基于解析模型的低压变频器电压暂降耐受能力评估方法与流程

本发明涉及电力系统中电压暂降耐受能力评估领域，特别是一种基于解析模型的低压变频器电压暂降耐受能力评估方法。

背景技术：

随着全控型电力电子器件和数字化控制技术的发展，变频器(variablefrequencydrive，vfd)作为一种电机控制设备被广泛应用于各大高端制造工业。但变频器是一种对电压暂降十分敏感的设备，在提高工业生产效率的同时，用户因电压暂降问题而遭受的经济损失也大大增加。为量化asd暂降耐受能力，以指导设备选型和参数优化等，国内外大量学者对asd耐受能力进行研究与测试。然而随着变频器参数的改进以及技术的革新，原有的测试结果不再适用，需要重新测试不同变频器的耐受能力，但目前测试方案效率低下，且绝大部分用户不具备相应的测试条件，设备厂商和用户难以评估不同变频器的耐受能力。因此亟需提出了一种适用性更高的变频器耐受能力评估方案。

了解变频器的电压暂降耐受能力是解决其受电压暂降影响的第一步。获得变频器耐受能力后，一方面可以帮助用户进行设备选型以及制定经济高效的暂降治理措施，另一方面可以指导厂家进行参数设计，进而减小因暂降而导致的经济损失。

目前电气设备的暂降耐受能力，均是通过电压暂降耐受曲线(voltagetolerancecurve,vtc)进行量化，其通过幅值与持续时间特征将复杂暂态波形简化为二维坐标图中的单个事件点，直观呈现设备耐受能力。因此国内外针对变频器暂降耐受能力的研究主要围绕vtc的获取展开，目前，要得到变频器vtc主要有实测和仿真两种方法。

实测方法：如图1所示，对于实测研究，首先需要搭建相应的测试平台，平台包含的设备主要有：可编程电源、待测变频器、动力电机、数据采集系统、负载电气以及负载电机驱动器。其中，可编程电源的主要功能是产生所需要的电压暂降波形。负载电机作为待测设备(变频器1)的模拟负载，通过调节变频器2以改变模拟负载的转矩大小或者功率，从而改变被测设备的运行状况，达到近似模拟正常工况的目的。数据采集系统主要是对输入电压、电流以及asd中直流电容两端的电压进行监测，以准确反映出变频器1的运行状况，同时监测转矩和转速，以准确反映出负载运行状态。

搭建测试平台后，在测试之前还需要制定相应的测试计划，测试计划中应包含：暂降持续时间范围、时间步进值、暂降幅值范围、幅值步进值、待测暂降类型、负载大小、步长控制策略以及设备失效判据。ieeestd.1668中推荐了的三种步长控制策略，包括自上而下、自左向右、封闭式方法，这三种方法均适用于变频器耐受能力的测试。最后用户可根据制定的测试计划获得待测变频器的电压暂降耐受曲线。

仿真方法：仿真方法与实测方法类似，不同之处在于仿真方法不需要搭建实物测试平台，而是基于simulink或者pscad/emtdc建立相应的仿真平台，仿真平台需要分别对可编程电源、变频器功率回路、变频器驱动回路和保护回路、负载电机等分别建模。仿真平台各部分连接关系如图2所示。

仿真平台中，变频器的功率回路主要包含整流部分、直流部分和逆变部分，整流部分由二极管组成三相整流桥，每一相桥臂由2个二极管；三相逆变部分每一相桥臂包括2个igbt开关管和2个反馈二极管，其中反馈二极管用于将电机的能量传递到直流侧；直流电路中电感l为平波电感，用于平滑直流侧电流，以减小供电测引起的电流畸变，同时还能在一定程度上减小过电流，直流部分电容c为直流环节的储能电容，用于减小直流侧电压波动；驱动回路的能根据检测到的电流、电压以及转速信号，输出pwm驱动信号，控制逆变部分的igbt的导通与关断；保护回路对vfd以及电机提供必要的护，当检测到信号异时，会发出跳闸信号，闭锁门极驱动信号。仿真平台搭建完成后，同实测方法，需要先制定测试计划，再根据测试计划获得变频器的电压暂降耐受曲线。

