能量回馈变频器论文

能量回馈变频器论文（精选9篇）

能量回馈变频器论文 第1篇

关键词：变频器,能量回馈,交流异步电机

0 引言

随着能源短缺现象日益突出, 为了实现工业科学可持续发展, 国家发改委已将电机系统节能列为重点关注的节能工程之一。根据有关数据介绍, 中国年消耗电力18 500 k Wh, 其中有60%~70% (大约12 000亿k Wh) 属于动力电。而中国各类电动机的总容量是5.8亿k W, 其中87%左右是交流异步电机[1]。目前, 在交流异步电机的各种调速方式中, 变频调速因其效率高、精度高、调速范围大、能耗小的特点而被广泛应用, 据有关资料表明, 国内变频器市场销售额已从1993年不足4亿元跃升至2010年的200亿元[2], 说明国内变频器应用已经相当广泛。尽管变频调速较其他调速方式节能效果明显, 但是对于油田抽油机、矿山提升机、车间行车、起重机等的位能型负载;风机、离心机、动平衡机等的大转动惯量型负载以及轧钢机、大型龙门刨床、机床主轴等的快速制动类负载[3], 调速系统中的电机在制动过程中都不可避免地存在再生发电过程。对于能耗制动、反接制动和回馈制动这三种比较常用的电气制动方式[4], 现阶段变频调速系统常用能耗制动来消耗这部分再生能量, 导致了变频调速系统的效率下降、能量浪费。本文就目前如何回收利用这部分电机制动过程中电能的能量回馈技术现状作一个说明和比较。

1 通用变频器泵升电压及能耗制动

从结构上看, 变频器分为交交和交直交两种形式。目前应用较多的是电压型交直交变频器。在应用这类变频器的变频调速电气传动系统中, 对于位能型负载、大转动惯量负载和快速制动类负载, 电机难免在制动过程中处于再生发电状态, 此时系统的机械能经电机转化为电能, 6个续流二极管利用主管断开时电机漏感产生的泵升作用将电机的再生电能回馈到直流回路中。图1所示为二极管续流时泵升作用等效电路图。

假定电容上的电压为UC, 绕组的反电动势为E。电动状态时, 此回路电压为UC-E, 电容电压为UC、电感电动势E同时吸收电感放出的电能;而发电状态下, 此回路电压为UC+E, 电容电压UC吸收全部能量, 包括电机制动时产生的电能[5]。而在电网交流侧的整流模块通常使用的是不可控二极管, 能量不能及时回馈至电网, 进而会导致直流侧电容电压升高, 影响变频器的正常工作。

为了消耗电机再生发电的能量, 确保变频器正常工作, 目前大多变频调速电气传动系统使用能耗制动的方式来处理这部分能量, 在变频器的直流侧并联制动单元或者制动电阻, 将再生能量通过电阻发热变成热能消耗掉, 能耗制动线路如图2所示。

制动单元和制动电阻的工作原理是通过检测变频器的直流侧电压来实现, 当直流侧电压超过某一个设定数值时, 打开制动单元的开关将大功率制动电阻连接到直流侧, 释放储存在变频器内滤波电容上的电能, 此时电阻将电能变成热能[3]。

这种制动方式的优点是成本低、接线简单;缺点是: (1) 浪费能量, 降低了系统的效率; (2) 电阻发热严重, 影响系统的其他部分正常工作; (3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压, 制动响应慢, 制动转矩不足。

2 变频器能量回馈

为了克服能耗制动的缺点, 回收能耗制动浪费的能量, 变频器能量回馈技术应运而生。能量回馈技术是指变频调速系统将电机处于再生发电状态时产生的再生电能传输到电网上, 供附近其他用电设备使用, 达到有效节约电力资源的目的。

