一种带自学习功能的DC-BANK系统投切控制策略研究

闫红广，姜忠山，郭 鹏

（海军航空工程学院 山东 烟台 264001）

在传统DC-BANK系统中，当母线电压跌落至阈值以下时，投切控制器发出指令，实现IGBT导通、备用蓄电池组向变频器直流母线供电[1]，实现了“晃电”支撑。考查某型DCBANK直流不间断电源系统，变频器正常工作时母线电压为537 V，该系统仅对变频器母线电压进行监测，并以其跌落至阈值500 V为投切条件。

针对具体的变频器－电机系统，考查其母线电压跌落与电网电压存在的对应关系，发现从电网电压发生暂降到变频器母线电压跌落[2-4]至投切阈值，存在一定的跌落时间。这使得传统DC-BANK系统的投切控制器对于电压暂降的反应存在一定延时，而采用调高阈值的方法带来了误投切的风险。

考虑同时监测电网电压暂降信息及变频器母线电压的投切控制器设计，在不改变投切阈值的前提下，向投切控制器的决策中引入对电网电压暂降的检测。其中，开关投切条件为：

变频器母线电压跌落至阈值；

或发生的电压暂降被CPU认定为将导致母线电压跌落致阈值以下。

从以上的开关投切条件可以看出，当系统中变频器直流母线电压跌落至阈值以下，立即执行投切动作；当母线电压未跌落至阈值，但处理器通过监测电网电压变化，通过判断亦可以实现提前投切。

1 控制器流程图设计

在传统DC-BANK投切控制器的决策中，以直流母线电压跌落至阈值电压以下为决定投切条件。对于具体的变频器系统而言（容量、参数及负载等一定），变频器母线直流电压的跌落与电网电压暂降相对应。本文对于控制器的改进在于加入了对电网电压暂降检测的考虑，即当电网电压发生暂降，控制器判断该暂降幅值下电压暂降的持续时间，当认为此次暂降将导致母线电压低于阈值电压时，DC-BANK投切控制器可以在母线电压未跌落至阈值电压之前亦发生投切指令。

原则上，电网电压、母线电压有两种情况：

1）电网电压暂降导致母线电压暂降；

2）电网电压瞬时暂降，母线电压未发生明显跌落。

此处，为了增加控制器的可靠性，额外考虑第三种情况：电网电压正常，母线电压跌落。

图1 投切控制流程图Fig.1 Flow chart of switch controller

如图1所示为改进的控制系统流程图。由流程图可知，控制器无论检测到电网电压是否发生暂降，都首先以变频器母线电压低于系统设定的投切阈值为投切条件，此信号由外部电压比较器对母线电压与阈值电压的比较结果所得。图3中比较器输出信号为低电平时表示母线电压高于阈值电压；比较器输出信号为高电平时表示母线电压低于阈值电压。比较器输出送CPU并与CPU的IGBT控制信号相或后接驱动。

控制器中预设电压暂降幅值pu时，对应该幅值的容许的最大暂降持续时间为t＜T（pu），暂降幅值精确到10%。

对于母线电压未跌落至投切阈值但电网电压发生暂降的情况，CPU通过判断电压暂降持续的时间来判断该次暂降是否将导致Udc＜Uk，进行决定是否在母线电压未跌落至阈值之前执行投切动作。具体为：

当检测到电网电压发生暂降，CPU迅速确定电压暂降幅值pu，并记录暂降持续时间并与系统预设的对应幅值电压暂降最大容许时间比较，若暂降持续时间超过控制器预设的该幅值暂降的最大容许时间，即t＞T（pu），在母线电压未跌落至阈值时亦执行投切动作；若在t＜T（pu）某时刻，母线电压跌落至阈值电压，立即执行投切动作。此时CPU自动重设该次暂降对应幅值所对应的 T（pu），即 T（pu）=t－t0，其中，T（pu）＞0，t0为校正时间。

由流程例如可知，当电压未发生暂降，或电压发生暂降但母线电压正常时，开关始终处于断开状态。对于开关投切后电网电压恢复正常后的开关断开控制，由流程图可知，开关闭合后，延时1 s对电网电压及母线电压进行检测，确定两处电压均恢复正常时才执行断开动作，否则开关继续为闭合状态。由于控制器中的暂降容许时间有自学习功能，故设置时不必提前对系统进行专门的测试。如设置检测到的暂降电压幅值 pu 精确到 0.1，T（0.1）及以下为 10 ms，T（0.1）～T（0.9）为 40 ms，T（0.9）以上为 10 s。

2 控制器功能模拟

在simulink环境下，仿真分析基于压差比较的投切控制器[5－6]与带自学习和电网电压监测功能的投切控制器的功能异同。

图2 改进的投切控制器模块Fig.2 Module of promoed switch controller

在图2的控制器模块中，电网电压发生暂降时，经dq分析得到暂降幅值pu。CPU启动计时并与系统预设的对应T（pu）相比较，控制K值。clear模块在电网恢复时及时将控制字K改写为0，而由于预设了退出支撑的1 s延时，故此处改写K＝0后，IGBT开关并不立即断开。delay模块旨在使控制器在变频器稳定工作后才开始对母线电压的检测，否则开机瞬间即执行投切动作。

