变频器直流母线（精选7篇）
变频器直流母线 篇1
摘要：介绍变频器的基本结构和工作原理, 通过分析变频器直流母线电容器的特征, 指出检测漏电流的必要性和活化长时间存放劣化的变频器直流母线电容器的方法, 最后介绍工厂较易实现的变频器活化方法, 并建议每年对存放的变频器做预充电活化一次, 以保证变频器直流母线电容器不因长时间存放而劣化。
关键词：变频器,直流母线,电解电容,漏电流,活化,限流电阻
0 引言
变频器由主电路和控制电路组成。其中, 主电路又由输入整流单元、中间直流环节和逆变输出单元组成。由于变频器中间直流环节的大容量电解电容长期存放后会劣化, 因此一年内至少对变频器充电一次。如果变频器长时间存放而未充过电, 那么突然上电, 过大的漏电流和纹波电流的共同作用将使电解电容器过热而发生“爆浆” (也称为“爆壳”) 事故。为了防止类似事故的发生, 长期存放的变频器投用前最好从变频器上将直流母线电容器拆解下来, 检测电容器的漏电是否符合要求, 必须时要进行活化处理。
1 电解电容器漏电流检测与活化方法
图1是一种简易的电解电容器漏电检测电路。被检测的电容器若漏电, 则Ri电阻上会产生电流, 两端会产生压降, 反之, 无电流则无压降。漏电流的大小与电容类型、质量、电压等实时关联, 只要测出Ri电阻两端电压, 通过欧姆定律就可计算出漏电流。漏电流值在该类型电容器规定容许范围内, 则属于正常。
电路启动工作时, 在空载或被测电容无漏电情况下, 因滤波电容上的均压电阻和并联的泄放电阻Rt会保持电路的稳定使空载电压不会升高, 故测量点热端的电压会根据接入Rn限流电阻各档的阻值得到一个档次的测试用电压 (根据输入电压变化) 。热端输出为260V, 实际应用中即使测试耐压250V电容, 安全方面亦不会发生问题。原因一是若电容漏电, 热端电压会因出现漏电负载而下降;原因二是电阻Ri可充当限流电阻。
若电容漏电流严重超标, 则需安全可靠地活化劣化的电容, 一般按图2电路和相应步骤进行。
第一步, 先做低弱电活化, 取电容标称耐压值1/5~1/8的电压对电容试充电。充电1s后, 断开电源, 观察电容有无异常, 手摸电容外壳有无发热;若正常, 则用万用表测量电容是否已建立起电压值。一般长期闲置电容的这个电压会因内部漏电而以较快速度回落, 这是正常现象;但是已损坏电容是建立不起这个电压值的。若能建立电压值, 则证明此电容可继续下步的活化程序。
第二步, 使用快速放电法激活电容。断开电源, 将电容两极短路 (为了防止电火花, 可用一只100W普通白炽灯泡串接放电) , 进行快速充电, 要如此往复进行多次充放电才会取得活化效果。然后, 将需要活化的电容以电容标称耐压值1/5~1/8的低压充电一至几小时进行初步老练, 通电后, 电容若发热, 但接入的极性正确, 则要考虑电容漏电严重无法继续活化。
第三步, 取电容标称耐压值1/2~2/3电压, 重复实施第二步的快速充放电过程, 再以此电压对电容继续充电几小时, 再次进行老练, 并观察电容有无异常、有无发热。
第四步, 取电容标称耐压值80%~90%电压, 重复实施第二步的快速充放电过程, 再以此电压对电容继续充电24h, 进行深层次老练, 并观察电容有无异常、有无发热。
通常, 电解电容经以上步骤后均能恢复原有容量, 且漏电流均能恢复正常值, 此时电容耐压值已基本恢复。
2 工厂简易变频器活化方法
鉴于将电容器从变频器本体拆解下来检测漏电流和活化处理, 需要经验丰富的电工师傅经过专门培训后才可以胜任, 下面介绍三种比较简易的活化方法。
2.1 使用交流调压电源对变频器充电活化
可调压电源的选择取决于变频器的供电电源。单相或三相变频器均可采用单相调压电源充电 (L+接L1、N接L2或L3) , 对于进线电压为单相或三相AC 230V的变频器, 可采用单相AC 230V、2A调压器。由于是同一个整流器, 因此所有的直流母线电容将同时充电。具体的充电步骤按产品说明书进行。较常用品牌变频器对存放时间及活化要求见表1。
若产品说明书没有明确说明变频器活化充电步骤, 则可按图3进行变频器空载充电活化。
(1) 变频器存放时间小于1a, 不需要充电。
(2) 变频器存放时间超过1a, 小于2a, 按“1”线全压空载充电1h。
(3) 变频器存放时间超过2a, 小于3a, 按“2”线从25%额定电压开始逐步加压到额定电压, 每步约30min。
(4) 变频器存放时间超过2a, 小于3a, 按“3”线从25%额定电压开始逐步加压到额定电压, 每步约120min。
因为电容充电时电流非常小, 所以可使用小容量调压电源, 如2A。
2.2 使用直流调压电源对变频器充电活化
在变频器一次接线端子排上大都会有一对标有正负极符号的端子与直流母线相连, 通过这两个端子, 可将可调的直流电源加到变频器直流母线上, 用来活化直流母线电容。此直流充电电流不宜过大, 一般要求小于500mA, 因此需在直流可调电源与变频器间串联一个不小于300Ω的限流电阻。
存放2a内的变频器可直接用交流电空载充电;只有存放超过2a的才考虑用直流充电活化, 活化充电时间和充电曲线可参照交流充电曲线。最终充电活化的直流电压要达到变频器额定交流输入电压的1.35~1.45倍。
2.3 工频电源充电活化
对于2~3a未上电变频器, 先将单相220V接入变频器输入端, 并监控直流母线电压, 待直流母线电压稳定后持续充电2h;然后将单相220V电源改为两相380V电源加到变频器输入端, 待直流母线电压再次稳定后持续充电约2h;最后在变频器输入端施加三相380V电源, 待直流母线电压稳定后再持续充电4~6h。这样, 变频器活化过程结束。
对于存放3a以上未上电变频器, 预充电时, 首次接入单相220V, 接通几秒断开, 再接通几秒断开, 通电时间随次数逐渐延长, 断电时间随次数逐渐缩短, 最后连续通电。长期不通电的电解电容器相当于短路状态, 通电和断电的目的是激活电解液, 若一次性强制通电, 则短路充电电流就可使电解电容器爆炸。
3 结束语
变频器长期存放后需进行预充电活化, 对此本文介绍了三种简易的空载预充电活化方案。为了减轻变频器活化任务, 建议电气负责人员和仓库负责人员共同更新变频器存放保管的SOP标准程序, 明确变频器存放过程中最好每年对存放的变频器做一次1h空载预充电, 以保证变频器各项功能的完好。
