探讨变频调速技术在电力系统中的性能效果

探讨变频调速技术在电力系统中的性能效果

摘　要:从电力半导体、控制技术和主电路拓扑结构等方面综述了变频调速技术的发展历史和现状,帮写电力技术硕士论文并总结了在变频控制中的主要控制技术;分析了高压变频调速技术的发展动态和几种实现方案的技术特点对比情况;指出变频调速技术在未来的发展趋势。最后介绍了变频调速技术在电力系统中节能降耗、改善工艺和控制性能等方面的应用。

关键词:变频调速技术 矢量控制 交流电动机 PWM技术 高压变频器 电力系统

1　交流变频调速技术的发展历史及现状　　

近些年来,以变频调速为核心的交流调速技术在电力电子技术、自动控制技术的推动下有了飞速的发展。交流变频调速技术发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、动态响应好等),并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性,而被公认为是一种最有前途的交流调速方式,代表了电气传动发展的主流方向。目前,变频调速理论已经形成较为完整的科学体系,成为一门相对独立的学科。

1.1　20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代交流变频调速理论最初诞生于20世纪20年代,到80年代,变频器已经产品化,性能也不断提高,并开始被应用于工业各部门。进入90年代,由于新型电力电子器件如IGBT、IGCT等的发展[1]及性能的提高、微型计算机技术(如DSP)的发展,以及先进控制理论的发展和完善(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)等原因,使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率[2~3]及使用方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式,变频调速技术取得了显著的成就并日臻成熟。目前,交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎,并已取得了显著的社会效益。变频调速技术在电力、轧钢、造纸、化工、煤炭、纺织、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术中得到发展应用。

1.2　国内外交流变频调速技术的现状早在国家“八五”科技攻关计划中,交流调速技术就被列为重点科技攻关项目,但是由于我国电力电子器件总体水平很低,IG-BT、GTO器件的生产虽引进了国外技术,但一直未形成规模经济效益,几乎不具备变频器新产品的独立开发能力,这在一定程度上影响了国内变频调速技术的发展。在大功率交-交变频技术、无换向器电机等方面,国内产品在数字化及系统可靠性方面与国外水平相比,还有相当差距;在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都采用普通V/F控制,仅有少量样机采用矢量控制,品种与质量不能满足市场需要。而在国外,变频调速技术得到了充分的发展,并在各个方面取得了显著成就。在功率器件方面,高电压、大电流容量的SCR、GTO、IGBT、IGCT器件的出现和并联、串联技术的应用,高压大功率变频器产品得到生产和推广应用。在微电子技术方面,16位、32位高速微处理器以及DSP和ASIC(Application Specific IC)技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。 在理论方面,矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论都为高性能变频器的研制提供了相关理论基础。可以看出,总体上我国交流变频调速技术水平较国际先进水平有着很大差距。

2　交流变频调速中的主要控制技术　　

交流变频调速技术在20世纪得到了迅速发展。这与一些关键性技术的突破性进展有关,它们是交流电动机的矢量控制技术、直接转矩控制技术、PWM技术,以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术、自整定技术等。

2.1　矢量控制技术矢量变换控制技术是西门子公司于1971年提出的一种新的控制思想和控制理论。它是以转子磁场定向,采用矢量变换的方法实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦,达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的,从而获得了优良的静、动态性能。迄今为止,矢量控制技术已经获得了长足的发展,并得到了广泛的应用。

2.2无速度传感器矢量控制技术无速度传感器控制技术[4~5]免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等问题,降低了成本,提高了系统的可靠性,同时结合矢量控制,具有矢量控制的优良性能。无速度传感器技术中速度估算的方法,除了根据数学模型计算电动机转速外,目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。此外全维转子磁通观测器,齿谐波电势(RSH)等理论也出现在无速度传感器技术中[6~9]。从1983年提出无速度传感器矢量控制策略以来,一直受到学术界和产业界的高度重视,日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果,并相继推出了产品。目前,无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1:50左右,个别厂商有1:75甚至更高的产品。