2.1 通用变频器能量回馈PWM技术

目前, 国内市场上使用较多的是通用变频器, 为了达到回馈制动的目的, 回收利用电机再生发电时的电能同时又尽量减少改造的成本, 通常做法是使用能量回馈单元取代原先并联在直流侧电容两端的制动单元和制动电阻。能量回馈单元的本质是有源逆变, 而根据采用的功率开关器件不同又分为晶闸管 (SCR) 有源逆变器和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 有源逆变器两种[6]。其工作原理如图3所示, 而通用变频器和能量回馈单元组成的通用变频器能量回馈PWM控制系统如图4所示。

能量回馈单元首先通过变频器内置的直流电压观测和电流运算电路实时检测变频器直流环节电压, 判断电机是否进入发电状态, 当电机进入发电状态导致变频器直流环节电压升高到一定值时, 再通过交流电压观测和同步发生电路控制由晶闸管或者IGBT组成的有源逆变模块把变频器直流环节的电能变换成一个和电网电源相接近的交流正弦波, 把电能反馈回电网再生利用。

通用变频器能量回馈PWM技术解决了能耗制动能量浪费、制动效率低等的一系列问题, 同时电路结构简单。王恩友[7]于2006年、王明泉[8]于2010年分别在矿山提升机的变频调速系统中应用了该技术, 节能效果明显, 综合节电率达到了20.5%;林敏、刘雪雁[9]等于2007年在抽油机变频调速系统中使用了该技术, 有功功率节电率达到了29.9%, 无功功率节电效果更达到了94.6%, 视在功率节电效率达到了73.2%。此外, 国内外的一些变频器厂商也在他们产品上应用这项技术, 如上海辛格林纳的i AStar-RG系列回馈制动单元、深圳加能的IPC-PF系列回馈制动单元、日本安川的RC5系列和D1000系列回馈制动单元、日本三菱的FR-CV系列回馈制动单元等, 它们均可用于电网的功率补偿, 网侧功率因数大于0.95。

同时, 通用变频器能量回馈PWM技术存在以下缺点: (1) 通用变频器本身不能实现能量的双向传递, 电机不能作四象限运行, 电机再生发电的电能传输到直流侧必定会产生泵升电压, 过高的泵升电压有可能损坏耐压较低的全控型器件、电解电容, 甚至会破坏电机的绝缘; (2) 电网电压的波动会导致中间直流环节电压不稳定, 影响能量回馈单元的正常工作。 (3) 回馈电流对电网有谐波污染。

2007年, Edward R[10]等就如何解决电网电压不稳定对能量回馈单元工作造成影响的问题作了研究, 2009年, 王福家、王旭东[11]等针对如何解决传统能量回馈制动系统回馈电流对电网的谐波污染作了进一步研究, 他们采用电流跟踪技术和正弦波细分技术得到了谐波成分低的回馈电流, 同时保证了回馈电流良好的正弦性, 有效解决了传统能量回馈系统回馈电流对电网的谐波污染。

2.2 公共直流母线技术

公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中, 采用单独的整流滤波装置为系统提供一定功率的直流电压, 调速用逆变器直接连接在公共直流母线上的技术。其系统结构框图如图5所示。

公共直流母线技术的工作原理是:当系统工作在电动状态时, 逆变器从公共母线上获取电能;当系统中一台或多台电机工作在发电状态时, 再生能量通过公共母线互馈共享, 以达到回馈再生能量的目的[12,13]。

公共直流母线技术存在以下几个优点: (1) 共用直流母线和整流单元, 可以大大减少整流器的重复配置, 并且可以大大减少变压器容量, 结构简单合理, 经济可靠。 (2) 公共直流母线的中间直流电压恒定, 电容并联储能容量大。 (3) 各电机工作在不同状态下, 能量回馈互补, 优化了系统的动态特性。 (4) 提高了系统的功率因数, 降低电网谐波电流, 提高系统的效率。2005年, Suzanne G[14]将公共直流母线技术应用于离心机变频群控系统中, 节能效果明显, 同时降低了系统过载的可能性, 提高了系统稳定性。2009年, 于祥春[12]在抽油机变频群控系统中应用公共直流母线技术, 节能效果明显, 平均有功节电率达到28.7%, 无功节电率更达到了81.8%。2010年, 夏乃学、白献刚[15]在他们发表的论文中指出公共直流母线变频器驱动的应用, 较好地解决电能消耗与电能回馈时间段不同步的问题, 降低电网干扰、提高了设备利用率。此外, 这项技术也被广泛应用在国外的一些知名变频器厂商的产品上, 如德国ABB的ACS800多传动系列变频器、德国SIMENS的SINAMICS S系列多机驱动变频器、美国艾默生CT系列变频器等[16]。

