一种基于IEGT可实现工变频切换的大功率变频装置及方法与流程

本发明涉及高压大功率变频器技术领域，特别涉及一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置及方法。

背景技术：

随着功率器件发展，变频器电压等级和功率得到了不断提升，高压大功率变频器也将逐渐在原本没用应用领域里有着广阔的使用需求，工变频自由切换功能可以使用户在变频器的使用方面更加灵活，提高系统装置的稳定性，持久性。目前，在国内20mw的变频调速领域内，工变频切换功能依然是一个技术难题，其难点在于：

1)目前在国内市场上，20mw级别的电机上，由于功率等级较大，电机本身的负载电流很大，因此启动切至工频的应用上大多采用软起动的方式，也不具备工频回切变频的能力。而且由于本身变频器的功率级别就很大，如果切换不好会对负载设备造成巨大损害，存在很大的风险。因此在20mw级别的电压源型变频器上进行工变频自由切换依然是个技术难题。本装置在20mw级别的电压源型变频器上实现了具备工变频自由切换的功能，大大丰富了变频器的使用多样性，为用户实现了更多的应用选择。

2)目前通用的工/变频切换一般有两种：同步切换和异步切换。异步切换指切工频运行时先停止变频器再投入电网，切变频运行时先停止电网再投入变频器，这种异步的方式的缺点是会导致电机再一段时间内没用供电运行自由旋转，由于负载功率太大会导致转速大幅度跌落影响效果且在投入时启动电流非常大。所以更好的方式是同步切换，但在20mw级别的变频器上同步切换的难点在于变频器本身功率等级很高，电流很大，同步运行时要求输入与输出的电压需要高度的一致行，稍有不同就会导致很大的波动进而过流跳闸。为了解决上述问题，变频器需要在同步切换运行时的进行很好的同期控制，使得输出与输入尽可能的保持一致，减小并网冲击。

3)目前工变频切换时输入输出的电压采样大都使用pt，但受制于pt的精度，导致控制上达不到很高的精度，如果都使用高精度的传感器又提高了成本。针对以上情况，20mw级别上无速度传感器的变频器为了兼顾到输出的转速精度，在控制算法上需要采样闭环矢量控制，输出采样上需要使用精度更高的传感器代替传统的互感器，而输出的传感器和输入侧的互感器由于原理特性是有存在一定的采样滞后的，通过计算补偿来消除同步切换时由器件采样滞后产生冲击。

4)目前在锁相采样同期控制上，大多数采用外置硬件同期捕捉装置自行采样进行闭环控制，《电气应用》2005年第24卷第2期的《利用锁相环实现大功率电机变频转工频的研究》、刘宏涛的《大功率交流异步电动机变频转工频切换存在的问题及解决思路》、湖南科技大学学报(自然科学版)2004年6月第19卷第2期《大功率电机变频转工频的理论探讨和策略研究》中提出的解决方案均是采用了外置的鉴频鉴相控制器或鉴相控制器对电网和变频器输出的相位和频率进行检测和比较，当两者相同时发出切换信号给外部的切换元件进行切换。

这种在变频器外部进行检测、控制和切换的方式，由于不能够和变频器内部运行程序相结合进行控制，而变频器在进行速度闭环运行时控制程序复杂，调整过程长，一般需要等到电网相位、频率与变频器输出相同时才能切换，所需时间长，效率低，并且，在大的功率等级的设备正常运行时，随着负载的波动变化一般都会给电网造成一定的波动和影响，如果变频器的输出没能被很好的捕捉并跟随上电网的变化那么并网就会产生波动导致电流波动，而这种电流波动会影响系统的稳定运行甚至保护动作跳闸。

因此在同步切换时，在变频器内部采用开环同期控制的方法，使得变频器的输出电压的频率、幅值和相位可以实时很好的跟踪电网电压的变化，大大提高了工变频切换的成功率。且不需要外加辅助设备，节约成本。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置及方法，在变频器内部进行软硬件的设计，在变频器硬件设计中将传感器的信息直接输入到主控制器中并在变频器输出检测中采用高精度的电压传感器和电流传感器，使采样信号更精确，控制更准确，并且在变频器内部进行变频/工频的切换，无需增加外部辅助设备；在变频器软件方法设计中，将变频/工频的切换程序与变频器内部控制程序结合，给出了变频/工频切换的整体控制流程方法，有效的实现了变频和工频之间的互相切换。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，包括进线隔离柜、进线开关柜、旁路开关柜、高压充电阻尼柜、油浸式移相变压器、基于iegt单元的功率柜、水冷柜、馈出柜、电抗器柜和控制柜。