2.3　直接转矩控制技术1985年,德国的M. Depen-block首次提出直接转矩控制技术(DTC)。DTC控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,采用定子磁场定向而无需解耦电流,直接控制电动机的磁链和转矩,以使转矩得到快速响应,从而获得高效的控制性能[10~12]。直接转矩控制技术是近10年继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流变频调速技术,这种控制技术与矢量控制技术相比,对电机参数不敏感,不受转子参数的影响,简单易行,具有广阔的发展和应用前景。

2.4　PWM控制技术1964年,德国的A.Sch nung等率先提出了脉宽调制(PWM-pulse width modulation)变频的思想,为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。PWM控制技术通过改变矩形脉冲的宽度来控制逆变器输出交流基波电压的幅值,通过改变调制周期来控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压幅值和频率的控制。PWM技术简化了逆变器的结构,能够明显的改善变频器的输出波形,降低电动机的谐波损耗,并减小转矩脉动,同时提高了系统的动态响应性能。PWM技术还可用于整流器的控制,能够 实现输入电流非常接近正弦,并可使电网功率因数为1。PWM整流器因而被称为“绿色”变流器。目前,PWM技术已成为变频器中应用最为广泛的控制技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法,即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法[13~14]。

2.5　数字化控制技术控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术,也是今后的发展趋势。目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制。采用DSP和ASIC技术实现了快速运算和高精度控制,可以得到良好的电流波形,使变频器的噪音大幅度降低,并且扫描时间大幅度缩短,目前电流响应为0.1~0.7 ms,速度响应为2~4 ms,足以满足传动领域的控制要求。同时由于应用微电子技术和A-SIC技术,装置的元器件数量得以大幅度减少,从而使变频装置的体积减小,可靠性得到大幅度提高。全数字控制方式使变频器的信息处理能力大为增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实,从而所谓的RAS概念即可靠性(Reliabili-ty)、可操作性(Availability)、可维修性(Seviceability)得以充实。

2.6　自整定技术自整定技术在变频调速系统中的应用日益广泛,它可以根据速度和负载的变化自动调整控制系统的参数,使得系统具有快速的动态响应[15]。自整定技术分为离线式和在线式两种。离线式的研究成果已经在相当多的产品中应用,它是在运行系统程序之前通过运行一段自整定程序,辨识相关数据,并修改系统程序的相关参数,以期获得良好的系统控制性能。另外,改进控制技术,提高系统鲁棒性也和自整定技术紧密相联系。

3　高压变频器的发展

随着变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压(2~10kV)变频调速技术也得到了广泛的研究和应用,高压变频器已成为当前电力电子技术最新发展动向之一。到目前为止,高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构,各种新型的高压变频器不断出现。根据其组成方式,高压变频器可主要分为两种,即间接高压变频器和直接高压变频器。直接高压变频器主要有采用低压IGBT多重化技术的单元串连多电平PWM电压源型高压变频器和采用高压IGBT、IGCT的三电平型高压变频器。

3.1　间接高压变频器间接高压变频器也称高—低—高型变频器,它由输入、输出变压器和低压变频器组成。输入变压器为降压变压器,它将高压电源降至变频器所允许的电压,经低压变频器后,再经输出变压器即升压变压器升压后,供给高压电动机。高—低—高型高压变频器由于经历两次电压变换,增加了电能损耗,影响了节能效果,并且占地面积大,还产生了大量的高次谐波,具有较明显的缺陷。由于这种技术难度相对较低,投资相对较少,一般适用于功率小于200 kW的高压电动机。

3.2　直接高压变频器

3.2.1　单元串联多电平高压变频器单元串连多电平变频器一般采用多重化技术,所谓多重化技术就是采用若干个低压PWM功率单元串连的方式实现直接高压输出,其结构原理如图1所示。各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。这项技术由美国罗宾康公司发明并申请专利,取名为“完美无谐波变频器”。该技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题,可实现完美无谐波变频,具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置,不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、共模电压等问题。其输出电压为2kV、3kV和6 kV,功率为800~5600kW。适合于功率在1MW以上的电厂辅机应用。其缺点