中心議題：

• ASD主電路結(jié)構(gòu)
• ASD原理及控制策略
• 基于EMTDC/PSCAD仿真與實(shí)驗(yàn)

解決方案：

• 采用AC-DC-AC模式
• 基于IGBT的三相電壓源逆變
• 采用充電電阻R限制SC的充電電流

當(dāng)前電能質(zhì)量問題越來越受到人們重視,其中短時(shí)供電中斷和電壓暫降對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)(ASD-AdjustableSpeedDrive)的危害很大,持續(xù)時(shí)間20ms,深度10%的電壓暫降就可能造成ASD保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作,使得連續(xù)生產(chǎn)過程被中斷,導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。

利用儲(chǔ)能系統(tǒng)抵御電能質(zhì)量擾動(dòng)是目前最直接、最可靠的途徑,可以考慮的儲(chǔ)能設(shè)備有蓄電池、超導(dǎo)線圈、飛輪及電容器等。不過短時(shí)供電中斷及電壓暫降的持續(xù)時(shí)間很短,一般不超過幾秒數(shù)量級(jí),但是出現(xiàn)的頻度較高。而在短時(shí)大功率應(yīng)用方面超級(jí)電容的非常明顯的優(yōu)越性。

超級(jí)電容也稱為電化學(xué)電容,它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲(chǔ)能性能,單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級(jí),是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件。超級(jí)電容最大充放電性能由活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制,因此可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移,得到很高的放電比功率；同時(shí),由于電極上沒有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應(yīng)變化,因此它具有很好的循環(huán)壽命。因而受到日本、美國、歐盟、俄羅斯等國家的高度重視。

目前,超級(jí)電容與各類動(dòng)力電池配合使用組成的復(fù)合電池在電動(dòng)汽車的領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段[1],日本在電氣機(jī)車驅(qū)動(dòng)電源、短時(shí)UPS等應(yīng)用方向進(jìn)行了研究,分別開發(fā)出了80kVA和50kVA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

目前國外對(duì)ASDride-through的研究開展得很熱烈,一些文獻(xiàn)介紹了采用不同DC/DC變換拓?fù)涮崛?chǔ)能元件能量的中、小功率(3～5kW)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研究情況,但很難實(shí)現(xiàn)較大容量。隨著超級(jí)電容設(shè)計(jì)技術(shù)不斷提高及單位容量價(jià)格的下降,利用超級(jí)電容直接支撐直流母線電壓構(gòu)成超大容量ASD裝置已經(jīng)成為可能。

在能源結(jié)構(gòu)必須調(diào)整的背景下,我國的ASD市場(chǎng)極大,特別是高壓大容量的變頻調(diào)速裝置,而ASD抵御電能質(zhì)量擾動(dòng)領(lǐng)域的研究尚未引起國內(nèi)研究、生產(chǎn)部門足夠的重視,在該領(lǐng)域開展研究有重要的理論及應(yīng)用意義。

本文提出了一種非常實(shí)用、易于大容量化的基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的ASD結(jié)構(gòu),通過仿真及實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略消除電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)ASD影響的正確性及有效性。

主電路結(jié)構(gòu)

ASD主電路采用如圖1所示的AC-DC-AC模式,儲(chǔ)能元件直接連接到DC母線上。在系統(tǒng)電壓質(zhì)量低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)從儲(chǔ)能單元汲取電能,再由逆變單元供給電機(jī)負(fù)荷,以實(shí)現(xiàn)ASD逆變部分對(duì)電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量問題的完全免疫以及對(duì)系統(tǒng)故障的零延時(shí)響應(yīng)。
      
                                           圖1.配置超級(jí)電容的ASD主電路結(jié)構(gòu)圖

圖中,SC為超級(jí)電容(SuperCapacitor),R為SC充電電阻,D為SC放電二極管,Cd為直流平波電容器,Sa～Sc為IGBT器件,L0及C0為輸出濾波器的電感和電容。交流輸入側(cè)采用Y/Y/D接線的三繞組輸入變壓器及兩組三相不控整流電路構(gòu)成12脈波整流系統(tǒng),注入系統(tǒng)的諧波電流次數(shù)為12k±1,數(shù)值高,因此在無特殊要求場(chǎng)合,不用考慮設(shè)置濾波電路。

另外,兩個(gè)整流器串聯(lián)后輸出到直流母線,可以提高直流母線電壓,使得逆變器可以在較大的電壓范圍內(nèi)工作。整流器中點(diǎn)連接到平波電容、超級(jí)電容及輸出濾波器電路的中點(diǎn),利用整流電路鉗位平波電容，電壓可以方便的實(shí)現(xiàn)上、下電容均壓目的。