参考文献
[1]袁国辉.电化学电容器[M].北京:化学工业出版社, 2006
[2]林学清.铝电解电容器工程技术[M].厦门:厦门大学出版社, 2007
[3]徐海.变频器原理及应用[M].北京:清华大学出版社, 2010
[4]李芳圆.变频器原理与维修[M].北京:机械工业出版社, 2009
[5]王廷才.变频器原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2011
[6]毛卫闽.电容器铝箔加工材料学原理[M].北京:高等教育出版社, 2012
[7]陈永真.电容器手册[M].北京:科学出版社, 2008
[8]张治安.电化学电容器的特点及应用[J].电子元件与材料, 2003, 22 (11) :1-5
[9]李正吾.新电工手册上册[M].第2版.安徽:安徽科学技术出版社, 2014
变频器直流母线 篇2
1 系统原理
根据直流母线供电原理, 设计了一种实现多台抽油机群控的变频节能装置[1]。该技术的特点为:利用变压器对电网电压进行降压处理, 再通过整流滤波装置把交流电转变为600 V的直流电, 将多台抽油机变频控制终端系统配挂在直流母线上进行群控, 实现群控网络上多台抽油机倒发电能的循环共享, 既减小了网侧的谐波污染又提高了系统的功率因数, 实现了节能减排的目的 (图1) 。
2 主要研究内容
测试某油田单独运行的4口油井, 由4台变压器供电, 油井平均距离约为300 m, 改造前为“一拖一”单井, 改造后为“一拖四”共直流群控系统, 分别对使用共直流母线群控系统前后的油井运行情况进行了测试与分析, 其中电参数的测试项目主要包括了变压器二次侧以及抽油机单井的电压、电流、有功功率、功率因数;除电参数的测试以外, 对每口油井的产液量进行了同步计量。共直流群控系统使用前, 各单井均处于工频运行状态;共直流群控系统使用后, 各单井根据工况, 分别运行于不同频率。根据测试结果, 从三个方面对共直流母线使用情况进行了分析:各单井运行情况;变压器运行情况;群控系统运行情况。
3 节能分析
3.1 单井运行情况分析
使用群控系统前后, 单井产液量及电参数的测试对比见表1。可以看出:
1) 油井1改造前为工频运行, 改造后为变频50 Hz运行, 油井的冲速、产液量未发生变化, 但由于使用了逆变单元, 其中电力电子器件在运行中会产生损耗, 因此单井的有功功率比未使用逆变单元时要略微升高。
2) 油井2改前为工频运行, 改后为变频48 Hz运行。在频率48 Hz运行时, 电动机转速变化不大, 对油井冲速的影响有限, 所以产液量变化不明显, 运行电流稍有下降, 有功功率降低但变化不大。
3) 油井3和油井4, 由于改后运行频率变化较大, 因此冲速降低明显。从表1可以看出, 这2口井改后产液量虽稍有降低, 但变化量小, 但有功功率明显降低, 节能效果显著。由此可见, 对于群控系统, 使用变频调速是实现节能的前提条件, 就是实现电动机与泵的最佳配合。
3.2 变压器运行情况分析
改造前后, 变压器二次侧的相关电参数及容量统计情况见表2。可以看出共直流母线群控系统对变压器运行方面的影响:
1) 实现了变压器的有效降容、减少容量费的投入。使用群控系统前, 4口油井分别使用50 k VA变压器, 总容量200 k VA, 使用群控系统后, 仅使用1台100 k VA变压器, 总容量费下降50%。
2) 改造前, 为了满足电动机的启动以及过载要求, 往往选取比较大的电动机与变压器。但实际运行中, 油井的平均负荷较小, 因此抽油机电动机、变压器的负载率比较低, 不利于设备的经济运行。使用群控系统后, 几台抽油机可以共用1台变压器, 变压器的负载率提高, 设备运行更加经济。
3) 改造后, 在保持各油井产液量不变并运行于变频状态, 各油井的总有功功率明显低于“一拖一”单井运行方式产生的有功功率, 有功节电率约14%, 具有明显的节能效果。
4) 由于群控系统整流单元, 使用群控系统时, 变压器的功率因数明显高于未使用群控系统, 对整个群控井群以及配网都是有益的。
3.3 群控系统运行情况
根据单井及变压器二次侧的测试结果, 得到群控系统使用前后的损耗对比情况 (表3) , 由于群控系统中间环节较多, 相应各环节的损耗较高, 因此系统整体损耗要高于普通工频运行产生的损耗, 但由于群控系统将抽油机的倒发电能量利用, 能够实现油井的实时变频控制, 因此系统的节能效果明显。测试过程中整流单元入端 (变压器二次侧) 及单井逆变单元的有功功率波形如图2、图3、图4所示。可以看出, 虽然有2口井有不同程度的倒发电情况, 但在整流单元的入端均未能检测到电能的回馈, 说明群控系统可以很好地解决抽油机倒发电问题。
4 结论
采用直流母线群控技术, 避开多口油井大电流的峰值叠加, 互相避峰填谷, 大幅度降低母线电流, 使总容量降低了50%以上, 减少了配电变压器的使用数量, 减少了容量费的成本支出;直流输电线路压降较小, 电能损耗较低, 且直流输电容量约为交流的2倍左右, 仅用2根电缆替代交流架空线路需用的3根电缆, 可节约资金30%以上;处于电动运行的抽油机能够汲取处于倒发电状态下抽油机发出的电能, 避免了倒发电量回馈至电网, 省去馈能处理单元, 降低各单井变频终端投资约20%。实现了节约能源、降低成本的目标, 该节能研究成果具有推广与利用价值。
摘要：抽油机是油田机采系统主要能耗设备之一, 针对抽油机存在的严重倒发电问题, 将多台抽油机变频控制终端配挂在直流母线上, 实现油区内多台抽油机倒发电能的互馈共享。以某油田对该系统的实际应用测试为例, 对比了使用该技术前后的节能效果。结果表明, 该系统有效地降低了投资成本, 提高了系统功率因数, 实现了节能降耗。
关键词：抽油机,倒发电,直流母线群控系统,变频控制,节能分析
参考文献
变频器直流母线 篇3
直流场单极除了高压直流母线电压(Ud H,额定值800 k V)、中性直流母线电压(Ud N,额定值0 k V)两个电压监测点外,还有一个高、低端阀组间中压直流母线电压(Ud M,额定值400k V)监测点,如图1所示。