同时, 公共直流母线技术存在一些缺点:

(1) 公共直流母线技术仅仅适用于多电动机传动系统; (2) 系统中处于发电状态的电机容量要远小于工作在电动状态的电机容量, 否则系统不能正常工作。这些问题的存在限制了公共直流母线技术的应用。

2.3 超级电容储能技术

超级电容储能技术是在传统变频器的直流母线上并联容量大、寿命长、效率高的超级电容器储能装置。其系统结构如图6所示。

超级电容储能技术的工作原理是:将电机工作在发电状态下放出的再生能量存储起来, 当电机工作在电动状态时, 又将存储的能量释放出来供电机使用, 以达到回馈再生能量的目的。由于超级电容器的容量很大, 变频器直流环节电压不容易升高, 没有必要使用能量消耗的措施[17]。

超级电容储能技术的优点在于: (1) 再生能量回馈效率高, 转换效率基本可达99%以上; (2) 回馈电能不会对电网造成污染。各国学者在电梯节能系统、电动车回馈制动方面对超级电容储能技术做了大量研究工作[18,19,20]。

超级电容储能技术的缺陷在于目前超级电容器的容值一般在法拉级, 由于制造工艺和材料的限制, 超级电容器的体积非常庞大, 价格也相对昂贵, 技术相对不成熟。

2.4 双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术

双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的出现满足了高速度大功率负载的需要, 系统的制动力矩大, 动态响应快速, 实现了电机的四象限运行, 消除了电网的谐波污染, 提高了功率因数, 克服了之前几种能量回馈技术的所有缺点。所谓双脉宽调制PWM变频器是采用PWM整流器和PWM逆变器的双PWM结构的变频器, 其打破了过去变频器的统一结构, 把不可控二极管整流改成了PWM整流。PWM整流器相对于不可控二极管整流对电网几乎不产生谐波污染, 是一种真正意义上的绿色环保电力电子装置。各国学者对其模型和控制算法进行了大量研究[21,22,23,24]。双脉宽调制PWM变频器能实现电机的四象限运行, 同时回馈电流能模拟市电的三相输出, 在变频器领域被广泛地采用, 其系统结构如图7所示。双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的工作原理是:当电动机处于电动状态时, 能量由交流电网经整流器向中间滤波电容充电, 逆变器在PWM控制下将能量传送到电动机:当电动机处于再生发电状态, 其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电, 使中间直流电压升高, 此时整流器中开关元件在PWM控制下将能量回馈到交流电网, 完成能量的双向流动[25]。同时因PWM整流器闭环控制的作用, 使变频器直流母线电容端的直流电能转变为与交流电网同频率、同相位、同幅值的三相对称正弦波电能回馈给电网, 最大限度抑制了能量回馈对电网的谐波污染, 保证了回馈电能的功率因数等于1。

