一种变频器低电压穿越电源的制作方法

本发明属于电网控制技术领域，特别涉及一种变频器低电压穿越电源。

背景技术：

变频器通过改变电源的频率来调节输出电压，具有很好的调速和节能性能。配合过压、过流、过载等保护，使其在工业生产的很多领域得到应用。现有变频器采用的技术包括：

(1)采用模糊自适应算法计算igbt触发脉宽以使输出电压维持预设值，

(2)采集低电压穿越电源的三相交流输入电压，将经坐标变换后得到的正序分量与启动判据作比较，

(3)设计采集直流电压作为判据，

(4)在设计控制电源时加装ups。

可以参见以下文件：

[1]郑安.电厂变频器用低电压穿越电源研究[d].北京:华北电力大学，2014.

[2]刘耀中，马永岗，王国庆，等.火电厂辅机变频器低电压穿越电源的设计[j].电力电子技术,2014,48(11):13-15.

[3]武利俊，林雪欣，刘剑，等.低电压穿越装置在火电厂的应用[j].内蒙古科技与经济,2014(24)：97-100.

[4]王钢，贾伟，郑怀国，等.具有低电压穿越能力的变频器稳压单元装置[p].中国,cn102299644a.2011-12-28.

目前这4种现有技术的不足及缺点为：

上述(1)中模糊控制的控制规则和隶属度函数的整合较为困难，增加了控制难度。

上述(2)中该方法需要锁相检测，算法较复杂，对cpu要求高。

上述(3)中电压采集点并联在整流电容两侧，当电压跌落时，电容会以较慢的速度进行放电，采集到的电容电压会滞后于实际电压值，从而使响应变慢。

上述(4)中ups需定期维护，且电池对使用环境要求较高，寿命有限，成为系统的薄弱环节，降低系统工作可靠性。

技术实现要素：

本发明提供一种变频器低电压穿越电源，解决当电网电压低于一定值(一般为额定电压的80％)时，变频器输出功率严重不足，并发生欠压停机保护问题及在某些场合会引起事故等问题。

一种变频器低电压穿越电源，包括功率电路和控制电路，功率电路由总开关电路、整流电路、预充电电路、升压斩波电路、投切电路和旁路线路组成，控制电路由采样电路、控制器、驱动电路以及控制电路供电电源组成，

断路器qf合闸上电要通过预充电电阻yr1对直流电容充电，上电完成后将预充电电阻yr1旁路，

经过全桥不控整流，经滤波电容，将直流电送入升压回路，

升压回路由三组参数一致的boost电路并联组成，三组电路的开关管采用交错并联调制方式，

在低电压穿越电源处于备用状态，由晶闸管开关实现低电压穿越电源隔离，并根据设计的控制策略实现投切控制，

控制器采集功率回路的电压、电流和开关的状态量，对电压和电流进行闭环调节，对开关进行自动控制，实现了系统全闭环控制，

控制电路供电电源采用宽电压输入电源。

所述控制器的控制算法包括：

(1)旁路式工作模式：电压跌落时，低电压穿越电源给变频器供电电网电压正常时，变频器直接经交流输入端从电网取电工作，低电压穿越电源处于热备用状态，

低电压穿越电源投入使用时，控制器上电进入初始化，发出合闸指令，断路器qf、接触器km相继合闸，之后进行自检，以在上电初期检测设备是否正常，防止将故障设备投入，

自检即是让设备进行升压斩波工作，将直流母线电压(uc2处)抬高到给定输出值，

若自检失败，发停机指令并将故障信号上传给上位机，

自检成功后进入热备用待机状态，随时监测变频器输入电压，电压值小于启动电压值时，启动升压斩波功能并触发晶闸管，设备投入运行，

当设备最大运行时间到达或电网电压恢复后，便停止升压功能，低电压穿越电源退出运行，重新回到热备用待机状态，

电压监测电路实时监测变频器直流母线电压值，设定测试点u3处是监测电压最佳位置，测试点u3处连接在变频器的输入直流母线上，可以及时准确的反应变频器输入电压，此处虽然也有滤波电容，但是与u2相比时间常数很小，电容电压可真实反映直流母线的实际电压，

当u3<ustart时，设备启动升压，ustart的值需根据变频器的低电压保护阈值确定，在变频器启动低压保护之前向变频器供电，设备是否退出升压斩波需监测u1处电压值，当在斩波运行中u1处电压>ustop,且2s后仍满足此关系，便可停止升压。ustop的值需大于ustart。

普通晶闸管scr用作低电压穿越电源投入与退出供电的控制开关，当检测到变频器的输入电压跌落需要进行辅助升压时，在触发boost升压电路igbt的同时，触发晶闸管scr，待其导通后停止触发，但此时仍处于通态，当电网电压恢复正常，设备不再进行升压斩波，晶闸管scr中便没有电流流过，自动关断；

(2)双单环自动控制模式：升压斩波电路的控制采用双单环pi算法，采样电路将输出电压和电流值送入控制器，经过pi运算后得到igbt的占空比，与载波进行比较，输出igbt的触发脉冲，