实测方法能准确获得不同型号变频器的电压暂降耐受曲线，但测试平台的搭建需要较大的试验场地，且测试设备价格昂贵，仅单台可编程电源(36kw)的价格已经超过50万，因此大多数用户不具备相应的试验条件。此外，对于变频器类设备而言，需考虑电压暂降类型、负载水平等因素的影响，测试情况较多，所以该评估方法工作量大，且每次测试完毕后需保证电机复位，单次测试周期长，更严重的是，多次测试对变频器、电机寿命也具有一定影响，还可能引起被测设备性能下降，进一步增加评估误差。

仿真相比实测方法成本更低，实验条件也相对简单，但仿真模型的搭建工作费时费力，许多用户不具备相应的技术能力，难以搭建待测变频器的仿真模型，而模型建立的精确与否将影响仿真测试结果的准确性。此外，同实测方法类似，该也需要分别测试待测变频器在多种情况下的电压暂降耐受曲线，需要耗费大量的测试时间。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于解析模型的低压变频器电压暂降耐受能力评估方法，基于变频器对电压暂降响应的解析模型，通过模型计算求解获得变频器的电压暂降耐受能力，避免了测试工作的繁琐和对受试设备寿命的影响，方便用户实际使用。

一种基于解析模型的低压变频器电压暂降耐受能力评估方法，包括以下步骤：

步骤1：给定设备参数以及负载功率大小，给定的设备参数包括直流环节电容c，直流环节电感l，整流桥与电容之间的等效电阻rd，直流环节欠电保护整定值uth，过电流保护整定值ith，以及变频器的额定功率pn；

步骤2：根据电容器中的能量守恒定律，计算得到变频器能够耐受的电压中断的最大时长tth，式中，c为直流环节电容大小，un为额定输入电压，uth为直流环节欠压保护整定值，p为负载功率大小；

步骤3：选择电压暂降类型，根据动态电路方程组，计算该电压暂降类型下触发欠电压保护的临界幅值以及触发过电流保护的临界电压幅值；

1)三相对称电压暂降

a、依据式(2)评估三相电压暂降下欠压保护的临界电压幅值u3cu：

其中，t为工频电压周期；

b、依据式(3)和式(4)评估三相暂降结束时触发过流保护的临界电压幅值u3ci：

其中，ith为变频器过电流保护整定值；uthi是由ith折算得到的过电流保护电压整定值；rd为整流桥与电容之间的等效电阻；β为：

2)两相电压暂降

a、依据式(6)评估两相暂降下欠压保护的临界电压幅值u2cu：

其中，ulth为触发欠电压保护时，含非暂降相线电压的最大峰值；unp为额定相电压峰值；α为计算角度；式中，ulth和α分别根据式(7)和式(8)获得：

式(7)中δt由方程组(9)计算得到

kδu为电压幅值校正系数；uthn为直流环节欠压保护整定值uth折算到变频器输入侧对应的相电压整定值；θ为两相含非暂降相线电压的相位差；

b、依据式(10)评估两相暂降下过电流保护临界电压幅值u2ci，

其中，ulth为触发欠电压保护时，含非暂降相线电压的最大峰值；unp为额定相电压峰值；α为计算角度；式中，ulth和α分别根据式(7)和式(8)获得：

式(7)中δt由方程组(9)计算得到

kδu为电压幅值校正系数；uthn为直流环节欠压保护整定值uth折算到变频器输入侧对应的相电压整定值；θ为两相含非暂降相线电压的相位差；

步骤4：若为三相对称暂降，则变频器跳闸电压utrip＝max(u3cu，u3ci)；若为两相暂降，则变频器跳闸电压utrip＝max(u2cu，u2ci)；

步骤5：“膝点”坐标为(tth，utrip)，基于“膝点”绘制矩形vtc曲线，用于大致反映变频器的电压暂降耐受能力，“膝点”即为变频器的典型电压暂降耐受曲线中的曲线拐点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于变频器对电压暂降响应的解析模型获得变频器的电压暂降“膝点”坐标，根据“膝点”坐标可绘制出变频器的矩形vtc曲线，避免了繁琐的测试工作，且使用流程简单，方便实际使用，相比目前的评估方法具有较大优势。

附图说明

图1为试验平台结构图。

图2为仿真平台结构图。

图3为变频器的典型耐受曲线。

图4为评估流程。

图5为100％负载率下三相暂降的vtc。

图6为50％负载率下三相暂降的vtc。

图7为100％负载率下两相暂降的vtc。

图8为50％负载率下两相暂降的vtc。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出的基于解析模型的低压变频器电压暂降耐受能力评估方法，其具体的评估流程和模型建立如下：