2007年, 尹忠刚、钟彦儒[26]等就将PWM整流器用作变频器前级整定电路, 进行了变频器能量双向流动实验, 实现了变频器能量回馈同时有效抑制注入电网的谐波。同年, Dixon[27]等在发表的论文中指出双PWM结构的变频器在驱动大功率电机同时还能保持高功率因数, 负载侧的波形失真极小。之后Wen[28]等在中压电机驱动系统中也验证了双PWM结构的变频器能确保高功率因数。2008年, 郭国柱、崔会朋[29]利用双脉宽调制PWM技术成功研制了新型矿用变频器, 实现电机精密稳定快速制动同时又节能。2009年, 李小军、李志垒[30]等将采用双脉宽调制PWM技术的变频器与传统变频器进行了比较, 前者输入的波形远胜于后者, 但由于高昂的产品费用, 并没有在采油平台上推广使用。2011年, 袁超、欧阳红林[31]利用双脉宽调制PWM技术成功研制了绿色级联型高压变频器, 实现了电能回馈电网, 解决了电网的污染问题。2012年, 陈洋、桂柯[32]在汽车冲压生产线上应用双脉宽调制PWM变频器, 实现了能量的有效管理, 节能效果明显。同时, 各大国外变频器厂商纷纷采用双脉宽调制PWM能量回馈技术, 如德国ABB的ACS800单传动系列变频器、德国SIEMENS的SINAMICS S150、SINAMICS SM150变频器、日本安川的G7系列变频器、德国施耐德的Altivar AFE变频器整流/回馈单元以及韩国SEOHO的SOHO-VDC系列变频器整流/回馈单元等, 它们都能够实现电网电能和电机再生能量的双向流动, 高效率反馈再生能量。

而双脉宽调制PWM变频器能量回馈技术的缺点在于设备成本较高、控制复杂。

3 结语

能量回馈变频器论文 第2篇

随着电力传动及控制技术的发展，变频调速越来越广泛地应用于工农业各领域，很好地解决了交流电动机的调速问题。而通用变频器常采用交直流电压型逆变器拓朴结构，只能运行在一、三象限。为获得电动机的制动要求，常采用电阻吸收直流侧的泵升能量，由于制动电阻放电时受电阻设计温升的限制，只能规定在较短时间的制动；另一方面这种依靠电阻放电的制动模式无法实现快速的动态响应；而对大功率变频器，电阻制动更为困难。为此我们设计了一种采用PWMAC／DC变换器控制的变频器能量回馈制动单元，与电阻放电制动相比，不仅获得了快速的动态响应，而且把制动电能回馈至电网，且能长期运行，使变频器真正实现了回象限运行。另外能量回馈制动单元工作时其网侧电流为正弦波并为单位功率因数，克服了可控硅有源逆变单元运行时对电网的谐波污染。控制系统的构成及原理

如图2—1，控制系统主电路采用单相PWMAC／DC变换器拓朴结构，L为交流进线电感以实现网侧电流PWM控制，T1～T4采用IPM模块，从而提高了功率开关工作的可靠性并简化了硬件设计。

回馈单元的直流侧并接于变频器的直流母线PN端，交流侧并接于电网。

系统采用80C196MC16位单片微处理器控制，即完成2-1虚框中的运算与PWM波形生成任务。控制系统要用电压外环和电流内环的双环结构。电压外环检测变频器直流侧电压，一旦变频器快速降频制动时，逆变器泵升电压上升至回馈电压V＊时，电压环立即动态调节，使实际电压稳定在V＊附

近。为避免整流电路与回馈单元同时工作，V＊电压值一般选择为0．85 Vdm（Vdm为变频器过压保护值），并加入一定滞环以防振荡。而电流环则按电压调节要求迅速调节网侧电流使网侧电流为正弦波且与电网电压反相（功率因数为－1），使直流电能快速回馈至电网，其网侧电流、电压矢量如图2—2所示。

在调节器设计上，外环电压调节器采用积分分离PID算法使电压控制具有动态响应快、超调小等优点，而电流环的电流控制则采用基于电压前馈的电流无差拍控制，使网侧电流具有快速跟随性能。3 电流控制算法

如图2—1，设Ve为纯正弦波，Ve＝Vemsinωt；Vn为变流器交流端电压的基波分量，则

式中R为输入回路等效电阻。考虑tn→tn＋T一个稳态开关周期（T为开关周期），如果开关频率足够高，在一个稳态开关周期中Ve可由对应的瞬时值Ve（tn）代替。对式（3—1）在tn→tn＋T时段上离散化得：

