[發明專利]三相電源系統無擾切換系統、鎖相方法和裝置及高壓變頻器

在審

• 申請號: 201711329648.3
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN107947349A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 石雙雙;陳鵬
• 申請（專利權）人: 北京動力源科技股份有限公司
• 主分類號: H02J9/06
• 分類號: H02J9/06;H02M5/00
• 代理公司: 北京市隆安律師事務所11323
• 代理人: 權鮮枝,吳昊

技術領域

本發明涉及高壓變頻器控制領域，具體涉及一種三相電源系統無擾切換系統、鎖相方法和裝置及高壓變頻器。

背景技術

節約能源、降低消耗，構建資源節約型、環境友好型社會已是當今社會發展的一個永恒話題。隨著變頻調速技術的發展，變頻器已作為主要的節能和調速設備被廣泛推廣。

目前，在鋼鐵廠、電廠和水泥廠這樣的高能耗企業中，高壓變頻器已經越來越廣泛地應用于大型風機和泵類的高壓電機拖動系統中，它不僅具有減少啟動電流的軟啟功能，還具有顯著的節能效果。有些工況對負載的供電要求比較嚴格，一旦投入運行就不允許停機，這種情況下一旦供電電源發生故障或者供電電源需要檢修，就需要進行兩路供電電源(高壓變頻器電源與工頻電源)之間的相互切換。

高壓變頻器與工頻電源之間常用的切換方式分為異步切換和同步切換。根據切換過程中是否需要變頻器電壓與工頻電源電壓時刻保持同幅、同頻、同相，可將同步切換分為有擾切換(先切后投)和無擾切換(先投后切)。

有擾切換，是指先切后投的切換，在切換過程中負載存在失電過程，轉速和電流都存在擾動。

無擾切換，是指先投后切的切換，在切換過程中負載供電不存在擾動，切換過程平穩、無沖擊。無擾切換的實現中很關鍵的一個技術就是鎖相環(Phase Locked Loop，簡稱PLL)算法的設計。目前，常用的方法有基于升降速的鎖相環算法、基于砍角度的鎖相環算法和基于dq坐標變換的鎖相環算法。下面對這三種算法的優缺點進行分析：(一)通過基于升降速的鎖相環算法的工作原理是，將高壓變頻器的輸出頻率升頻至某一固定頻率，例如50.5Hz，然后按照固定的降速時間降速，尋找變頻和工頻的同頻、同相位點，然后進行投切。這種算法的缺點在于：其得以實現的前提是工頻電源的輸出電壓的頻率固定，例如固定為50Hz。但是按照GB_T_15945-2008標準，電力系統正常運行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz，當系統容量較小時，偏差限值可以放寬到±0.5Hz。所以，工頻電源的輸出電壓的頻率不能認為是固定不變的。如果工頻電源的輸出電壓的頻率不固定，在固定的升降速時間下，工頻電源輸出電壓的頻率附近內很有可能找不到同頻同相的投切點。另外，該算法只是一個尋找合閘時刻的辦法，對合閘之后的實時鎖相不容易實現。因此，這種方法不是最理想的鎖相環算法，在實際應用中不建議采用。(二)通過基于砍角度的鎖相環算法的工作原理是：令高壓變頻器的輸出電壓的頻率和電壓有效值按照f_變＝f_工+0.1Hz、V_變＝V_工輸出，去追蹤工頻電源的輸出電壓的頻率和電壓有效值(其中：f_變和f_工為高壓變頻器輸出電壓和工頻電源輸出電壓的當前頻率；V_變和V_工為高壓變頻器輸出電壓和工頻電源輸出電壓的有效值)，在每個工頻電源信號的上升沿，檢查高壓變頻器輸出電壓的相位是否滿足投切要求。如果不滿足，則令高壓變頻器輸出電壓的頻率繼續以f_工+0.1Hz追蹤工頻電源的輸出電壓的頻率，與此同時，實時調整高壓變頻器的輸出電壓V_變等于V_工；如果滿足，直接將高壓變頻器的輸出電壓的角度(相位)砍成工頻電源的輸出電壓的角度(相位)，使得高壓變頻器的輸出電壓的頻率按照工頻電源的輸出電壓的頻率輸出，并通知可編程邏輯控制器PLC合閘相應的交流接觸器，在合閘過程中，每一個周波變頻相位修正一次。這種方法的缺點在于：一個電壓周期才調整一次高壓變頻器輸出電壓的角度(相位)，只能在工頻電源過零點調整，高壓變頻器的輸出電壓的波形的正弦度受影響。另外，該算法令高壓變頻器的輸出電壓的頻率以f_變＝f_工+0.1Hz來跟蹤工頻電源的輸出電壓的頻率，在工頻電源的輸出電壓的頻率不變的情況下，高壓變頻器的輸出電壓的頻率最長10s能跟蹤上工頻電源的輸出電壓的頻率，若工頻電源的輸出電壓的頻率變化或者檢測值波動，則鎖相時間會更長，因此，這種算法的鎖相時間不可控。(三)通過基于dq坐標變換的鎖相環算法的工作原理主要是：利用高壓變頻器的輸出電壓的相位將工頻電源的輸出電壓進行dq坐標變換，將工頻電源的輸出電壓轉化為兩相直流電壓Ud和Uq，只要控制Uq為零，則認為鎖相成功。這種算法的缺點在于：當Uq＝0時，存在兩種情況，一種是Δθ＝θ₀-θ＝0°，另一種是Δθ＝θ₀-θ＝180°。Δθ＝0°表示工頻電源的輸出電壓的相位和高壓變頻器的輸出電壓的相位相同，此時，可以實現鎖相的目的。但是，Δθ＝180°表示工頻電源的輸出電壓的相位和高壓變頻器的輸出電壓的相位相反，此時，比例積分(Proportion Integral，PI)調節無法對高壓變頻的輸出電壓的相位進行調節，即此時PI調節器不再工作了，如果此時將工頻電源和高壓變頻器進行無擾切換，將存在極大的安全隱患。由此可見，雖然基于dq坐標變換的鎖相環算法相比于其他兩種算法具有較強優勢，但是依舊存在不足。