 s后，電機(jī)能重新進(jìn)人新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4同步切換時電機(jī)定子電流i：的波形
Fig. 4 Stator current curve of synchronous-switching
　　2. 3軟切換仿真
　　軟切換時的電機(jī)定子電流波形如圖5所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運行5．5s時斷開工頻電源，5. 55 s時軟切換到高壓變頻電源。由圖5可以看出，軟切換時高壓變頻電源開始由一個比較低的電壓和頻率對電機(jī)供電，在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定的情況下，電機(jī)所受的沖擊電流非常小，與電機(jī)額定運行電流基本保持一致，逐步升高高壓變頻器的輸出電壓和頻率，使電機(jī)比較平穩(wěn)地過渡到額定運行狀態(tài)，實現(xiàn)了無擾的軟切換。

圖5軟切換時的電機(jī)定子電流i：的波形
Fig. 5 Stator current curve of soft-switching
　　3軟切換方式的實現(xiàn)
　　軟切換是在同步切換的硬件基礎(chǔ)上，通過控制器的特殊邏輯設(shè)計，完成工頻電源與高壓變頻器之間的軟切換。電機(jī)運行在工頻電網(wǎng)需要切換到變頻調(diào)速運行時，首先利用相位檢測及鎖相控制使高壓變頻器跟蹤電機(jī)端殘壓相位和頻率，選擇最優(yōu)的高壓變頻器工作運行點投人高壓變頻器，然后逐步升高變頻器的輸出電壓和頻率達(dá)到工頻電壓和頻率值，使電機(jī)逐步運行到額定狀態(tài)。這時電機(jī)沖擊電流最小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。高壓變頻器旁路運行切換瞬間，控制變頻器提高變頻器的輸出電壓和頻率，跟蹤電機(jī)端殘壓幅值和相位進(jìn)行切換，實現(xiàn)高壓變頻器與工頻電源之間軟切換。
　　4結(jié)語
　　 高壓變頻器在工頻旁路運行的切換時，要盡可能減少切換過程對電網(wǎng)、高壓變頻器以及電機(jī)的沖擊。本文提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實現(xiàn)方法。對于需要頻繁切換的高壓大容量變頻拖動系統(tǒng)，采用軟切換方式可以避免過大的沖擊電流，保證轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過渡。