其中，所述的进线隔离柜包括进线隔离刀闸qs11、所述的进线开关柜包括小车式真空断路器qf21和变压器综合保护装置、所述的旁路开关柜包括小车式真空断路器qf22和电机自平衡式差动保护装置、所述的高压充电阻尼柜包括充电限流电阻和旁路断路器qf31、所述的电抗器柜包括环流电抗器和旁路断路器qf41、所述的馈出柜包括小车式真空断路器qf51、所述的控制柜包括主控制器，进行信号采集和运算处理。

在所述的进线隔离刀闸qs11的下口设置采样电压互感器pt1，其二次侧直接接入所述的主控制器中；在进线断路器qf21和旁路断路器qf22下口分别设置采样电流互感器ct1和ct2，它们的二次侧直接接入所述的主控制器中；在输出断路器qf51的上口设置电压传感器vs和电流传感器cs，它们的二次侧直接接入所述的主控制器中。

所述的进线隔离刀闸qs11、进线断路器qf21、旁路断路器qf31、旁路断路器qf22、旁路断路器qf41、输出断路器qf51的辅助触点直接接入所述的主控制器中。

所述的主控制器通过采样电压互感器pt1实时采集工频和变频运行时的电网电压，通过采样电流互感器ct2和ct1分别采集工频和变频运行时的运行电流，通过电压传感器vs和电流传感器cs采集变频器输出的电压和电流数据，通过进线隔离刀闸qs11、进线断路器qf21、旁路断路器qf31、旁路断路器qf22、旁路断路器qf41、输出断路器qf51的辅助触点采集各断路器的开关状态信号，上述信号均由主控制器直接进行运算处理并通过控制输出断路器qf51和旁路断路器qf22、qf41的分合闸以及功率柜的输出信号进行自动工频和变频之间的切换，不需要外界其它辅助设备。

在所述的输出断路器上口设置的电压传感器vs为高精度电压传感器代替传统的电压互感器，使大功率变频器在使用无速度传感器时能够达到高精度的转速控制，并且在控制算法中对输出端的电压传感器和输入端的电压互感器的信号差别进行补偿，进而消除由采样滞后所造成的并网冲击。

所述的基于iegt单元的功率柜是以iegt和电力二极管为主要功率器件集成为一个完整功率单元，包括逆变和整流部分，集成度高且功率密度大，可以使变频装置具备在20mw大功率级别上进行工变频切换的能力。

一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的切换方法，包括变频转工频的切换方法和工频转变频的切换方法；

变频转工频的切换方法包括以下步骤：

步骤一、变频器收到切工频信号后，变频器可在当前任意频率工况下，直接闭环调节输出频率与电网电压一致，同时对输出进行锁相判断；

步骤二、在输出与电网的频率误差在阈值内后，qf41分闸，投入环流电抗器，进入同期控制；

步骤三、同期控制时对输出电压进行锁相，同期计时并进行开环调节输出电压的幅值、相位，并时时进行判断，采用两级判断，满足第一级判断阈值后条件进入下一级判断均满足后才判定成功；

步骤四、判断时在规定同期计时时间内如果输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位有任意一个不满足误差阈值即判断同期未成功，第一次未成功返回执行频率调节至电压频率的步骤进而第二次重新同期调节，如果第二次还未成功环流电抗器退出回归正常变频闭环运行模式，转速回归目标转速；

步骤五、如果同期成功，系统进入并网模式，此时设备完全开环运行，不再进行同期调节，系统保持当前状态运行，运行同时需要时时检测输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位，如发现有任意一个不满足误差阈值视为不满足并网条件，第一次不满足返回执行频率调节至电压频率的步骤进而重新同期调节；