中压直流母线电压Ud M,作为高端阀组低压侧和低端阀组高压侧的电压,在阀组控制系统中参与电流差值和电压差值的计算,得出触发角;在阀组保护系统中直接作为换流器开路(直流过压)保护判据使用量。若Ud M测量数据异常, 对控制和保护系统均会造成影响。本文根据楚穗直流两起实际发生的Ud M测量数据异常造成高低端阀组过压保护动作、电压控制功能异常进而引发直流闭锁事件,分析了Ud M测量数据异常原因及相应改进措施。
1直流场中压母线电压
1.1在控制系统中的作用
正常运行时,整流站处于电流控制模式, 它是通过计算目标电流与实际电流差值,控制触发角大小的控制模式。由于高低端阀组串联, 高低端组控的电流参考值由极控同时下发,大小相等。在进入组控后还需要考虑电压平衡控制模块输出的电流调制量的调节。阀组电压平衡控制功能输出值,它采集一个极的两个串联阀组的出口电压,根据两个串联阀组的出口电压差对电流参考值进行修正,从而保持两个串联阀组运行电压差一致。
正常运行时,高低端两个阀组的直流电压相等。Ud M测量异常将偏离400 k V,如Ud M偏小, 控制系统判定两阀组直流电压不平衡,则高端阀组输出电压Ud H-Ud M大于低端阀组输出电压Ud M- Ud N,控制触发角的调节器输出为正,此输出取反后送给高端阀组控制系统,使高端组控的电流参考值减小,以增大高端阀组的触发角,使高端阀组电压降低;送给低端组控值为正,使低端组控的电流参考值增大,以减小低端阀组的触发角, 使低端阀组电压升高。
同理,若Ud M偏大,低端阀组增大触发角数值, 高端阀组减小触发角数值。高低端阀组控制系统的一升一降导致两阀组的角度差的出现。此时, 高低端阀组运行在不同的触发角状态下,整流产生的谐波次数幅值均不同,叠加后在Ud M测点处出现高电压,危及设备绝缘。
一般而言,测量、保护、监控系统均配置双套, 两套测量系统对应两条数据总线TDM,TDM 1的数据被控制系统1和保护系统1使用,TDM2的数据被控制系统2和保护系统2使用。若任一测量系统故障,监控系统能迅速自动切换至另一正常测量系统。
1.2在保护系统中的作用
阀组过压保护判据直接用到了Ud M值,具体如下。
Ⅰ段判据:当高端阀组Ud H-Ud M> 0.515 p.u且Idc H= 0,或低端阀组Ud M-Ud N> 0.515 p.u且Idc H= 0, 延时40 ms闭锁阀组;
Ⅱ段判据:当高端阀组Ud H-Ud M> 0.52 p.u, 或低端阀组Ud M-Ud N> 0.52 p.u,延时1 000 ms闭锁阀组;
Ⅲ段判据:高端阀组Ud H-Ud M> 0.775 p.u,或低端阀组Ud M-Ud N> 0.775 p.u,延时40 ms闭锁阀组。
由此可见,若Ud M测量值出现异常,将直接导致保护动作误闭锁阀组,对直流输电影响极大。 在工程实践中同时运行的两套保护,当其中一套保护元件判据满足定值时,在保护逻辑上采取了出口前预告警并切换TDM总线的处理方式,采用另一总线数据若判据仍然满足,该套保护才会动作出口,保证了单一测量系统故障不应导致保护误动作。
2实例分析
Ud M偏低引起高端阀组跳闸案例
楚雄换流站极Ⅰ双阀组金属回线方式运行,极Ⅰ高端阀组第二套保护Ud M从373 k V瞬时跌落至160 k V,保持1.028 3 s,在这段时间内Ud H的值为772 k V,Ud H和Ud M做差值,(Ud H-Ud M)>0.52 p.u(416 k V),满足保护定值。
根据设计原理,单一测量系统故障不应导致保护误动作,为此,在保护逻辑上采取了出口前预告警并切换TDM总线的处理方式。从TFR录波(图2)可见,在极Ⅰ高端阀组第二套保护发出ESOF(紧急停运)命令前,切换了TDM总线, 但是保护系统2的Ud H-Ud M值仍没有反应实际情况,满足保护动作条件,预告警延时结束后,发出ESOF命令,闭锁高端阀组。
经检查极Ⅰ测量的两套测量系统屏,未发现测量设备告警,光纤通道指示灯也正常,初步可以排除测量屏内板卡和光纤通道异常,排除以上可能,则故障范围缩小到极Ⅰ 400 k V母线分压器。分压器内的3块OPT5(光电传感器)分别送测量系统1、测量系统2和备用,用万用表测量三块OPT5对应的电压值,发现测量系统2的OPTO5已损坏,接入备用OPT5后测量值恢复正常。
通过分析保护逻辑可知,保护达到延时前3ms的时候发预告警进行测量系统切换。但是,在测量系统切换之前,Ud H和Ud M的差会经过256个周期的求平均值处理,已经达到一个稳定值, 测量系统切换后的3 ms不足以将256个周期的平均值降下来,没有及时跟随切换后的Ud M实际值, 导致保护在测量系统切换后仍动作出口,造成单阀组或单极闭锁。
3结束语
楚雄站极Ⅰ高端阀组过压保护到达延时前3ms的时候发预告警进行测量系统切换。在切换之前,Ud H和Ud M的差经过256个周期的求平均值处理,已经达到一个稳定值,测量系统切换后的3 ms不足以将256个周期的平均值降下来,导致保护仍动作出口,造成阀组闭锁。将该逻辑改为当发生TDM总线切换时,取消对Ud H和Ud M的差求平均值,直接将Ud H和Ud M的差作为输出, 进入保护判据模块中进行计算,即可解决测量系统切换后保护数据不能及时跟随的问题。并通过FPT试验对修改后的逻辑进行了详细的仿真验证, 证明了更改该逻辑不影响保护正常运行。
根据中压母线电压Ud M测量值异常案例可知, 光电传感器故障是测量系统异常主要原因之一[2,3], 通过完善阀组过压保护逻辑,使其数据在切换测量系统TDM总线后可以及时刷新,避免了单一TDM总线故障时阀组过压保护动作出口闭锁阀组。
需要指出的是控制系统并没有判断出光电传感器异常导致的Ud M数据异常,异常Ud M值仍能作用于控制系统,引起错误的控制动作。因此, 还需要通过特高压直流控制设备功能性试验和现场运行调试,完善特高压直流工程的控制系统, 提高特高压直流系统安全稳定运行的能力。
参考文献
[1]蒋大海,李宝香,杨敏,等.TDM总线在高压直流输电中的应用[J].电力系统保护与控制,2010,38(23):238-240.