式（3—5）表明：若按式（3—5）运算并控制变流器交流端输出电压Vn（tn）就可以实现电流无差拍

控制，使系统具有较好的跟踪性。而式（3—5）右边如果忽略R则体现了电流控制系统具有电流反馈［i＊（tn）－i（tn）］加电压前馈Ve（tn）的控制特性。

如果PWM调制采用三角波调制方案，并设三角波峰—峰值为2 h，调制波函数为y（t），显然： 回馈单元容量参数设计

回馈单元容量参数主要包括回馈单元功率模块电流参数和电压参数。

由于回馈单元直流侧与变频器直流侧并接，故功率模块电压参数应与变频器功率模块电压参数一致，如220V系列选择600V耐压模块，380V系列选择1 200V耐压模块。

下面讨论回馈单元功率模块电流参数的选择。

这一参数主要通过最快启动、制动能量传递的对比研究而定量获得。

对于启动过程，设变频器驱动电动机由零速快速升速至所允许的最高转速，其对应的角速度为ωm，若变频器采用最大电流（IBm）限流启动模式，并设最短加速时间为T1，若变频器采用线性V／f模式，则加速过程变频器输出电压、电流曲线近似如图4—1所示。

这里假设电机线性加速，变频器线性升压，此时变频器输出电能以驱动电机旋转，由能量平衡关系 易得：

能量回馈变频器论文 第3篇

1 能量回馈技术基本原理

能量回馈技术能将运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈装置转化成电能（再生电能）并回送给交流电网，同时供附近其他用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间内消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。能量回馈装置分为半控整流能量回馈装置和全控整流能量回馈装置。

1.1 半控整流能量回馈装置工作原理

如图1所示：在变频器控制电机起升过程中，仍采用不控整流器给变频器提供直流电源；在变频器制动过程中，直流母线电压升高，能量回馈装置工作，将由动能转化成的电能回馈到电网。半控整流能量回馈装置只在变频器制动时工作，相当于仅替换了制动电阻。

1.2 全控整流能量回馈装置工作原理

如图2所示：能量回馈装置投入运行，接触器K1断开，K2闭合；当变频器控制电机起升时，采用能量回馈装置给变频器提供直流电源；当变频器制动时，能量回馈装置将由动能转化成的电能回馈到电网。在全控整流方式下，能量回馈装置完全替代了二极管不控整流器和制动电阻。

1.3 半控与全控整流能量回馈方式的区别

（1）功率因数不同。在半控整流能量回馈方式下，当变频器控制电机处于电动工况时，仍采用变频器不控整流器给变频器提供直流电源，功率因数不可控，且其整体功率因数较低；相比之下，全控整流能量回馈方式实现能量的双向回馈，大大提高功率因数。

（2）调整电压、电流的谐波不同。在半控整流能量回馈方式下，由于变频器控制电机处于电动工况时仍由变频器不控整流器给变频器逆变器供电，其网侧输入电流波形正弦性较差，电压、电流畸变率未得到改善；相比之下，全控整流能量回馈装置配备高性能滤波器，其与变频器配合实现能量的双向流动，电机四象限运行，消除网侧谐波污染，电网侧的电流接近于正弦波，使电能质量获得改善。

（3）结构和价格不同。半控整流能量回馈装置的整体结构紧凑，造价低；全控整流能量回馈装置的整体结构体积大，造价高。

2 轮胎吊能量回馈技术改造

2.1 实施改造项目

由于半控整流能量回馈方式具有反馈能量小、电网谐波大、功率因数提高不明显等缺点，港吉公司轮胎吊能量回馈技术改造采用全控整流能量回馈方式。分3个阶段进行轮胎吊能量回馈技术改造项目，在每个阶段开始之前都对项目进行可行性分析，并分析项目投资成本、企业效益目标、社会效益目标等。第一阶段项目实施之前，参考上海港、宁波港兄弟公司轮胎吊能量回馈技术改造测试数据和节能效益分析，结合公司轮胎吊的实际情况，尝试对10台轮胎吊进行能量回馈技术改造。

