无扰切换技术在高压变频器中的应用研究

1 引言

   高压变频器在电力、冶金、矿井、石油、化工等高耗能行业得到了广泛应用。在一些特殊场合下，如电机的软启动、电机工频与变频互相切换时电机负荷无扰动、对电网要求较高以及电机的连续启动等，需要变频器对电机不同的工作模式进行无扰切换，达到对电机、电网冲击小甚至无冲击等需求。

   无扰切换技术的关键和核心在于变频器能否对电网电压的幅值和相位进行准确地跟踪，从而实时调节高压变频器的输出电压的频率、相位和幅值，达到无扰切换的目的。但变频器工作的电网环境存在较大的干扰，电网谐波、不平衡等都将对锁相环造成很大的影响，所以需要一个精准的、适应性强的锁相环。本文根据无扰切换技术的原理，依托本公司浓厚的技术沉淀，基于目前我司产品使用成熟的锁相环技术，对高压变频器无扰切换技术进行技术开发和测试验证。

2 无扰切换技术

   2.1 无扰切换过程分析

   我司高压变频器为了平衡输出端与电网间的相位差和幅值差造成的电流冲击，在无扰切换过程中，增加一台电抗柜，系统原理图如图1所示。变频切换到工频的过程：当电机在变频运行过程即断路器QF11、断路器QS1、断路器QS2、接触器KM1、接触器KM2、接触器KM8合闸，接触器KM3分闸，此时变频器收到变切工命令，变频器自动响应后迅速升频到50Hz，然后对输入电压锁频锁相锁幅值并实时调整变频器的输出电压使之与输入电压同频同相等幅值，此时断开接触器KM8即投入电抗器。由于运行中直接投入电抗器，会对电压造成一定的冲击，所以需要再次确定输出电压是否同步成功，若同步没问题则合上接触器KM3，最后检测到接触器KM3合上后，变频器先断开接触器KM2随后停机并断开接触器KM1，此时完成变频器从变频状态切换到工频状态过程。

   而工频切变频的过程：当电机工频运行即断路器QF11、接触器KM3合闸，并且断路器QS1、断路器QS2合闸、接触器KM2分闸时，当变频器收到工切变命令，则合上接触器KM1、断开接触器KM8，在自检正常后变频器启动并升频运行到50Hz之后对输入电压锁频锁相锁幅值，并同时调整输出电压使之与输入电压同频同相等幅值，确定同步没问题后合上接触器KM2，最后检测到接触器KM2合上后断开接触器KM3、合上接触器KM8，同时变频器降频到给定频率，工频切变频完成。

2.2 锁相环技术

我司在光伏逆变器以及风电变流器上有着先进的技术沉淀，此锁相环已通过了大量实验以及现场的应用验证，普遍适用于电网不平衡、电网谐波等情况。一次性顺利通过了大容量光伏逆变器低电压穿越、零电压穿越，并长期稳定在现场运行等，说明此锁相环技术的先进性和稳定性。

   锁相环的设计原理图如图2所示，锁相环基于dq坐标系即两相旋转坐标系对电网电压进行正负序分量的分解、解耦以及低通滤波后，提取电网电压的正序分量 、 和负序分量 、 。根据鉴相器原理，对 进行PI控制，从而可以准确获得电网电压的相位和幅值等信息，为无扰切换技术打下坚实的技术基础。

    2.3 无扰切换实现方案

    2.3.1 控制资源设计

   我司高压变频器控制系统采用PLC+DSP+FPGA的软件架构，各个部分的职能如图3所示。

   其中，各个部件功能描述如下：

   FPGA：多路PWM生成，故障检测和故障处理，功率单元旁通，多路光信号编码和译码，地址译码，模拟信号采样和滤波，DI和DO输出、以及电机输入端频率检测等。

   DSP：与PLC通信，V/F计算和控制，DI和DO控制，DA计算，状态转换，故障处理，事件记录，瞬停功能，飞车功能、看门狗功能等。

   上位机：通过以太网与主控通讯读取电压、电流、运行频率的值并实时显示等。

   PLC：完成整机的电气控制，模拟量输出，与控制器以及触摸屏通讯等。

   触摸屏：实现友好人机界面，读取、修改控制参数以及整机保护值，显示模块以及整机状态等。

   2.3.2 无扰切换设计

   DSP主要实现变频器的调相和调幅值功能，实现流程图如图4所示。

   当调用无扰切换功能时，先判断变频器输出电压和工频电网（即变频器输入电压）之间的频率以及相位差，首先保证变频器的频率与工频电源一致；再判断相位差值，并实时调节变频器的输出，使变频器与工频电源的相位在合理范围内。在此基础上，通过调整调制比或者考虑注入3次谐波等方式，提高变频器的输出电压幅值。当满足一定条件时，DSP向PLC发送分合闸指令；若规定时间内达不到分合闸条件，则工频切换失败。

   调相部分：无扰切换技术的锁相环设计是在FPGA实现的。FPGA通过锁相得到电网电压的频率和相位相关信息，并与DSP通信。DSP根据接收到的频率和相位等信息，实时调节变频器的频率输出，达到调相的目的；

   调幅部分：在调相的基础上，当变频器输出电压与工频电压相位和频率一致时，调节DSP输出的幅值，使得变频器的输出电压尽可能的接近工频电压幅值，防止共同供电时变频器成为负载。

   调相、调幅部分是无扰切换技术过程中的关键过程，既需要满足稳定性的要求还需要快速响应。所以对DSP和FPGA的控制性能要求较高。

3 测试验证

   3.1 锁相环测试

   考虑高压系统试验的安全性，采用先从低压系统验证后再移植到高压系统。所以分别从低压系统和高压系统验证锁相环的有效性和稳定性。

   3.1.1 低压系统

   注：黄色代表电网电压；紫色代表变频器输出电压。后续未作说明，均与此一致。

   图5中，变频器的输出电压和输入电压基本重合，说明变频器的锁相环能很好地跟随和响应输入电压的变化。考虑采样误差和控制的延时性等因素，频率波动和相位波动均在正常范围内，可以应用到高压系统中测试。

   3.1.2 高压系统

   根据低压系统的测试情况，在高压系统中，考虑电抗电压降的影响，适当地抬高变频器的输出电压，如图6所示。图中，变频器的输出电压和输入电压的频率、相位基本一致。

   低压系统和高压系统的锁相环测试验证了锁相环的正确性以及很好的适用性，从而为无扰切换功能的实现打下坚实的基础。

   3.2 无扰切换测试

   高压变频器在无扰切换过程中，并不是在特定的情况下调用，而是可能在任一工况下就要进行切换操作。所以，测试过程中，选择了空载和重载两种工况分别进行无扰切换的测试。具体测试波形如下介绍。

   3.2.1 空载测试

3.2.1 重载测试

   3.2.2 小结

   经过空载和带载的测试，我司变频器无论在变频切换至工频状态，还是工频状态切换至变频状态，均取得良好的效果。验证了锁相环技术和无扰切换技术的可行性和稳定性。整个切换过程平稳，电压、电流波动较小，满足无扰切换技术要求。

4 结论

   高性能锁相环技术的引入，保证了高压变频器在无扰切换技术中无扰性和稳定性等性能指标。整个工频和变频之间的互相切换过程中，我司高压变频器均能很好地保证电机运行状态的平滑切换，且性能良好。同时，我司无扰切换技术在工程现场应用中，取得进一步的验证，高标准满足技术要求。通过对高压变频器无扰切换技术的开发和验证，提升了我司产品的质量，提高了市场竞争力，为市场拓展打下坚实的技术基础。