[2]王超,周翔胜,汪洋.云广±800 k V直流输电工程直流测量系统异常情况分析[J].南方电网技术,2010,4(5):36-38.
变频器直流母线 篇4
关键词：功率因数,电压前馈,电流前馈
1 引言
天津钢管集团有限责任公司460大型钢管厂主轧线传动采用共用直流母线的多逆变器传动方案。其直流母线使用的是意大利安塞尔多公司的SILCOPAC SPDMR产品。SPDMR的主回路是由两套反并联晶闸管组成的三相全控桥构成。这种拓扑结构与不可控的二极管整流桥相比, 可以实现能量的双向可控流动且能省下给直流母线电容的预充电回路。由于系统采用合理的电压等级设计该系统可以同二极管整流桥一样保证很高的网侧功率因数。SPDMR的控制部分采用电流环、电压环双闭环外加电压前馈、电流前馈功能块的控制方案。这种电流前馈、电压前馈功能块可以保证系统的动态响应足够快。本文就从SPDMR的主回路和控制部分两方面阐述SPDMR的系统特性。
2 系统主回路
系统主回路拓扑结构如图1所示。图1中, 三相750 V的交流电一路经过三相交流进线电抗器后送入SPDMR的正向桥整流后送出1 000 V的直流电;另一路经过750 V/930 V的升压自耦变压器后送入SPDMR的反向桥, 这组反向桥的作用是将电机的制动能量回馈电网。整流后的直流母线串入直流平波电抗器以滤除电流谐波。中间直流回路并联了一个二极管D和大量的滤波电容C。这个二极管作用是在直流母线故障过电压情况下给电容提供的放电通道。
根据三相全控桥的电压计算公式:
Ud=1.35 ULcos α
式中:Ud为直流母线电压;UL为电网的线电压。
由于UL=750 V, Ud=1 000 V, 系统在带载情况下, α角是完全打开的。此时的正向桥相当于二极管的不控整流桥。这种工作状态较之深度控制α角的晶闸管整流桥可以使进线侧的功率因数接近于1, 但前提必须是系统的输出电流连续。由于中间直流回路采用大电容作为滤波器, 系统只有在带载的情况下对电容器的充电电流才连续, 这时α角完全打开。根据现场实测, 系统在不带载时功率因数只有0.4左右, 一旦带载以后功率因数一般会达到0.93以上。
由于系统的整流方式相当于二极管的不控整流, 所以系统的制动能量必须要通过升压的自耦变压器将这部分能量回馈到交流电网。升压自耦变压器在系统中起的作用为提高逆变过程中的最小逆变角βmin (1.35×930×cos βmin=1 000, βmin=37°) 避免了由于变压器二次侧漏抗引起的换向重叠角而导致的逆变颠覆。
中间直流回路的滤波大电容是保证直流母线电压稳定的必要条件。系统规定只有母线电容量 (Ctot) 满足下述关系时才能保证母线电压的稳定而不会出现持续振荡。
undefined
式中:∑Ib为逆变器吸收的电流总和;Vrete为直流母线额定电压。
3 系统控制部分
系统控制原理方框图如图2所示。
SPDMR的控制方法类似于直流电机的双闭环调速。它也由双闭环串级, 内环是电流环, 外环是电压环, 此外还采用电压前馈以及电流前馈, 以保证系统有足够快的动态响应。下面就根据控制方框图分析框图中每一部分的作用。
3.1 电压给定环节
直流母线电压给定 (Ud0) 是根据电压传感器测量得到的电网线电压 (Uv0) 乘以1.35倍的系数得到的。这说明该系统是电压随动系统而不是定值控制系统。电压给定是随电网电压的变化而变化的。这么做的目的是为了避免电网电压瞬间跌落造成没有足够反向电压关断晶闸管而造成晶闸管的失控。
该系统没有给电容的预充电电路。为了避免系统上电的冲击电流, 给电容的预充电采用电压斜坡功能来实现。
由于实际电路肯定存在线路压降, 负载电流越大则线路压降也越大。这就造成实际的电压反馈在大电流情况下不论怎么调节始终低于电压给定。这就可能造成电压调节器的饱合。为了避免其饱合, 我们在给定环节中引入一个电压偏置 (Uofs) , 用这个电压偏置向下拉一下电压给定。这样实际的电压给定Ud0满足下述关系式:
Ud0=1.35Uv0+Uofs (Uofs<0)
3.2 电压调节环节
电压调节环节由两部分构成:一部分是PI类型的电压调节器;另一部分是在电压调节器上并联的电压前馈调节器。如果将电压调节器和电压前馈调节器的传递函数合并, 电压前馈调节器就是电压调节器的微分算子。在电压调节中起着微分超前作用, 这样可以提高系统的动态响应, 特别是在电机的加速和减速过程中。由于微分调节会产生较多的高频分量, 必须要通过低通滤波器将高频成分滤掉。
在整定电压前馈调节器时需要输入整个直流母线所带的电容量。这个电容量计算的准确与否很重要。这在实际调试过程中就出现过电容值输入的不正确而导致系统出现强烈振荡。
电压调节器和电压前馈调节器的输出经过限幅环节后其大小经过绝过值变换作为电流调节环节的给定信号;正负号经过滞环处理后用来进行正反桥的切换。
3.3 电流调节环节
电流调节环节同电压调节环节类似, 也是有两个调节器构成的。一路是PI类型的电流调节器, 另一路为电流前馈调节器。这两个调节器的输出之和即为系统实际触发的α角。
α=Iout+AlaFF
式中:Iout为电流调节器输出;AlaFF为电流前馈调节器输出。
电流前馈调节器在系统中起到的作用非常关键。由于系统在电流断续时最高输出电压为undefined在电流连续时最高输出电压为1.35×Uv0, 这就使得以固定的α触发在电流连续和断续时输出电压会出现非线性变化。
电流断续与连续时不同的α角直流母线电压与电流的特性曲线如图3所示。