将电压环和电流环拆为两个独立的控制环，同一时刻只有一个控制环在运行，两个控制环均将pi运算后输出的数值作为igbt的触发脉冲占空比，设备通常运行在电压环，直流母线电压u2工作在给定值uref，

若由于过载或短路使输出电流高于电流保护阈值时，便切换到电流控制环，进行定电流调节，输出电压随之降低，防止设备输出电流过大而被损坏；当输出负载恢复正常时，再次切换到电压控制环，进行定电压工作；

(3)故障自动监测与处理模式：由于控制器具有一定的调节周期，瞬间扰动引起的过电压和过电流在闭环调节器调节周期内处于失控状态，对于这种异常状态，

当电压电流瞬间越限，比较电路将越限信号传给控制器，控制器立即将pi调节器输出清零，

若出现连续多次封脉冲处理，可断定设备已故障，需停机修复。

所述控制器对于(2)模式的控制算法还包括：

采用增量式pi控制算法，如式(3)所示，fn为当前调节周期内的计算输出值，在本设备中为igbt的触发脉冲占空比，fn-1为上一个调节周期内的输出值，ek为当前调节周期内反馈值与给定值的偏差，δek为当前调节周期的偏差与上一个周期偏差的差值，kp为比例系数，ki为积分系数。pi参数的整定常用的试凑法，双单环的参数分别整定，且两组参数没有直接联系。整定时，先令kp由0逐渐增大，直至系统出现震荡，取此时kp的60％-70％作为最终kp值，之后，保持kp不变，ki由0逐渐增大，待稳态误差为零，ki整定结束，

fn＝kp·δek+ki·ek+fn-1(3)

δek＝ek-ek-1(4)。

正常情况下由电网直接给变频器供电，低电压穿越电源处于热备用状态。当电网电压跌落到一定值时，低电压穿越电源快速启动向变频器提供额定电压和额定功率并维持一定时间。此外，控制回路电源及附件都需要具有低压穿越能力，防止低压时控制失效。

本发明进行了一系列优化设计，如采用宽范围输入控制电源、选择有效的电压采样点、重要的是设计全范围闭环无盲区控制策略，确保设备工作可靠性。

本发明的有益效果包括：

(1)控制电源设计采用宽范围输入控制电源，保证控制系统供电可靠性；通过对电路特征的分析，找到了实时反映变频器输入电压变化的电压采集点，提高了设备响应速度。

(2)boost升压电路中igbt的触发脉冲占空比调节采用双单环pi控制，算法简单，响应速度快，系统鲁棒性好，在发生过载时，能够自动保护；针对低电压穿越电源长时间处于热备用不进行升压工作，设计了日自检、年自检，并设计了故障监测功能，确保长期可靠工作；对出现的瞬间扰动，设计了硬件保护电路，避免出现失控状态。

本发明控制电源设计采用了宽范围输入控制电源以及boost升压电路中igbt的触发脉冲占空比调节采用双单环pi控制、故障监测功能，能够保证系统供电可靠性，解决了实时反映变频器输入电压变化的电压采集点问题，进一步的提高了设备的响应速度；利用双单环pi控制算法，与模糊控制相比算法简单，同时响应速度快，系统鲁棒性好；确保了系统长期可靠工作，避免出现失控状态等。在这些方面与现有技术相比具有比较明显的积极效果。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明的系统结构示意图。

图2本发明实施例采用的双单环控制算法示意图。

图3本发明实施例中低电压穿越电源的整体控制流程图。

具体实施方式

本发明的电路拓扑结构设计，如附图1所示。根据具体功能，系统可分为功率部分、控制部分。功率部分由总开关电路、整流电路、预充电电路、升压斩波电路、投切电路、旁路线路组成；控制部分主要有采样电路、控制器、驱动电路以及控制部分供电电源组成。qf合闸上电要通过预充电电阻yr1对直流电容充电，上电完成后将预充电电阻旁路。采用全桥不控整流，经滤波电容，将直流电送入升压回路。升压回路由三组参数一致的boost电路并联组成，三组电路的开关管采用交错并联调制方式，有效减小电感电流脉动和输出电压的波动。在备用状态，由晶闸管开关实现低电压穿越电源隔离，并根据设计的控制策略实现投切控制。控制器采集功率回路的电压、电流和开关的状态量，对电压和电流进行闭环调节，对开关进行自动控制，实现了系统全闭环控制。控制部分供电电源的设计对系统控制至关重要，须保证在输入电压降到额定值20％的情况下输出电压仍正常，避免控制失电停机，采用宽电压输入电源可解决此问题，如光伏专用电源模块，可靠性较高且不需要定期维护

本发明电源电路的主要器件选型：升压斩波电路是低电压穿越电源的核心部分，主要由储能电感、igbt、续流二极管、滤波电容构成。恰当的器件参数对实现升压斩波功能具有重要意义。

