一种变频器－感应电机系统耐受能力提升方法及系统

本发明涉及变频器耐受能力提升，特别是涉及一种变频器－感应电机系统耐受能力提升方法及系统。

背景技术：

1、随着工业现代化的不断发展，变频器被广泛应用于感应电机控制领域。然而，包含大量电力电子器件的变频器对电压变化极其敏感。在生产过程中，电压暂降造成保护装置动作导致设备跳停，将引发工业停产。如图1所示，变频器(variable-frequency drive，vfd)用于控制感应电机工作，包括整流桥、直流链路、控制系统和逆变器。整流桥由二极管组成，通过对电网输出的工频和正弦电压整流得到脉动的直流电压。提升变频器的耐受能力避免其跳停，本质上是在电压暂降发生的情况下保障感应电机继续工作。

2、目前，针对提升变频器电压暂降耐受能力的相关研究主要包括：增设补偿装置、优化拓扑结构和完善控制系统。通过增设不间断电源、动态电压恢复器等补偿装置通常具有较高的投资成本和运维成本。此外，引入更多电力电子器件和开关控制电路优化拓扑结构，将增加功率损失和故障风险。在控制策略层面：在遭受电压暂降的暂态过程中，电压/频率控制存在调速性能不足和定子电阻电压突变等问题；弱磁控制无法根据感应电机的响应特性动态调整转子磁链；在矢量控制的电枢回路中采用转速闭环的方式控制转速，但电压暂降造成的电磁转矩跌落是引起转速跌落的本质原因，若不对电磁转矩进行有效控制则无法显著抑制转速跌落。在控制参数层面：传统智能算法由于种群多样性较差，容易陷入局部最优解，并且在搜索过程中难以兼顾全局搜索和局部搜索。基于改进量子遗传算法优化永磁同步电机的控制参数，但在遭受电压暂降的时变过程中，恒定的控制参数无法为感应电机提供精准控制。模糊规则和隶属函数凭借经验设计，缺乏科学化和系统化的设计流程。对在线优化，控制参数的优化过程极其复杂，在遭受电压暂降时，感应电机的响应特性变化较快，无法保证控制系统的实时性。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明旨在提供基于改进控制策略和设计控制参数的变频器耐受能力提升方法，该方法具体为一种变频器－感应电机系统耐受能力提升方法，适用于变频器耐受能力提升领域，具体技术方案包括：

2、计算定子电压励磁分量参考值

3、计算定子电压电枢分量参考值

4、对定子电压励磁分量参考值和定子电压电枢分量参考值进行逆变处理，生成三相电压供给感应电机。

5、优选地，计算定子电压励磁分量参考值包括：

6、电压暂降时，计算电压暂降时的转子磁链参考值

7、

8、式中，vsag为电压暂降时的直流链路电压，vdc为未遭受电压暂降时的直流链路电压，ψ*为转子磁链参考值，te为电磁转矩，tl为负载转矩，k1、k2、k3为计算常数；

9、计算定子电流励磁分量参考值

10、

11、式中，ψr为转子磁链，kf_p和kf_i为第一控制参数对，s为拉氏算子；

12、计算定子电压励磁分量参考值

13、

14、式中，isd为定子电流励磁分量，kec_p和kec_i为第二控制参数对。

15、优选地，计算定子电压电枢分量参考值包括：

16、计算电磁转矩参考值

17、

18、式中，为转速参考值，ωr为转速，ks_p和ks_i为第三控制参数对；

19、计算定子电流电枢分量参考值

20、

21、式中，kt_p和kt_i为第四控制参数对；

22、计算定子电压电枢分量参考值

23、

24、式中，isq为定子电流电枢分量，kac_p和kac_i为第五控制参数对。

25、进一步，该方法还包括修正定子电压励磁分量参考值

26、计算定子电压励磁分量修正参考值

27、

28、式中，为定子电压励磁分量额定值，usd为定子电压励磁分量，kev_p为第六控制参数；

29、修正定子电压励磁分量参考值

30、

31、式中，为修正后的定子电压励磁分量参考值。

32、进一步，该方法还包括修正定子电压电枢分量参考值

33、计算定子电压电枢分量修正参考值

34、

35、式中，为定子电压电枢分量额定值，usq为定子电压电枢分量，kav_p为第七控制参数；

36、修正定子电压电枢分量参考值

37、

38、式中，为修正后的定子电压电枢分量参考值。

39、进一步，本发明还提出了划分窗口和引入权函数的最小二乘法(weighted leastsquares，wls)求解pi控制参数(proportional-integral control，比例积分控制参数)，从而根据转速跌落情况实现自适应调整，具体包括：

40、对电压暂降过程中，转速ωr发生变化的部分划分窗口，

41、

42、式中，i为窗口序数，δi为对应待解的控制参数，xj为窗口中第j个转速采样点，ui(xj)为对应的输出信号，为对应的给定输入信号；

43、对第i个窗口，存在准则函数j，

44、

45、式中，xnode为窗口中点的转速采样点，为对应的权函数，zi(xj)为对应的检测输出信号，m为转速采样点的数量；

46、采用高斯函数赋予窗口中点和窗口边缘不同的权重，

47、

48、式中，σ2为高斯函数的标准差；

49、当准则函数j累计值最小时，基于加权最小二乘法求解各窗口中对应的待解的控制参数和控制参数对。

50、进一步，本发明还提出了通过改进灰狼算法(improved grey wolfoptimizer，igwo)优化控制参数，从而提升变频器的控制精度。其中，该算法的变异概率和交叉概率经非线性调整得到。在遭受电压暂降时，通过动态调整转子磁链和电磁转矩闭环以及自适应调整最优控制参数，提升变频器的电压暂降耐受能力，具体包括：