如果系统单纯用电流调节器对这个非线性过程进行调节时, 系统的动态响应将会非常慢。采用电流前馈调节器后, 前馈调节器根据电网线电压Uv0、电流给定Ia0和直流电压给定Ud0直接计算出α前馈角 (AlaFF) 。这样可以使电流调节器对系统动态变化有足够的响应能力。
在整定电流前馈调节器时一定要将α前馈角 (AlaFF) 和实际触发的α角之间的偏差调至最小, 以保证动态响应速度足够快。这套系统在调试期间就曾因为AlaFF和α角之间的角度偏差太大而使连轧主机传动一度在咬钢时多次出现欠电压, 抛钢时多次出现过电压现象。
触发角α在送入移相环节前还需要经过两个限幅环节:一个是限制α角的最大变化率 (GRADIENT) ;另一个是最小值 (min) 和最大值 (max) 的限幅。
这套系统在设计上还有一个独到之处就是有两套电流调节器, 这两套电流调节器在系统配置时就可以将其中一套的逆变桥封死。两套调节器通过逆变器的零速信号来切换。这么设计的目的是因为直流母线处于回馈制动时如果电网电压故障时间大于2 ms, 则可能发生换相失控而烧坏熔断器。通过上述配置后, 如果逆变器不运行的话就不需要使用反相桥, 这样可以尽量避免熔断保险。
4 结论
SPDMR由于采用合理的电压设计保证了较高的网侧功率因数且系统采用了电压、电流前馈控制策略, 使系统的动态响应非常快。据测量电流环的调节时间一般小于5 ms, 电压环调节时间一般在10 ms左右, 完全满足轧钢系统的高动态性能要求。系统的稳定性及鲁棒性较高, 现场应用时故障率较低。
参考文献
[1]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.
变频器直流母线 篇5
直流接地危害很大, 有造成保护误动的可能。在变电站现场发生直流接地不及时处理, 发生两点接地有时造成断路器误跳闸或拒跳, 导致严重事故。下面以笔者工作维护检修管辖范围内的变电站为例, 对直流接地导致跳闸进行详细分析。
1 220k VA变电所运行情况概述
220k VA变电所内使用了国电南京自动化股份有限公司PST1200主变保护、许继电气股份有限公司WXH-811A线路保护、南京电力自动化设备总厂PSR662测控装置、国电南京自动化股份有限公司YQX-12P电压并列装置、南京南瑞继保电气有限公司RCS9651进线备自投装置、无锡斯达电器公司GZDW直流系统等二次设备。
2 直流接地拉路情况及110k V失电分析
2.1 直流接地拉路情况
2009年8月16日14时20分, XX变值班员接到调度员电话:A变二号直流屏绝缘降低报警, 通知人员至现场处理。
15时00分:值班员汇报调度员:绝缘监察装置提示为K1支路接地, 现场为“监控电源”回路 (主变、线路、公用测控等测控装置及电压并列装置直流电源) , 他们直接拉直流Ⅱ屏上K1支路出线空开, 看在线绝缘监测装置直流接地还是在报警, 送上K1支路出线空开 (拉开空开已经超过3秒时间) 。随后拉直流Ⅱ屏上K2支路出线空开 (1#主变第二路直流电源) , 此时听到电度表屏有报警声音, 送上K2支路出线空开。
15时17分:发现现场保护装置“PT断线”信号打出, 检查发现1号主变保护屏上操作箱中压侧开关在“跳位”, 所有110k V主变及线路电度表无压, 立即汇报调度员:1号主变701开关跳闸, 主变保护装置只有开关变位信号, 没有保护动作信号.然后接调度员命令:合上1号主变701开关。合上后“PT断线”信号消失, 运行正常。
2.2 处理直流接地情况
保护人员到变电所, 先查直流接地, 用万用表测量直流“+”对地显示为0V, 分路拉测控装置电源空开, 当拉开公用测控装置1ZK电源空开时, 万用表测量直流“+”对地显示为+110V, 送上1ZK电源空开。分别解开信号公共端800, 解开至220k V正母线PT端子箱电缆信号公共端800时, 直流电压恢复正常, 接好电缆线头;检查2147接地刀机构箱电缆, 查出至挂地线接地锁电缆有接地, 发现由于基础下沉导致镀锌管压破电缆芯线绝缘皮, 电缆芯线搭接到机构箱外壳上造成直流“+”接地。
2.3 开关跳闸检查
根据运行人员报告的情况:拉直流Ⅱ屏上K2支路出线空开 (1#主变第二路直流电源) 时, 1#主变701开关跳闸, 也听到室外开关动作的声音, 这样说明电源回路有问题。先检查主变保护两路电源, 从直流屏至屏顶, 到主变两套保护, 检查无异常无寄生回路;再检查跳闸回路, 外部跳701开关的有110k V母差保护和110k V汪浩线进线备自投, 110k V母差保护装置上无动作信号;检查110k V汪浩线进线备自投保护装置上跳闸和合闸灯都亮;再检查110k V汪浩线WXH-811A保护装置面板无动作信号灯亮, 汪浩线开关在跳位。
2.4 开关跳闸分析
2.4.1 220k VA变备用电源自投说明及动作原因
运行采用拉路法查直流接地时, 当拉开直流屏监控电源时, 变电所PT并列装置失去控制电源, 110k V压变二次电压回路断开, 备自投检测正负母线均无压, 开始启动, 由于当时主变110k V侧负荷很轻 (0.03A) , 负荷电流小于备自投有流闭锁定值, 备自投经3.1s正确动作跳开701开关后, 合上763开关。
2.4.2 事故整个过程
运行采用拉路法查直流接地时, 当拉开直流屏监控电源时, 变电所PT并列装置失去控制电源, 由于PT二次电压重动继电器为单位置型, 当直流消失时继电器返回, 110k V压变二次电压回路断开, 备自投检测正负母线均无压, 开始启动, 由于当时主变110k V侧负荷很轻 (0.03A) , 负荷电流小于备自投有流闭锁定值, 备自投有流闭锁不起作用, 3.1s备自投动作跳开701开关后, 合上763开关, 由于二次电压还没有恢复, 763开关合上后, 距离加速动作又跳开763开关, 造成变电所110k V失电。