电感电流在斩波过程中的电流纹波大小直接影响低压侧电流的峰值和噪声。同等工况下，若电感电流纹波大，低压侧其他器件的容量需增大。

根据电感电流的纹波大小选取电感值。

式(1)中，vi为最小输入电压，ts为开关igbt的周期，d1为升压过程中igbt的最大占空比，δi为电感电流的纹波值，可根据具体需求规定。

在本装置的升压斩波电路中，由于采用三重并联的方式，单个电感的值为所求电感值的三倍。

滤波电容在igbt导通的瞬间，负责维持输出电压，并抑制输出电压纹波的大小。

式(2)中，io为斩波电路输出电流，d为最大占空比，ts为开关频率，δvo为输出电流的纹波。

igbt的选型要按照升压斩波电路的低压侧电流值峰值和高压侧电压峰值选取，一般器件的选型裕量为50％。

控制器的工作控制算法。

(1)旁路式工作模式：考虑到电网电压在绝大多数时间处于正常状态不需要辅助升压，低电压穿越电源采用旁路式的工作方式：电压跌落时，低电压穿越电源给变频器供电电网电压正常时，变频器直接经交流输入端从电网取电工作，低电压穿越电源处于热备用状态。低电压穿越电源投入使用时，控制器上电进入初始化，发出合闸指令，断路器qf、接触器km相继合闸，之后进行自检，以在上电初期检测设备是否正常，防止将故障设备投入。自检即让设备进行升压斩波工作，将直流母线电压(uc2处)抬高到给定输出值，若自检失败，发停机指令并将故障信号上传给上位机。自检成功后进入热备用待机状态，随时监测变频器输入电压，电压值小于启动电压值时，启动升压斩波功能并触发晶闸管，设备投入运行。当设备最大运行时间到达或电网电压恢复后，便停止升压功能，低电压穿越电源退出运行，重新回到热备用待机状态。

电压监测电路实时监测变频器直流母线电压值，电压值的准确获取对设备可靠性至关重要。图1中u3处是监测电压最合适的位置。u3处连接在变频器的输入直流母线上，可以及时准确的反应变频器输入电压，此处虽然也有滤波电容，但是与u2相比时间常数很小，电容电压可真实反映直流母线的实际电压，当u3<ustart时，设备启动升压。ustart的值需根据变频器的低电压保护阈值确定，变频器低电压保护阈值一般为额定电压的80％，所以，ustart一般应高于额定电压的80％，在变频器启动低压保护之前向变频器供电。设备是否退出升压斩波需监测u1处电压值，当在斩波运行中u1处电压>ustop,且2s后仍满足此关系，便可停止升压。ustop的值需大于ustart。

普通晶闸管scr导通速度快、电流过零自然关断且通态压降低，因此，将它用作低电压穿越电源投入与退出供电的控制开关。当检测到变频器的输入电压跌落需要进行辅助升压时，在触发boost升压电路igbt的同时，触发晶闸管，待其导通后停止触发，但此时仍处于通态。当电网电压恢复正常，设备不再进行升压斩波，晶闸管中便没有电流流过，自动关断。

(2)双单环自动控制设计：升压斩波电路的控制采用双单环pi算法，采样电路将输出电压和电流值送入控制器，经过pi运算后得到igbt的占空比，与载波进行比较，输出igbt的触发脉冲，如图2所示。为避免双环控制中外环带宽受限、减小pi参数的整定难度，将电压环和电流环拆为两个独立的控制环，同一时刻只有一个控制环在运行，两个控制环均将pi运算后输出的数值作为igbt的触发脉冲占空比。设备通常运行在电压环，直流母线电压u2工作在给定值uref。若由于过载或短路使输出电流高于电流保护阈值时，便切换到电流控制环，进行定电流调节，输出电压随之降低，防止设备输出电流过大而被损坏；当输出负载恢复正常时，再次切换到电压控制环，进行定电压工作。

在实际工程中，常采用增量式pi控制算法，如式(3)所示，fn为当前调节周期内的计算输出值，在本设备中为igbt的触发脉冲占空比，fn-1为上一个调节周期内的输出值，ek为当前调节周期内反馈值与给定值的偏差，δek为当前调节周期的偏差与上一个周期偏差的差值，kp为比例系数，ki为积分系数。pi参数的整定常用的试凑法，双单环的参数分别整定，且两组参数没有直接联系。整定时，先令kp由0逐渐增大，直至系统出现震荡，取此时kp的60％-70％作为最终kp值，之后，保持kp不变，ki由0逐渐增大，待稳态误差为零，ki整定结束。

fn＝kp·δek+ki·ek+fn-1(3)

δek＝ek-ek-1(4)

(3)故障自动监测与处理设计：由于控制器具有一定的调节周期，瞬间扰动(如负载瞬间扰动、输入电压瞬间扰动等)引起的过电压和过电流在闭环调节器调节周期内处于失控状态。对于这种异常，单独设计了硬件保护电路。当电压电流瞬间越限，比较电路将越限信号传给控制器，控制器立即将pi调节器输出清零。若出现连续多次封脉冲处理，可断定设备已故障，需停机修复。这种方式，既遏制了故障的发展，又避免了瞬间干扰导致设备停机。低电压穿越电源的整体控制流程图如图3。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。