51、电压暂降时，将转速ωr引入目标函数，计算种群中所有的个体目标函数值f，

52、

53、式中，tω为转速的响应时间，e(tω)为转速误差；

54、采用双曲正切函数非线性调整交叉概率pm和变异概率pc，

55、

56、

57、式中，pm_max、pm_min为变异概率的最大值、最小值，pc_max、pc_min为交叉概率的最大值、最小值，favg为种群目标函数平均值，f′为执行交叉操作的两个体对应目标函数的较大值；

58、将遗传算法中的变异、交叉和选择操作引入灰狼算法；

59、其中，变异操作，

60、hi(g+1)＝xa(g)+pm[xb(g)-xc(g)]；

61、式中，hi(g+1)为变异个体，xa(g)、xb(g)和xc(g)为第g次迭代中随机选择的个体；

62、交叉操作，

63、

64、式中，ui(g+1)为交叉操作得到的个体，xi(g)为种群中任一个体，rj为随机概率；

65、选择操作，

66、

67、式中，xi(g+1)为下一代个体，f[ui(g+1)]为交叉操作的目标函数，f[xi(g)]为种群中任一个体的目标函数；

68、基于改进灰狼算法优化各窗口中对应的控制参数和控制参数对。

69、优选地，该方法还包括计算电压暂降时的电磁转矩te，

70、te＝tl-δte；

71、

72、式中，δte为电磁转矩变化量，np为极对数，lm为定转子互感，lr为转子电感，δisq为定子电流电枢分量变化量。

73、进一步，本发明还提供了计算移相角θ的方法，具体包括：

74、对感应电机输出的三相定子电流依次进行克拉克变换、派克变换，得到定子电流励磁分量isd和定子电流电枢分量isq；

75、计算转子磁链ψr，

76、

77、式中，rr为转子电阻；

78、计算移相角θ，

79、

80、将移相角应用于派克变换、逆变处理中移相处理的反派克变换。

81、此外，本发明还有提供了一种变频器－感应电机系统耐受能力提升系统，包括逆变电路和分别设置于控制系统中励磁回路、电枢回路的vfc、mcc；

82、vfc用于计算并输出定子电压励磁分量参考值至逆变电路；

83、mcc用于计算并输出定子电压电枢分量参考值至逆变电路；

84、逆变电路用于对vfc、mcc输出的定子电压励磁分量参考值定子电压电枢分量参考值进行逆变处理，生成三相电压供给感应电机。

85、优选的，vfc包括vsc、afr和aecr；vsc、afr和aecr依次连接，aecr输出端连接到逆变电路；

86、vsc用于计算电压暂降时的转子磁链参考值

87、

88、式中，vsag为电压暂降时的直流链路电压，vdc为未遭受电压暂降时的直流链路电压，ψ*为转子磁链参考值，te为电磁转矩，tl为负载转矩，k1、k2、k3为计算常数；

89、afr用于计算定子电流励磁分量参考值

90、

91、式中，ψr为转子磁链，kf_p和kf_i为afr的控制参数对，s为拉氏算子；

92、aecr用于计算定子电压励磁分量参考值

93、

94、式中，isd为定子电流励磁分量，kec_p和kec_i为aecr的控制参数对。

95、优选的，mcc包括asr、atr和aacr；asr、atr、aacr依次连接，aacr输出端连接到逆变电路；

96、asr用于计算电磁转矩参考值

97、

98、式中，为转速参考值，ωr为转速，ks_p和ks_i为asr的控制参数对；

99、atr用于计算定子电流电枢分量参考值

100、

101、式中，kt_p和kt_i为atr的控制参数对；

102、aacr用于计算定子电压电枢分量参考值

103、

104、式中，isq为定子电流电枢分量，kac_p和kac_i为aacr的控制参数对；

105、mcc输出定子电压电枢分量参考值至逆变电路。

106、进一步，vfc还包括aevr；

107、aevr输出端连接到aecr输出端，用于修正定子电压励磁分量参考值

108、

109、

110、式中，为定子电压电枢分量修正参考值，为定子电压励磁分量额定值，usd为定子电压励磁分量，kev_p为aevr的控制参数，为修正后的定子电压励磁分量参考值。

111、进一步，mcc还包括aavr；

112、aavr输出端连接到aacr输出端，用于修正定子电压电枢分量参考值

113、

114、

115、式中，为定子电压电枢分量修正参考值，为定子电压电枢分量额定值，usq为定子电压电枢分量；kav_p为aevr的控制参数，为修正后的定子电压电枢分量参考值。

116、可见，本发明所提供的技术方案中，励磁回路中的vfc可增强对感应电机的调控性；电枢回路中的mcc可消弭电压暂降时控制系统的滞后性，并提升控制系统的抗干扰能力。