由于超級(jí)電容容量較大,一般為直流平波電容的幾百倍以上(根據(jù)儲(chǔ)能要求配置),因此若不采取措施,上電時(shí)會(huì)導(dǎo)致極大涌流,對(duì)輸入變壓器和整流電路安全運(yùn)行造成威脅。

圖1中采用充電電阻R限制SC的充電電流,而平波電容Cd的上電充電電流由輸入變壓器的漏抗限制。綜合考慮短時(shí)供電中斷及電壓暫降發(fā)生的頻度、充電電阻容量等因素,SC充電回路時(shí)間常數(shù)一般取十幾分鐘數(shù)量級(jí)。充電的SC相當(dāng)于在直流母線上增加一個(gè)負(fù)載,而充滿電的SC使得直流母線電壓非常平穩(wěn),設(shè)計(jì)上可以大大減小平波電容Cd的容量。

原理及控制策略

圖1所示的ASD是基于IGBT的三相電壓源逆變器,超級(jí)電容通過放電二極管連接到直流母線上。開關(guān)器件Sa～Sc構(gòu)成ASD逆變器,由于設(shè)置了儲(chǔ)能系統(tǒng),可以在系統(tǒng)發(fā)生供電中斷及電壓暫降時(shí),短時(shí)間內(nèi)向負(fù)荷提供有功功率。

由于不需要檢測(cè)、計(jì)算電能質(zhì)量擾動(dòng)、電網(wǎng)電壓同步等信號(hào),因此控制策略上比較簡單,即只需采樣直流母線電壓,判斷其是否處于逆變器正常運(yùn)行允許范圍內(nèi),確定能否向負(fù)載提供電源。由DSP控制器自行產(chǎn)生電壓指令,底層采用SPWM控制對(duì)逆變器開關(guān)器件控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。
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儲(chǔ)能配置

超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量表示為：
（1）
式中,C為超級(jí)電容的電容值,Vsc為超級(jí)電容端電壓。其對(duì)負(fù)荷提供恒定有功功率的持續(xù)時(shí)間表示為：
（2）
式中,PL為超級(jí)電容輸出的恒定有功功率,V1為超級(jí)電容初始端電壓,V2為維持正常工作的最低端電壓。由式(2)可知,當(dāng)超級(jí)電容釋放儲(chǔ)能的50％時(shí),其端電壓下降到初始電壓的70％。因此根據(jù)特定負(fù)荷(PL)、斷電后需要ASD維持供電時(shí)間(t)、故障初始時(shí)刻直流母線電壓(V1)、逆變器正常工作需要的最小直流母線電壓(V2)可以唯一確定超級(jí)電容的的容量值C。

仿真與實(shí)驗(yàn)

我們研制了15kVA如圖1所示的配置了超級(jí)電容儲(chǔ)能的ASD裝置,并進(jìn)行了大量數(shù)字仿真及物理實(shí)驗(yàn)。仿真基于EMTDC/PSCAD。為了清楚地觀察效果,超級(jí)電容容量取得較小,為5000mF。圖2、圖3分別為系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷ASD運(yùn)行的仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

                 
                                   圖2.系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷時(shí),ASD運(yùn)行的仿真結(jié)果
                         上：系統(tǒng)A相電壓(kV)；中：負(fù)荷A相電壓(kV)；下：直流母線電壓(kV)
                 
                                           圖3.系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷時(shí),ASD運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
                                                 上：負(fù)荷A相電壓；下：系統(tǒng)A相電壓

可見在系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)斷電情況下,ASD仍然能夠通過利用超級(jí)電容的儲(chǔ)能維持逆變器的正常工作,消除了短時(shí)供電中斷對(duì)逆變器的影響,極大提高了供電可靠性。當(dāng)然,對(duì)電壓暫降等其他電能質(zhì)量問題效果是一樣的。圖4為系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)ASD運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)波形。

               
                                               圖4.系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí),ASD運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
                                                   上：負(fù)荷A相電壓；下：系統(tǒng)A相電壓

本文提出了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的ASD裝置抵御電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)的實(shí)用方案。ASD采用AC-DC-AC模式,輸入側(cè)采用12脈動(dòng)不控整流結(jié)構(gòu),一方面減小輸入諧波電流,同時(shí)可以方便地提高直流母線電壓,另一方面,多相整流的雙整流器中點(diǎn)直接將上下直流電容電壓鉗位在整流輸出電壓,大大簡化了中點(diǎn)電位的控制。

超級(jí)電容模塊接在直流母線上,在系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷或電壓暫降時(shí),由超級(jí)電容儲(chǔ)能供給負(fù)載有功支持。數(shù)字仿真及物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略消除電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)ASD影響的正確性及有效性。