步骤六、如果第二次还未满足则环流电抗器退出回归正常变频闭环运行模式，转速回归目标转速；

步骤七、如果同期成功，旁路断路器qf22合闸电网投入，电机处于变频器和电网同步驱动，然后变频器封锁输出脉冲，电机完成工频运行；

工频转变频的切换方法包括以下步骤：

步骤一、当变频器收到切变频信号后，变频器首先直接空载启动；

步骤二、输出以网侧电压锁相得到的幅值和频率为依据，用d轴电压和电网的角度进行变换空载输出相应的电压，变频器处于开环空载；

步骤三、然后电抗器投入进行同期判断，采用两级判断，满足第一级判断阈值后条件进入下一级判断均满足后才判定成功；

步骤四、在规定时间内如果输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位有任意一个不满足误差阈值即判断同期未成功，第一次未成功变频器停止输出，按照设定的时间后自动再次空载启动第二次重新执行上述步骤；

步骤五、如果第二次还未成功则停止输出后，等待进一步处理；

步骤六、如果同期成功，通知主控室同期成功，变频器输出断路器qf51合闸变频投入，电机处于变频器和电网同步驱动，然后旁路断路器qf22分闸电网退出，qf41合闸电抗器退出；

步骤七、变频器由开环控制切换成闭环控制，通知主控室切换变频完成，电机处于变频运行。

在变频转工频的切换方法中的同期控制方法为：

1)在进行同期控制时，变频器不再对电机进行转速闭环和磁链闭环控制；

2)将同期控制前一时刻的d轴电压参考值usd_ref和q轴电压参考值usq_ref作为同期控制下一时刻的前馈量进行使用，usq_feedforward＝usq_ref，usd_feedforward＝usd_ref；

3)同期控制前一时刻的角度作为初始值，theta_int＝theta_out，再加上以电网频率frequency_grid作积分累加后的值得到新的角度theta_new；

4)然后系统开环运行，将电网锁相出来的ud_grid和输出锁相出来的ud_out进行闭环调节，输出量与前馈量usq_feedforward之和作为新的usq_ref，以前馈量usd_feedforward作为新的usd_ref，再对电网相位角theta_grid和输出相位角theta_out进行闭环调节，将输出量与新的角度theta_new之和得到的角度theta_out，用来与usd_ref和usq_ref进行dq反变换进而生成三相调制波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，在变频器硬件设计中增加了输出断路器qf51和旁路断路器qf22、qf41，并由主控制器通过控制其分合闸以及功率柜的输出信号进行自动工频和变频之间的切换，不需要外界其它辅助设备。

2、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，将各传感器的信息和各断路器的分合闸信号直接输入到主控制器中并在变频器输出检测中采用高精度的电压传感器和电流传感器，使采样信号更精确，控制更准确。

3、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，在控制算法中对输出端的电压传感器和输入端的电压互感器的信号差别进行滞后补偿，进而消除由采样滞后所造成的并网冲击。

4、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，所述的基于iegt单元的功率柜是以iegt和电力二极管为主要功率器件集成为一个完整功率单元，包括逆变和整流部分，集成度高且功率密度大，可以使变频装置具备在20mw大功率级别上进行工变频切换的能力。

5、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的切换方法是将变频/工频的切换程序与变频器内部控制程序结合的控制方法，给出了变频/工频切换的整体控制流程方法，有效的实现了变频和工频之间的互相切换。

6、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的切换方法，在进行同期控制时，进行开环调节输出电压的幅值、相位，直接将电压幅值闭环的输出量和相位闭环的输出量直接作用于产生调制波的变量上，加快跟踪网侧电压的变化能力，提高装置并网成功率。

7、本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的切换方法，变频切换工频运行时进行同期调节，同期成功条件判断时采样两级时时判断，同期失败有自动回切能力，提高了变频切换工频的稳定性和成功率。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的结构示意图；

图2是本发明装置的变频切换工频控制方法流程图；

图3是本发明装置的变频切换工频控制方法的同期控制算法图；

图4是本发明装置的工频切换变频控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置，包括进线隔离柜、进线开关柜、旁路开关柜、高压充电阻尼柜、油浸式移相变压器、基于iegt单元的功率柜、水冷柜、馈出柜、电抗器柜和控制柜。