变频器的典型电压暂降耐受曲线如图3中实线所示，其形状大致呈现为矩形，因此要反映变频器的电压暂降耐受曲线的整体趋势，关键在于确定曲线拐点，即“膝点”坐标。本发明给出了一种基于设备参数获取不同类型暂降下vtc“膝点”坐标的方法，该评估方法考虑了低压保护以及过流保护，这两种保护是导致变频器故障停机的主要原因。

由于大部分变频器能够完全耐受单相电压暂降，本发明仅给出三相电压暂降和两相暂降的“膝点”评估方法，如图4所示，它依次包含以下步骤：

1、评估电压中断时变频器能够耐受的最大时长，给定设备参数值以及负载功率大小，根据式(1)即可求出该时长tth：

其中c为直流环节电容大小，un为额定输入电压，uth为直流环节欠压保护整定值，p为负载功率大小。

2、选择要评估的电压暂降类型，三相对称暂降跳转至步骤3，两相电压暂降跳转至步骤6。

3、对于三相对称暂降耐受能力评估，依据(2)评估三相电压暂降下欠压保护的临界电压幅值u3cu：

其中t为工频电压周期。

4、依据(3)和(4)评估三相暂降结束时触发过流保护的临界电压幅值u3ci：

其中，ith为变频器过电流保护整定值；uthi是由ith折算得到的过电流保护电压整定值；rd为整流桥与电容之间的等效电阻；β为：

5、确定三相对称暂降的临界幅值utrip＝max(u3cu，u3ci)，跳转至步骤9。

6、依据(6)评估两相暂降下欠压保护的临界电压幅值u2cu：

其中，ulth为触发欠电压保护时，含非暂降相线电压的最大峰值(发生两相暂降时，有一相电压幅值为额定值，故三相线电压中存在两相线电压含有非暂降相)；unp为额定相电压峰值；α为计算角度。式中ulth和α可以分别根据式(7)和式(8)获得：

δt可由方程组(9)计算得到

kδu为电压幅值校正系数，其大小主要受电容大小以及负载大小的影响；uthn为直流保护整定值折算到变频器输入侧对应的相电压整定值；θ为两相含非暂降相线电压的相位差。

7、两相暂降下过流保护临界幅值u2ci与欠压保护下临界幅值u2cu确定方式相似，先由式(3)计算得出uthi，将根据式(7)～(9)求出对应的ulth和α，并代入式(10)中即可得出u2ci：

8、确定两相暂降的临界幅值utrip＝max(u2cu，u2ci)。

9、“膝点”坐标为(tth，utrip)，并根据“膝点”坐标绘制矩形vtc曲线，用于大致反映变频器的电压暂降耐受能力。

下面通过具体实例结果来验证本发明方法的有益效果，将simulink仿真平台测试结果与该评估方法所得结果进行了比对，通过误差分析来说明评估方法的有效性。仿真平台以及评估模型关键参数设置如表1所示。测试平台中相关参数设置如下表：

表1测试平台相关参数设备

三相对称暂降下仿真结果与模型评估结果如图5和图6所示，负载率为100％与50％时评估所得的“膝点”坐标分别为(11.8，0.8116)和(23.6,0.7661)。其中，对应负载水平下，实验所得vtc水平段幅值分别为0.8p.u.和0.77p.u.，电压中断耐受的最长时间分别为13ms和25ms，评估的幅值误差δu分别为0.0116和-0.0049，时间误差δt分别为1.2ms和1.4ms。可见，基于该评估方法绘制的vtc曲线整体上与仿真测试所得的vtc曲线吻合，能够大致反映变频器在三相暂降下的暂降耐受能力。

两相暂降下仿真结果与评估结果如图7和图8所示，负载率为100％与50％时评估所得的“膝点”坐标分别为(11.8，0.7046)和(23.6，0.6561)。其中，对应负载水平下，实验所得vtc水平段幅值均为为0.71p.u.和0.66p.u.，电压中断耐受的最长时间分别为0.013s和0.025s，评估幅值误差分别为-0.0054和-0.0049，时间误差分别为1.2ms和1.4ms。可见，基于该评估方法绘制的vtc曲线整体上与仿真测试所得的vtc曲线吻合，能够大致反映变频器在两相暂降下的暂降耐受能力。