3 整改方案
3.1 规范采用拉路法查找直流接地时拉路的方法
使用拉路法查找直流接地时, 至少应由两人进行。首先根据接地检测装置提示的支路, 先拉该支路的各分路开关, 再拉总开关, 不得直接拉停直流屏上的各支路开关;先拉先信号电源, 后控制电源。
拉路前一定要先清楚本路电源断开后, 会造成的保护和安全自动装置的不正常运行状态, 如可能造成保护及安全自动装置误动, 应做相应的安全措施后才能进行, 不能盲目的实施;压变的控制直流电源禁止拉停;雷雨天气时, 禁止拉路查找直流接地。
排查全市所有变电所, 对直流馈线支路拉路后是否会引起保护装置及安全自动装置误动进行一次排查和分析, 并在变电所运规中增加相应条款, 明文规定拉路的顺序并对运行和检修人员进行宣贯, 使运行和检修人员能熟练掌握。
当运行人员仍查找不出直流接地点时, 报一类缺陷, 由检修人员用仪器仪表进一步查找。
3.2 PT电压重动继电器宜改为双位置继电器方式
A变PT电压重动继电器采用的是单位置继电器, 当直流电源电压消失后, 继电器返回, PT二次电压回路断开, 110k V母线二次失压是造成本次事故的一个原因。
为防止发生类似事故, A变PT电压重动继电器宜改为双位置继电器方式, 但必须保证双位置继电器及PT刀闸辅助接点质量可靠, 并满足刀闸合闸时, 其常闭辅助接点应先断开, 常开辅助接点再闭合;刀闸分闸时, 其常开辅助接点应先断开, 常闭辅助接点再闭合。
4 结论
新上220k V变电所, 若采用和A变相同的备自投方式, 在投运后主变没带上大负荷之前, 如果压变回路有问题, 电源跳开, 均会造成备自投误动作。
为了避免类似二次失压情况, 现将进线保护退出。同时退出其他变电所的所有进线备自投备用进线的保护, 当该线路改做出线运行时, 再投入保护。
参考文献
[1]国家电力调度通信中心.继电保护培训教材.北京:中国电力出版社, 2009.
变频器直流母线 篇6
目前对APF直流侧电压多是采用PI控制或模糊控制,但PI控制依赖于系统精确的数学模型,鲁棒性差、易引起电压超调和电流冲击[2];模糊控制不依赖被控对象的数学模型,稳态效果也比常规的PI控制效果好,但缺点是动态过程中直流侧电压控制效果不理想[3]。
文中建立了混合有源电力滤波器的仿真模型。针对直流侧电压控制系统设计了一套双模糊控制器。仿真结果表明,该有源电力滤波器能有效地消除谐波电流,同时具有良好的动态补偿特性。
1 源滤波器工作原理及主电路设计
混合有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而使电网中只含有基波,达到滤波的目的。
并联混合有源电力滤波器原理如图1所示。该混合型有源电力滤波器由LC无源滤波器和有源滤波器两部分组成。混合型APF以电压型逆变器作为其有源部分,与无源部分和负载并联接入电网[3]。
特定次谐波主要由无源滤波器消除,采用多个单调谐滤波器组成,单调谐滤波器的调谐频率根据被补偿对象的谐波成分确定,无源滤波器可由5次、7次和11次单调谐滤波器构成 [2]。
APF系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路组成。工作原理是:通过检测负载电流Ll和电网电流Is,提取其中的谐波电流,进而通过控制三相半桥逆变器输出与谐波电流相反的补偿电流Ic,最终使Is趋近于正弦。
2 直流侧电压控制方法
2.1 双模糊控制方法
本文提出了一种直流母线电压的双模糊控制方法[4,5,6,7]。该方法由于控制器的增多,改善了控制性能,使系统的控制时间、动态响应加快、稳态误差变小,并且算法实现简单,满足多种负载变化情况下的直流母线电压控制要求。
双模糊控制器的设计思想是从人工调节中的粗调、细调乃至微调中得到启发而来,其结构如图2所示。
双模糊控制器的优点在于可根据不同的运行条件,自动在模糊控制器1和模糊控制器2之间切换,这样可以在保证系统控制精度的前提下,达到提高系统快速性、增强控制鲁棒性的目的。
双模糊控制器实现自动切换的原则定义如下:当系统电容侧电压的变化量ΔU大于设定值e0时,由模糊控制器1进行控制,可提高系统动态响应性能;系统进入稳态后,电容侧电压的变化量ΔU小于设定值e0时,切换到模糊控制器2进行控制,可更好地消除系统的稳态误差,提高系统的稳态性能。其中,控制器的切换由电压误差ΔU及其误差变化率du/dt控制。该控制器在保证系统控制精度的前提下,实现提高系统速度、增强控制鲁棒性的目的。其中ΔU为直流母线电压与其参考值的偏差。
模糊控制器根据每个采样时刻的参数偏差及变化趋势,基于专家知识建立的模糊规则库,对系统作出迅速且有效的判断,通过适当加大或减小控制力度来实现稳定控制。
模糊控制器一般只有偏差和偏差变化率两个输入量,本文中的双模糊控制器均采用二维模糊控制器,该模糊控制器以误差和误差的变化率为输入变量,以控制量的变化为输出变量。由前文对有源电力滤波器直流母线电压控制原理的讨论,选择当前的电压Ur与参考电压Uf的偏差ΔU及其变化率(du/dt)为模糊输入变量,选择模糊输出变量为电网注入APF主电路的有功电流控制量Ud(Δip)。
模糊输入量e、ec定义为
其中,Ur(k)为k时刻的直流母线电压;Uf为参考电压。