其中，所述的进线隔离柜包括进线隔离刀闸qs11、所述的进线开关柜包括小车式真空断路器qf21和变压器综合保护装置、所述的旁路开关柜包括小车式真空断路器qf22和电机自平衡式差动保护装置、所述的高压充电阻尼柜包括充电限流电阻和旁路断路器qf31、所述的电抗器柜包括环流电抗器和旁路断路器qf41、所述的馈出柜包括小车式真空断路器qf51、所述的控制柜包括主控制器，进行信号采集和运算处理。

在所述的进线隔离刀闸qs11的下口设置采样电压互感器pt1，其二次侧直接接入所述的主控制器中；在进线断路器qf21和旁路断路器qf22下口分别设置采样电流互感器ct1和ct2，它们的二次侧直接接入所述的主控制器中；在输出断路器qf51的上口设置电压传感器vs和电流传感器cs，它们的二次侧直接接入所述的主控制器中。

所述的进线隔离刀闸qs11、进线断路器qf21、旁路断路器qf31、旁路断路器qf22、旁路断路器qf41、输出断路器qf51的辅助触点直接接入所述的主控制器中。

所述的主控制器通过采样电压互感器pt1实时采集工频和变频运行时的电网电压，通过采样电流互感器ct2和ct1分别采集工频和变频运行时的运行电流，通过电压传感器vs和电流传感器cs采集变频器输出的电压和电流数据，通过进线隔离刀闸qs11、进线断路器qf21、旁路断路器qf31、旁路断路器qf22、旁路断路器qf41、输出断路器qf51的辅助触点采集各断路器的开关状态信号，上述信号均由主控制器直接进行运算处理并通过控制输出断路器qf51和旁路断路器qf22、qf41的分合闸以及功率柜的输出信号进行自动工频和变频之间的切换，不需要外界其它辅助设备。

在所述的输出断路器上口设置的电压传感器vs为高精度电压传感器代替传统的电压互感器，使大功率变频器在使用无速度传感器时能够达到高精度的转速控制，并且在控制算法中对输出端的电压传感器和输入端的电压互感器的信号差别进行补偿，进而消除由采样滞后所造成的并网冲击。

所述的基于iegt单元的功率柜是以iegt和电力二极管为主要功率器件集成为一个完整功率单元，包括逆变和整流部分，集成度高且功率密度大，可以使变频装置具备在20mw大功率级别上进行工变频切换的能力。

本发明装置的工作原理及过程为：电网侧电压采样使用电压互感器(pt)，但大功率变频器在使用无速度传感器矢量控制并且需要保持转速控制精度的情况下，输出侧电压采样必须使用精度更好的电压传感器。测试时，输出负载断开，使变频器、工频旁路回路与电机脱离后，变频器高压合闸。依次将qs11、qf21、qf31合闸，变频器进行高压充电。充电完成后，将qf51、qf22合闸。这样变频器输出电压传感器采样到的即为电网信号。变频器主控制器检测同一网压信号分别由电压互感器pt和电压传感器采样的过零点。如果两个采样信号过零点不一致，那么将差值作为相位补偿量。再检测同一周期内信号的波峰值，如果不一致那么差值作为幅值的补偿量。使用相应补偿消除电压互感器和电压传感器本身器件采样原理特性带来的采样滞后差别，进而消除由采样滞后所造成的并网冲击。

电网侧电压采样pt位于进线隔离刀闸的下口，一旦刀闸闭合，无论是工频运行还是变频运行都可以实时得到电网电压，在旁路断路器和进线断路器下口分别又电流采样ct，可以分别得到工频运行和变频运行时的电流，输出断路器的上口装有电压传感器和电流传感器，可以采得变频器的输出数据。所有采样信号以及开关断路器的控制信号和状态信号均接入自主研发的主控制器中，进行运算处理，不需要外接其他辅助设备。

所述的主控制器为以嵌入式dsp为核心的集成电路控制装置，在其接口电路设计中包含了上述各电压、电流采样接口及各断路器分合闸检测和控制接口，在其软件设计中包含了下面的变频转工频的切换方法和工频转变频的切换方法。

