В рамках проекта разработана архитектура распределённой системы управления высоковольтным каскадным преобразователем, построенным на базе последовательно соединённых низковольтных силовых ячеек.
Испытанный трёхфазный преобразователь содержит восемь силовых ячеек в каждой фазе. Такая структура позволяет формировать высокое выходное напряжение с использованием серийных низковольтных силовых модулей, масштабировать преобразователь по напряжению и мощности, а также сохранять работоспособность при отключении отдельных ячеек.
Функциональная схема преобразователя и распределённой системы управления.
Архитектура системы управления
Система управления построена по иерархическому принципу и включает:
- главный контроллер преобразователя;
- локальные контроллеры силовых модулей;
- двунаправленные каналы обмена данными;
- синхронизацию таймеров ШИМ;
- сбор измерений и диагностических состояний;
- обработку штатных и аварийных режимов.
Главный контроллер выполняет алгоритмы векторного управления электроприводом и многоуровневой ШИМ. Для каждого силового модуля рассчитывается индивидуальная уставка, которая передаётся локальному контроллеру с частотой, связанной с эквивалентной частотой ШИМ преобразователя.
Главный контроллер преобразователя.
Контроллер силового модуля управляет полупроводниковыми ключами, измеряет напряжение звена постоянного тока и передаёт главному контроллеру текущее состояние ячейки: готовность, работу, отключение или аварию. Измеренное напряжение используется главным контроллером при расчёте модуляции.
При эквивалентной частоте ШИМ инвертора 4 кГц полный цикл обмена данными между главным контроллером и силовыми ячейками выполняется с частотой 8 кГц. Таймеры ШИМ активных выпрямителей и инверторов силовых модулей синхронизируются командами главного контроллера.
Многоуровневая ШИМ с ротацией силовых ячеек
Для каскадного инвертора разработан алгоритм ШИМ с ротацией работающих ячеек. В каждом периоде ШИМ функции ячеек перераспределяются: одна ячейка формирует импульсное напряжение с заданной скважностью, часть ячеек включена на полное напряжение, остальные формируют нулевое напряжение.
Ротация обеспечивает равномерное распределение коммутационных потерь между силовыми модулями. Для преобразователя с восемью ячейками в фазе эквивалентная частота формирования выходного напряжения может составлять 4 кГц при средней частоте коммутации отдельной ячейки около 500 Гц.
Заданное и сформированное фазное напряжение, а также выходные напряжения восьми силовых ячеек.
Алгоритм не привязан к фиксированному количеству модулей и может быть адаптирован к преобразователям с другим числом последовательно соединённых ячеек.
Работа при отказе силового модуля
Силовая ячейка снабжается модулем байпаса, который позволяет исключить неисправный модуль из последовательной цепи без полного останова преобразователя.
После шунтирования ячейки система управления пересчитывает доступный диапазон выходного напряжения и продолжает формирование симметричной трёхфазной системы оставшимися модулями. Для разработанного алгоритма не требуется перестраивать набор фазосдвинутых несущих сигналов, поэтому исключение неисправной ячейки не вызывает неконтролируемого переходного процесса в алгоритме ШИМ.
Слева показана уровневая ШИМ, справа — фазосдвигающая ШИМ. Красной линией обозначен несущий сигнал неисправной ячейки.
Распределённая архитектура позволяет локализовать отказ, передать диагностический статус на главный контроллер и продолжить работу с допустимым снижением максимального выходного напряжения и мощности.
Управление активными выпрямителями
Входная часть каждой силовой ячейки может быть выполнена на базе активного выпрямителя напряжения. Для активных выпрямителей разработана векторная система управления с предуправлением по мощности нагрузки.
Предуправление ускоряет компенсацию изменения мощности электродвигателя и уменьшает отклонение напряжения звена постоянного тока. Двунаправленная передача энергии обеспечивает двигательный и генераторный режимы, включая рекуперативное торможение с возвратом энергии в питающую сеть.
Моделирование и экспериментальная проверка
Для разработки и проверки алгоритмов создана математическая модель преобразователя, включающая многообмоточный трансформатор, активные выпрямители, звенья постоянного тока, многоуровневый инвертор, электродвигатель и систему управления.
Модель использовалась для отладки алгоритмов ШИМ, настройки регуляторов, исследования рекуперативного торможения, анализа работы при шунтировании ячеек и оценки электрических и тепловых нагрузок силовых модулей.
Испытательный стенд преобразователя частоты и силовые ячейки в шкафу.
Разработанные решения прошли экспериментальную проверку в составе высоковольтного преобразователя частоты 10 кВ мощностью 8 МВт. Преобразователь предназначен для пуска и регулирования скорости высоковольтного синхронного электродвигателя.
Во время испытаний проверялись номинальный режим, разгон, торможение, рекуперация энергии, синхронизация контроллеров и совместная работа силовых ячеек. При нагрузке 8 МВт двигатель работал с коэффициентом мощности, близким к единице.
Осциллограмма тока фазы и линейного напряжения двигателя при нагрузке 8 МВт.
Результаты проекта
В результате проекта разработана масштабируемая распределённая система управления, объединяющая верхний уровень управления преобразователем и локальный уровень управления силовыми ячейками.
Система обеспечивает:
- векторное управление высоковольтным электроприводом;
- формирование многоуровневого выходного напряжения;
- индивидуальное управление силовыми модулями;
- синхронизацию ШИМ распределённых контроллеров;
- равномерное распределение коммутационных потерь;
- управление активными выпрямителями;
- рекуперативное торможение;
- диагностику каждой силовой ячейки;
- адаптацию к шунтированию неисправных модулей;
- работу в штатных и аварийных режимах.
Разработанная архитектура может применяться в высоковольтных электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров и другого промышленного оборудования, а также в каскадных преобразователях для устройств компенсации реактивной мощности и управления потоками мощности в электрических сетях.
Подробнее о разработанных алгоритмах, результатах моделирования и экспериментальных исследований читайте в диссертации Ю.К. Каземировой «Разработка и исследование алгоритмов управления высоковольтными каскадными преобразователями».