在其论域上取7个语言变量,定义语言值为:{Positive Big(PB),Positive Medium(PM),Positive Small(PS),Zero(ZO),Negative Small(NS),Negative Medium (NM),Negative Big(NB)}。
对模糊输入e、ec和输出u进行模糊化,建立模糊子集为e,ec,u={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
模糊控制规则是模糊控制的核心,因此,如何建立模糊控制规则成为一个关键的问题[8]。本文采用MAX-MIN推理合成规则,运用IF-THEN形式的模糊条件语句,单元集模糊化重心法,输入变量和输出变量均采用三角形隶属度函数。输入变量e、ec和输出变量u对应的隶属度函数如图3所示。
该模糊控制器调节过程如下:当实际测量值远小于设定值时,则大幅增加控制量;当实际测量值远大于设定值时,则大幅减小控制量;当实际测量值和设定值正负偏差不大时,则根据实际测量值的变化趋势来确定控制量的大小。模糊控制器规则如表1所示。
双模糊控制器仿真模型如图4所示。
其中控制器的切换由误差的大小控制,切换原则如下:当实际测量值与设定值之间的偏差>e0时,选择开关自动选取模糊控制器1,即进行粗调,相反,实际测量值与设定值之间的偏差<e0时,选择开关自动选取模糊控制器2控制,即进行微调。
将模糊控制器1输入e,ec的变化范围定义为模糊集上的论域e,ec={-3,-2,-1,0,1,2,3}实际的电压误差e和ec的范围是[200,400],可以通过简单的归一化计算,得到如上的输入论域范围。
同理,通过归一化计算将模糊控制器2的输入e,ec的变化范围定义为模糊集上的论域e,ec={-3,-2,-1,0,1,2,3},实际的电压误差e和ec的范围是[0,200]。
模糊控制器1和模糊控制器2的内部封装如图5和图6所示。
2.2 常规PID控制方法
目前,在APF中对直流电压的控制通常采用常规的PID控制,为比较两种方法的控制效果,在Matlab/Simulink仿真环境里,结合并联电压型有源滤波器模型,建立直流侧电压的常规PID控制仿真模块,如图7所示,Uf是直流侧总电压的给定值,Ur是直流侧总电压的反馈值,两者之差经PID调节后得到调节信号Ud,它叠加到有功电流ip上。使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量,使电网向有源电力滤波器的直流侧补充能量,将直流侧电压维持在给定值。
3 仿真分析
本文分别采用双模糊复合控制方法与传统PID控制方法对直流母线侧电压进行控制,在Matlab/Simulink中对APF直流母线电压进行仿真实验。仿真参数如下:(1)PID控制器参数为Kp=1,Ki=0.1,Kd=10。(2)模糊控制器的误差、误差的变化的量化因子和输出的比例因子K1=0.03,K2=0.2,K3=30,K4=0.02,K5=0.3,K6=25。(3)电容器容量为6 800 μF,直流母线参考电压Uf=400 V。
仿真波形如图8和图9所示。
从仿真结果可以看出,双模糊控制与常规的PI控制相比动态响应更快、超调小、静态误差小,其控制效果明显好于PID控制方法。
4 结束语
直流侧电容电压的控制关系到整个滤波器的性能。本文对传统直流侧电压控制方法存在超调量和静差较大的问题进行了分析,设计了双模糊控制器,该控制方法减少了非线性因数的影响,使得系统超调量和静差也有了较大的改善。同时该控制器具有超调小、响应速度快、静差小的特点。仿真结果证明了该控制系统具有良好的控制效果。
参考文献
[1]WANG Zhaoan,YAN Guojun,LIU Jinjun.Harmonics suppression and reactive power compensation[M].Beijing:China Machine Press,1998.
[2]LUO Jie,GUI Wuming.Research of parallel hybrid active power filter[J].Journal of Shaoyang University:Science and Technology,2006(2):39-41.
[3]HUO Lihai,TANG Ningping.Modeling and simulation of ac-tive power filter system[J].Jiangsu Electrical Apparatus,2007(1):22-27.
[4]盛光忠,郭贵莲,崔志强.模糊控制器在并联有源滤波器(PAPF)中的应用[J].三峡大学学报,2004,26(2):173-175.
[5]陈宇,王碧芳,刘会金.基于模糊控制的有源电力滤波器控制方法[J].继电器,2005,33(16):40-45.
[6]黄敏,查晓明,陈允平.并联型电能质量调节器的模糊变结构控制[J].计算技术与自动化,2001,20(3):8-12.
[7]李刚,罗安,付青.一种新型混合型有源电力滤波器的模糊PI控制[J].电力电子技术,2005,39(4):91-93.
[8]PHUMIN K,ROBERT M O.Fuzzy logic control ofan active power line conditioner[J].IEEE Transactions on Power E-lectronics,2004,19(6):1574-1585.