一种基于iegt可实现工变频切换的大功率变频装置的切换方法，包括变频转工频的切换方法和工频转变频的切换方法；

如图2所示，变频转工频的切换方法包括以下步骤：

步骤一、变频器收到切工频信号后，变频器可在当前任意频率工况下，直接闭环调节输出频率与电网电压一致，同时对输出进行锁相判断；

步骤二、在输出与电网的频率误差在阈值内后，qf41分闸，投入环流电抗器，进入同期控制；

步骤三、同期控制时对输出电压进行锁相，同期计时并进行开环调节输出电压的幅值、相位，并时时进行判断，采用两级判断，满足第一级判断阈值后条件进入下一级判断均满足后才判定成功；

步骤四、判断时在规定同期计时时间内如果输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位有任意一个不满足误差阈值即判断同期未成功，第一次未成功返回执行频率调节至电压频率的步骤进而第二次重新同期调节，如果第二次还未成功环流电抗器退出回归正常变频闭环运行模式，转速回归目标转速；

步骤五、如果同期成功，系统进入并网模式，此时设备完全开环运行，不再进行同期调节，系统保持当前状态运行，运行同时需要时时检测输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位，如发现有任意一个不满足误差阈值视为不满足并网条件，第一次不满足返回执行频率调节至电压频率的步骤进而重新同期调节；

步骤六、如果第二次还未满足则环流电抗器退出回归正常变频闭环运行模式，转速回归目标转速；

步骤七、如果同期成功，旁路断路器qf22合闸电网投入，电机处于变频器和电网同步驱动，然后变频器封锁输出脉冲，电机完成工频运行；

如图3所示，在变频转工频的切换方法中的同期控制方法为：

1)在进行同期控制时，变频器不再对电机进行转速闭环和磁链闭环控制；

2)将同期控制前一时刻的d轴电压参考值usd_ref和q轴电压参考值usq_ref作为同期控制下一时刻的前馈量进行使用，usq_feedforward＝usq_ref，usd_feedforward＝usd_ref；

3)同期控制前一时刻的角度作为初始值，theta_int＝theta_out，再加上以电网频率frequency_grid作积分累加后的值得到新的角度theta_new；

4)然后系统开环运行，将电网锁相出来的ud_grid和输出锁相出来的ud_out进行闭环调节，输出量与前馈量usq_feedforward之和作为新的usq_ref，以前馈量usd_feedforward作为新的usd_ref，再对电网相位角theta_grid和输出相位角theta_out进行闭环调节，将输出量与新的角度theta_new之和得到的角度theta_out，用来与usd_ref和usq_ref进行dq反变换进而生成三相调制波。

变频切换工频运行时，需要进行同期调节，同期成功条件判断时采样两级时时判断，同期失败有自动回切能力，提高了变频切换工频的稳定性和成功率。

在进行同期控制时，进行开环调节输出电压的幅值、相位，直接将电压幅值闭环的输出量和相位闭环的输出量直接作用于产生调制波的变量上，加快跟踪网侧电压的变化能力，提高装置并网成功率。

如图4所示，工频转变频的切换方法包括以下步骤：

步骤一、当变频器收到切变频信号后，变频器首先直接空载启动；

步骤二、输出以网侧电压锁相得到的幅值和频率为依据，用d轴电压和电网的角度进行变换空载输出相应的电压，变频器处于开环空载；

步骤三、然后电抗器投入进行同期判断，采用两级判断，满足第一级判断阈值后条件进入下一级判断均满足后才判定成功；

步骤四、在规定时间内如果输出电压与网侧电压的频率、幅值和相位有任意一个不满足误差阈值即判断同期未成功，第一次未成功变频器停止输出，按照设定的时间后自动再次空载启动第二次重新执行上述步骤；

步骤五、如果第二次还未成功则停止输出后，等待进一步处理；

步骤六、如果同期成功，通知主控室同期成功，变频器输出断路器qf51合闸变频投入，电机处于变频器和电网同步驱动，然后旁路断路器qf22分闸电网退出，qf41合闸电抗器退出；

步骤七、变频器由开环控制切换成闭环控制，通知主控室切换变频完成，电机处于变频运行。

工频切换变频运行时，自动启动输出与电网一致的输出信号，同期成功条件判断时采样两级时时判断，同期失败有自动回切能力，提高了工频切换变频的稳定性和成功率。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。