一种中高压大容量变流器软启动系统及方法

文献发布时间：2023-06-19 12:00:51

技术领域

本发明涉及中高压大容量变流器领域，特别涉及一种中高压大容量变流器软启动系统及方法。

背景技术

中高压大容量变流器是对大功率电机进行控制、驱动、调速的重要设备。随着国家在节能减排方面投入力度的加大，中高压大容量变流器在军工、电力、冶金、石油化工、供水、水泥以及采矿等行业市场需求越来越大，其应用场合越来越关键，尤其应用于国家重大项目的机组动力设备，相关设备运行阶段的任何异常将会带来重大影响。

中低压小容量变流器的上电过程已有多种成熟软启动方案，可以采用在交流进线端通过限流电阻对预充电电流进行限制的软启动方案，也可以采用在变流器直流侧采用软启动回路的对预充电电流进行限制的软启动方案，均能在一定程度减小对变流器器件(如直流侧电容和功率器件等)的冲击，达到软启动的目的，但对于中低压小容量变流器进线变压器由于电压等级较低，容量较小，通常不会考虑进线变压器的上电励磁涌流抑制。

如果中高压大容量变流器采用中低压小容量变流器软启动方案，则会存在一些问题，比如软启动方案成本过高，电路体积过大，对进线主变压器的励磁涌流冲击和对中高压供电电源的冲击影响等，采用低压电源软启动，可以有效减小电路体积，缩小软启动回路电路规模，降低成本。

如图1所示，为现有技术的中高压大容量变流器软启动方案，由于软启动是在中高压侧进行的，旁路断路器QF2和限流电阻R1均为中高压器件，造成软启动方案成本过高，器件体积过大，同时由于为大容量变压器和变流器，软启动过程中同时对变压器预励磁和对变流器预充电，进一步增大限流电阻功率和体积。导致成本过高。

图1方式所示的软启动方式存在以下缺点：

由于软启动是在中高压侧进行的，旁路断路器QF2和限流电阻R均为中高压器件，造成软启动方案成本过高，器件体积过大，同时由于为大容量变压器和变流器，软启动过程中同时对变压器预励磁和对变流器预充电，进一步增大限流电阻功率和体积。导致成本远高于本专利所述软启动回路，体积也远大于本专利所述软启动回路。

参见图2，该图为现有技术中提供的一种中高压大容量变流器采用的变流器直流侧进行软启动的一种方案，软启动时，闭合进线接触器KM1，低压电源通过限流电阻R连接到辅助变压器T2原边绕组，辅助变压器副边绕组电压经整流桥整流为直流电压对电容器C1和电容器C2进行预充电，当直流DC+和直流DC-之间电压达到预设值时，断开进线接触器KM1，退出软启动回路，同时闭合进线断路器QF，中高压电源直接接入中高压大容量变流器系统，完成中高压大容量变流器的软启动。

图2方式所示的软启动方式存在以下缺点：

一方面，软启动回路仅对电容器C1和电容器C2进行预充电，使直流DC+和直流DC-之间电压达到预设值，未对主变压器T1进行预励磁，当闭合进线断路器QF时，主变压器T1将会产生6-10倍额定电流的励磁涌流，由于主变压器T1为中高压大容量变压器，产生的励磁涌流将对中高压电源(母线或电网)产生冲击，影响远超中低压小容量变流器系统，另一方面，在断开进线接触器KM1，退出软启动回路前，未旁路限流电阻R，考虑到限流电阻R上的电压降，预充电是不充分的，闭合进线断路器QF，中高压电源直接接入中高压大容量变流器系统时仍然会有较大冲击电流。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种中高压大容量变流器软启动系统及方法，能够减小上电时对中高压大容量变流器系统本身和中高压电源的冲击和影响，同时缩小软启动回路电路规模，降低成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种中高压大容量变流器软启动系统，所述的变流器的主回路包括由输入端至输出端依次连接的中高压电源、进线断路器QF、主变压器T1、变流器网侧功率单元G1、变流器直流侧电容。

所述的软启动系统包括由输入端至输出端依次连接的低压电源、进线接触器KM1、限流电阻R、辅助变压器T2、整流桥ZL1，还包括旁路接触器KM2，旁路接触器KM2并联在限流电阻R的两端；整流桥ZL1的输出端连接至变流器直流侧电容的两端DC+和DC-；

还包括第一电压互感器PT1、第二电压互感器PT2和控制器，第一电压互感器PT1检测变流器主回路中进线断路器QF前端的电压，第二电压互感器PT2检测进线断路器QF后端的电压，控制器输入端接收第一电压互感器PT1和第二电压互感器PT2的电压信号，输出端输出PWM信号至变流器网侧功率单元G1中，用于控制变流器网侧功率单元G1的触发。

所述的一种中高压大容量变流器软启动系统的软启动方法，包括如下步骤：

第一步，完成对所述变流器预充电，并保持对变流器预充电；

第二步，完成对所述主变压器的预励磁；

第三步，断开进线接触器和旁路接触器，退出软启动回路；

第四步，退出软启动回路同时，停止变流器网侧运行，闭合进线断路器，所述中高压大容量变流器实现与中高压电源并网连接，完成软启动。

进一步地，所述的预充电的方法，具体如下：

1)闭合进线接触器，断开旁路接触器，低压电源经限流电阻连接辅助变压器原边绕组，辅助变压器对低压电源电压进行变压，整流桥将辅助变压器的副边绕组电压整流为直流电，整流桥输出端与变流器直流侧相连，实现对变流器直流侧电容器组的预充电，限流电阻限制预充电电流大小；