变电站直流系统两段母线串电分析 篇7
关键词：直流接地,直流串电,分布电容,小信号注入
无论是常规变电站还是智能变电站,设备的稳定运行和可靠动作都离不开直流系统。目前,继电保护装置发展到微机型继电保护后,抗干扰能力有所下降,变电站断路器接口屏由操作箱代替后,其抗干扰能力也有所下降。变电站直流系统是公用系统,如果发生绝缘异常,有可能导致保护误动作、断路器无故障跳闸,甚至可能导致变电站全停事故[1]。直流系统绝缘异常通常有一点接点、两点接点、交流串直流和两段母线正负极串电等现象。其中两段母线正负极串电的表征比较特殊,且原因较为复杂。文中借一起实际案例对两段母线正负极串电进行分析,并说明其危害。
1 现场案例
某500 k V变电站在启动试验中,当500 kV断路器进行分闸操作时,后台发出“直流母线I段接地”和“直流母线II段接地”信号,且这2个信号同时产生。大约2 m后,这2个信号又同时复归。检修人员用万用表对两段母线电压进行实测,确定当断路器分闸的时候,直流I段母线负极完全接地,直流II段母线正极完全接地,且接地现象同时产生,约2m后同时恢复正常。
基于这种情况进行如下分析:当断路器分闸时,I/O测控单元发出2 m的分闸脉冲,刚好与直流接点信号持续时间相吻合,可以初步判断是断路器分闸操作回路上有问题。后对断路器分闸操作回路(如图1所示)进行检查,发现如下问题。
图1中KK是I/O测控装置的分闸接点,驱动STJ继电器。STJ继电器动作后,通过2个接点分别驱动1TJQ继电器和2TJQ继电器,需要注意的是,按照双重化配置要求,1TJQ和2TJQ应分别由两段母线供电并驱动。由于施工错误,将STJ继电器一副接点(STJ-1)错接至直流II段的正极。这样当I/O测控装置发出合闸脉冲时(该脉冲持续2 m),STJ继电器动作,则由于错接,导致直流II段的正极通过1JIQ的励磁线圈(电阻值大约1.4 kΩ)[2]和直流I段的负极导通,即直流I段负极通过电阻(阻值1.4kΩ)和直流II段正极串电。后将STJ-1接点改接至直流I段的正极,该异常现象消失。
2 原因分析
2.1 星三角转换分析方法
根据上节的分析建立如图2所示的等效模型,其中R为1TJQ的励磁线圈电阻,RS为绝缘监测装置的平衡桥电阻[3](约为50 kΩ)。
对图2的等效模型进行化简,得出如图3(a)的等效电路。根据电路原理中的Δ-Y[4]变换得出如图3(b)的等效电路图,其中:
根据电路叠加原理,得出图3(b)中的电流i1和电流i2大小相等、方向相反,所以R3上没有电流流过,K1和K2等电位,对地电压都为0。因此得出如图4所示的等效电路。
根据图4所示,I段母线负对地电压UⅠ-为:
由于R远小于RS,由式(1)得出:R1约等于R/2。带入式(3)得出:I段母线负极对地电压约为0,即出现所谓的I段母线负极完全接地。
同样可以得出II段母线正极对地电压UⅡ+为:
由于R远小于RS,由式(2)得出:R2约等于R/2。带入式(4)得出:II段母线正极对地电压约为0V,即出现所谓的II段母线正极完全接地。
至此,已分析出直流I段负极通过小电阻和直流II段正极串接,会导致两段母线同时直流接地报警的原因。在此基础上,作进一步分析:(1)若两段母线之间通过大电阻串接(即R电阻阻值很大),由式(3)和式(4)得出,I段母线负极对地电压就不是0,假设R=RS,则I段母线负极对地电压约为27 V。同样II段母线正极对地电压也不等于0。(2)若两段母线之间没有串接,即R无穷大,根据式(1)和式(2),有R1=R2=RS,则由式(3)得出直流I段母线负对地电压为55 V,没有接地现象或者绝缘异常现象。同样由式(4)得出直流II段母线正极电压也正常。
2.2 虚拟地分析方法
虚拟电路如图5所示。因为电路是对称的,可以认为在电阻R中间中存在一个虚拟的地,这样就可将直流I段母线和II段母线解耦(如图6和图7所示),各自单独分析。以I段母线为例,可以推导出:
将R=1.4 kΩ,RS=50 kΩ代入:可得到UⅠ-=-1.37 V,趋近于0。同理:
可得到:UⅡ+=1.37 V,趋近于0。
同样可得到:当R趋近于无穷大时,UⅠ-=-55 V,UⅡ+=55 V;当R越小,电压越低,R=0时,UⅠ-=UⅡ+=0。其R与测量电压大小的曲线如图8所示。
3 危害分析
当两段母线发生正负极串电时,其并非真的发生直流接地,但依然会造成继电器误动作(如图9所示)[5]。假设图9中出口继电器和驱动接点之间通过长电缆连接。由于长电缆对于存在分布电容,则当如图所示的K处发生一点接地,则长电缆对地电容通过K形成放电回路,而出口继电器刚好处于放电回路中。若此时直流母线正负极对地电压平衡,则放电电压为额定电压的50%,而出口继电器的动作电压按照规程规定为额定电压的55%～70%[6],则不会动作。如此时直流母线正负极对地电压不平衡,若负极对地电压大于额定电压的55%,则放电电压大于出口继电器的动作电压,继电器将误动作。当直流两段母线发生正负极串电,会导致母线正负极对地电压严重不平衡,甚至全偏。在此情况下,若发生直流系统一点接地,极易导致继电器误动作。
4 查找串电点的方法
综上所述,若两段母线发生正负极串电,则两段母线会同时发生直流正接地、负接地现象。随着串接电阻阻值的大小不同,两段直流母线正、负极接地程度会发生变化。虽然两段母线正负极串电,不是真的发生直流接地,但是由于串电时造成两段母线对地电压不平衡,如果此时发生一点接地,则有可能导致继电器误动作,导致电网无故障跳闸,危害较大,希望专业人员引起重视。由于两段母线串电没有真正意义上的接地点,所以查找起来较为困难。
目前比较有效查找串电点的方法是小信号注入法,其基本原理是在一段母线上加小信号源,并将该母线绝缘监测装置的平衡桥退出,小信号则会通过串电电阻流入另一段母线,在从该段母线绝缘监测装置的平衡桥流入大地。通过检测小信号的流向就可查找出两段母线的串电点。
5 结束语
文中通过直流串电故障实例,详细分析了形成原因,以期对直流系统类似的故障分析和排查提供一定处理思路和解决办法。
参考文献
[1]能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册.电气二次部分[M].北京:中国电力出版社,1991.
[2]宋继成.220～500 kV变电所二次接线设计[M].北京:中国电力出版社,1996.
[3]钟伟强.论变电站直流系统运行维护[J].科技资讯,2010(6):127.
[4]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,1999.
[5]魏红,刘永杰.浅谈变电站直流系统的运行维护管理[J].内蒙古科技与经济,2010(4):106.