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变频调速技术在电力系统中的应用综合分析

1、变频调速技术概述

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等。

(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)直接转矩控制技术

继矢量控制技术出现之后,1985年,德国的M.Depenblock提出了一种新型的高性能变频调速技术――直接转矩控制技术(DTC)。直接转矩控制技术与矢量控制技术相比,其性能较高,采用电子磁场定向,不需要解耦电流,直接控制电动机磁链和转矩,以使转矩得到快速响应。而且电机参数和转子参数对直接转矩控制技术的影响不大,其工作原理比较简单,很容易掌握,进一步发展和应用的前景相当广阔。

(3)数字化控制技术

随着科技的进一步进步和发展,数字化控制技术逐渐成为技术主流,符合现在时代发展的潮流。早期的矢量控制技术和直接转矩控制技术在一定程度上无法满足市场的需要,那么数字化控制技术应运而生,数字化控制技术可以快速运算和良好的控制精度问题,使得运转噪音大大降低,大大缩短工作时间。而且使用数字化控制技术的变频器的体积将大大减小,提高了信息处理的效率,实现了之前人工技术和模拟技术都无法实现的效果。

(4)PWM控制技术1964年,德国的A.Schnung等率先提出了脉宽调制(PWM-pulsewidthmodulation)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较为广泛的控制技术,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。在变频电路拓扑结构方面,基于双PWM技术的交—直—交变频器和矩阵式变频器,是变频调速技术的******发展趋势。

2、未来变频技术发展趋势

(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200kW的高压电动机。

(2)直接高压变频器

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******,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6kV,功率为800~5600kW。适合于功率在1MW以上的电厂辅机应用。其缺点是造价昂贵,占用空间大,安装较困难。

(3)在开关器件方面,IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流,在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化,同时采用新电力电子器件IGBT、IEGT(集成发射式门极晶闸管)、GaAs(砷化镓)、SiC(碳化硅复合器件)、光控IGBT及超导功率器件的新功能变频器将会进一步研究开发。

采用高压IGBT、IGCT的三电平大容量变频器变频器中常用的开关器件多为IGBT、GTR、GTO等。由于制造水平及原材料的原因,这些器件很难直接应用于6kV的电压。较近几年来,许多国家开始研制开发新材料及新的高耐压器件。ABB和西门子公司已开发出高耐压开关器件,如ABB公司的IGCT(场控晶体管),耐压值为39kV。西门子的HV-IGBT,耐压值为56KV。

(4)西门子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司分别采用专门研制的高耐压开关器件并以传统的交流变频器的结构研制开发了自己的高压变频器,其中典型的产品如西门子公司的SIMOVERTMV系列变频器。SIMOVERTMV系列变频器采用传统的电压型变频器结构,通过采用耐压较高的HV-IGBT模块,使得串连器件数减少为12个,可靠性更高,并且降低了成本,减小了柜体尺寸。由于SIMOVERT-MV系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式,如图2所示,所以不可避免的会产生较大的谐波分量,这是三电平逆变方式所固有的。因此SIMOVERTMV系列变频器的输出侧需要配置输出滤波器才能用于通用的电动机。同样由于谐波的影响,电动机的功率因数和工作效率都会受到一定的影响。这是该类变频器的缺点所在,因而限制了其应用。目前,高压变频器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压和低dv/dt等方向发展。此外,基于DSP技术的无速度传感器矢量控制技术以及串联功率单元的热插拔、热备份等技术为高压大功率变频器的发展提供了更为广阔的空间。

(5)实现高水平的控制

基于电动机和机械模型的控制策略,有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略,有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器,在某种指标意义下的较优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。