2)当变流器直流侧电压达到第一预设值，保持进线接触器闭合，闭合旁路接触器，限流电阻旁路退出，低压电源与辅助变压器原边绕组直接相连，辅助变压器的副边绕组电压进一步升高，辅助变压器的副边绕组电压经整流桥整流后，对变流器直流侧电容器组进一步充电，当变流器直流侧电压达到第二预设值，完成对变流器预充电，保持进线接触器和旁路接触器闭合。

进一步地，所述的对主变压器的预励磁的方法，具体如下：

进线断路器保持断开状态，控制器采集并处理进线断路器两侧电压信号，以进线断路器输入端即近中高压电源端电压信号为基准，采用矢量控制方式控制变流器网侧运行，将变流器直流侧电容器组的直流电逆变为交流电，经主变压器副边绕组在主变压器原边绕组感应出电压，实现对主变压器的逐步预励磁，直到进线断路器两侧电压幅值、频率、相位达到一致，完成对主变压器的预励磁。

进一步地，所述的对主变压器的预励磁的控制方法包括如下：

所述的控制器包括如下模块：

电压处理模块：通过电压互感器采集进线断路器两端电压信息，对获取的电压幅值、频率、相位信息进行坐标变换处理，得到矢量控制需要的信号；

主运算模块：根据电压处理模块得到的信号，进行矢量控制运算，产生调制信号，并对进线断路器两侧电压幅值、频率、相位是否达到一致进行判断；

信号调理模块：根据主运算模块的调制信号生成驱动控制信号，控制网侧变流器运行；

逻辑控制模块：对变流器预充电与预励磁等运行状态进行逻辑判断与控制；

开关控制模块：控制各断路器、接触器的闭合与断开；

对主变压器的预励磁的控制方法为：进线断路器QF保持断开状态，控制器的电压处理模块采集进线断路器两侧的电压信号一：三相交流U

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中软启动回路中的进线接触器、限流电阻、旁路接触器、辅助变压器、整流桥均采用低压器件，相比中高压侧的软启动方案采用中高压器件而言，有效减小电路体积，缩小软启动回路电路规模，降低了相应成本，提升了产品市场竞争力。

2、除了对变流器预充电外，还对主变压器进行预励磁，在避免了中高压上电对变流器功率器件和电容器等造成冲击的同时，还有效抑制了主变压器上电时的励磁涌流冲击和对中高压电源(电网或母线)的影响，实现了变流器系统的平稳软启，同时降低了中高压上电冲击对变流器系统寿命的影响。

3、相对于小容量变流器系统而言，中高压容量变流器系统上电时冲击要求更为严格，因此本发明中预励磁过程中采用了矢量控制技术，属于闭环控制，具有更高的控制精度，能够进一步减小变流器系统上电时的冲击。

4、将预充电与预励磁分时进行，完成预充电后再进行预励磁，对于中高压大容量变流器系统而言，可以有效降低软启动回路功率，如果预充电与预励磁同时进行，将需要更大功率等级的软启动回路，在预充电完成时旁路掉限流电阻，然后再对变压器预励磁，可以消除预励磁期间在限流电阻上消耗的功率，提升了系统效率。

附图说明

图1是现有技术中一种中高压大容量变流器的软启动回路示意图；

图2是现有技术中另一种中高压大容量变流器的软启动回路示意图；

图3是本发明提供的中高压大容量变流器的软启动回路示意图；

图4是本发明提供的中高压大容量变流器的预励磁过程矢量控制示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图3所示，本发明的一种中高压大容量变流器软启动回路，所述的变流器的主回路包括由输入端至输出端依次连接的中高压电源、进线断路器QF、主变压器T1、变流器网侧功率单元G1、变流器直流侧电容(包括上电容C1和下电容C2)。所述的变流器可以为两电平、三电平或其它共直流母线形式变流器，所述的变流器网侧功率单元G1则为现有技术中两电平或三电平或其它共直流母线形式变流器的功率单元。

变流器的主回路工作原理为：所述中高压电源作为主回路的供电电源，所述进线断路器QF控制主回路与中高压电源的通断，所述主变压器T1用于实现对中高压电源的变压，所述变流器网侧功率单元G1用于将主变压器副边绕组交流电整流为直流电或将变流器直流侧的直流电逆变为交流电，所述变流器直流侧电容C1和C2主要包括电容器组，实现储能和滤波。

本发明的中高压大容量变流器软启动回路包括由输入端至输出端依次连接的低压电源、进线接触器KM1、限流电阻R、辅助变压器T2、整流桥ZL1，还包括旁路接触器KM2，旁路接触器KM2并联在限流电阻R的两端；整流桥ZL1的输出端连接至变流器直流侧电容C的两端DC+和DC-。采用三相电路形式或单相电路形式，采用三相电路形式时低压电源为380V交流，采用单相电路形式时低压电源为220V交流。

所述低压电源作为软启动回路的供电电源，所述进线接触器KM1控制软启动回路与低压电源的通断，所述限流电阻R用于限制预充电电流的大小，所述旁路接触器KM2用于控制限流电阻R的投入与切出，所述辅助变压器T2用于实现对低压电源的变压，所述整流桥ZL1用于将辅助变压器T2副边绕组交流电整流为直流电实现对变流器直流侧电容组C1和C2的预充电。