对控制器进行功能性仿真，设定电容C1为0.1 F，电机为110 kW三相异步电动机，负载转矩设置为100 N·m。由于电机容量较大，电机启动缓慢，在约1.2 s达到稳定工作状态，因此设定电压暂降发生在1.5 s时刻，持续0.2 s至1.7 s时刻电网电压恢复正常。

可以预见，传统基于压差的投切控制器将在1.5 s以后的某个时刻（此时Udc＜Uk=500 V）执行投切动作。由于电网在1.7 s时刻恢复正常，则系统在2.7 s时刻断开IGBT。

注：控制器仿真模型中包含退出投切时的1s延时模块，但未包含对T(pu)的改写设计。延时及改写的具体实现方法详见图1流程图及投切控制器程序。

如图3所示，传统DC－BANK系统中投切控制器由压差比较器、“市电好”检测模块和断开延时模块构成。当压差比较器检测到母线电压跌落至阈值以下，立即执行投切动作。当检测到市电恢复正常，压差比较器输出断开指令，但在延时模块控制下，延时1 s才断开IGBT。

由控制器原理可知，压差控制器发出投切命令后，IGBT至少保持1 s闭合状态。而市电恢复正常后才开始断开IGBT前的1 s延时。simulink仿真中可以通过这两个时间下的控制字“相或”来实现。

图3 传统投切控制器功能仿真框图Fig.3 Simulation block of promoted switch controller

图4 变频器母线电压Fig.4 Bus voltage of VFD

图5 电机C相相电流与转矩特性曲线Fig.5 Cphase current waveeform and torque curve of motor

从图4中可以看出，电网电压在1.5 s发生暂降，在约1.61 s时刻跌落至500 V，投切控制器发出投切指令，蓄电池组输出530 V直流电压经由IGBT开关向直流母线供电。电网在1.7 s时刻恢复正常，但开关IGBT仍未断开，2.7 s时刻蓄电池组退出支撑。

由图5电机C相相电流与电机转矩特性变化可以看出，传统DC-BANK系统中，投切控制器在电压跌落至阈值时刻投切，对于电机来说相当于重启阶段，因而电流变化巨大，变化幅度与投切压差成正比。因此，提高控制器对于电压暂降的反应速度、减小投切压差可以减小投切动作对于电机的影响。

如图6是改进的投切控制器进行功能性仿真模型。控制器由电网电压智能监测模块、母线电压监测模块和延时模块组成。电网电压智能监测模块不同于“市电好”检测模块之处在于：“市电好”检测模块仅向控制器提供退出支撑的时间参考，不直接控制IGBT的导通或关断。电网电压智能监测模块对电网电压进行AD采样后，通过dq算法得到电压暂降的幅值，与该幅值下对应的电压暂降最大容许时间相比较，可直接执行投切动作，该模块同时具有“市电好”检测功能。

从图7变频器母线电压波形、图8电机相电流波形和转矩特性曲线可以看出，改进的控制器使得电压暂降和DCBANK系统的投切支撑期间，电机工作状态受到的影响更小。

3 结 论

从仿真结果中可以看出，对电网电压的智能监测使得控制器可以预判变频器母线电压的跌落，从而在电压暂降持续时间超过T（pu）时（母线电压跌落至阈值之前）执行投切动作。从自学习投切控制器的原理设计中可以知道，该控制器的反应时间总优于传统压差控制器。新型带自学习功能的DC-BANK系统投切控制器不再局限于单纯依靠对母线电压中东的检测，对电压暂降反应更快。基于该控制器对于母线电压跌落的预判和近压投切能减小固定压差投切对于电机系统正常工作的影响，有利于系统的持续稳定工作，适用于对电能质量要求更高的变频器系统抗“晃电”改造。

图6 改进的投切控制器仿真模块Fig.6 Simulation module of promoted switch controller

图7 变频器母线电压波形Fig.7 Bus voltage waveforrm of VFD

图8 电机C相相电流与转矩特性曲线Fig.8 Cphase current waveeform and torque curve of motor

[1]贾彬，陈泽.一种新型不间断电源 [J].电源技术应用，2005（10）:43-46.JIA Bin，CHENZe.A new type uninterruptible power supply system[J].Power Supply Technologies and Applications，2005（10）:43-46.

[2]Li Y，FAN G，Li Q，et al.The impact of dabancheng wind farm integration on power quality of Xinjiang power grid[J].Power System Technology，2007（6）:20.

[3]Zhan Y，Guo Y，Zhu J，et al.Intelligent uninterruptible power supply system with back-up fuel cell/battery hybrid power source[J].Journal of Power Sources，2008，179（2）:745-753.

[4]Langer D R，Messer G J.Uninterrupted Power Supply（UPS） system interfacing with communications network:U.S.Patent 5，381，554[P].1995-1-10.

[5]张瀚文，周艳，孟国营.基于 DS2438的智能直流不间断电源[J].电子世界，2013（5）:72-74.ZHANG Han-wen， ZHOU Yan， MENG Guo-ying.DC uninterruptible power supply system based on DS2438[J].Electronic World， 2013 （5）:72-74.

[6]Simonelli J M，Klikic D，Ingemi M J，et al.Method and apparatus for providing uninterruptible power using a power controller and a redundant power controller:U.S.Patent 5，982，652[P].1999-11-9.