2013年3―10月，通过项目招投标，上海海得控制系统股份有限公司（以下简称海得公司）承接5台轮胎吊能量回馈技术改造，选择采用HDM能量回馈装置；宁波北仑旻龙节能改造工程有限公司（以下简称旻龙公司）承接5台轮胎吊能量回馈技术改造，选择采用汇川MD601D能量回馈装置，改造费用约为15万元。

2014年3―11月，第一阶段项目的测试数据、性能分析、效益指标为开展第二阶段项目提供可行性分析数据和招投标评分依据。第二阶段项目包括20台轮胎吊能量回馈技术改造项目，其中，15台选用HDM能量回馈技术，5台选用MD601D能量回馈技术，单台改造费用约为13.5万元。

2015年2―11月，根据前期能量回馈技术改造实践应用数据分析，通过公开招投标，对30台轮胎吊进行能量回馈技术改造，选择HDM能量回馈技术；项目由上海海得控制系统股份有限公司承接，单台改造费用为12.5万元。

目前，港吉公司有72台轮胎吊设备，其中：10台轮胎吊采用MD601D能量回馈技术；62台轮胎吊采用HDM能量回馈技术，其中12台设备在出厂时就要求具有HDM能量回馈功能。

2.2 改造测试数据分析

第一阶段10台轮胎吊能量回馈技术改造完成后，对采用不同能量回馈装置轮胎吊的回馈性能进行测试和数据分析。

2.2.1 旻龙公司改造情况

旻龙公司完成5台轮胎吊（19号、35号、50号、52号和55号轮胎吊）的能量回馈技术改造，实现MD601D能量回馈柜与用户原先的整流能耗系统的正常切换，且MD601D能量回馈柜与用户可编程逻辑控制系统协调运行良好。2014年1月，将功率分析仪及钳形电流表用作测试电表，对采用MD601D能量回馈装置的轮胎吊进行测试。

2.2.1.1 测试流程及说明

测试流程如下：轮胎吊起升机构空载下降到地面，重载上升到最大高度；小车平移机构重载从海侧移到陆侧；吊具重载下降到地面，空载上升到最大高度；大车沿轨道运行一段距离后回到原位，起升机构空载下降到地面，重载上升到最大高度；小车平移机构重载从陆侧移到海侧，起升机构空载上升到最大高度。在整个过程中，轮胎吊起升机构重载上升2次并下降2次，空载上升2次并下降2次。当不使用能量回馈装置时，起升机构下降产生的电能由制动电阻发热消耗掉了；使用能量回馈装置后，起升机构下降产生的电能由能量回馈系统反馈到电网。

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2.2.1.2 测试数据

对55号龙门吊使用能量回馈装置前后的电压、电流、电压谐波、电流谐波、功率因数、节能情况等进行测试，数据见表1～4。

使用能量回馈装置时轮胎吊起升机构重载上升时的功率分析仪显示数据如图3所示，从中可以了解当前的电压、电流、功率因数及高次谐波的具体含量。

使用能量回馈装置时轮胎吊起升机构重载上升时的电压、电流波形如图4所示，其中，黄色为电压，蓝色为电流；从中可以看出电压和电流均为比较完美的正弦波，说明此时的谐波含量较小，电网质量较好。

不使用能量回馈装置时轮胎吊起升机构重载上升时的功率分析仪显示数据如图5所示，从中可以了解当前的电压、电流、功率因数及高次谐波的具体含量，此时的电压谐波含量和电流谐波含量均较大。

不使用能量回馈装置时轮胎吊起升机构重载上升时的电压、电流波形如图6所示，其中，黄色为电压，蓝色为电流；从中可以看出电流波形较差，说明谐波含量较大。

2.2.1.3 测试数据说明

（1）谐波 从表1～2可见，MD601D能量回馈装置对电压谐波及电流谐波均有明显抑制作用：电压谐波能限制在4%以内；起升机构重载运行时电流谐波限制在4%以内，空载运行时电流谐波限制在6%以内。电流谐波是以有效值来衡量的，不同的电网容量对电流谐波有效值的要求是不一样的。轮胎吊

空载小车运行时的谐波含量为5%，由于此时电流较小，所以电流谐波的有效值也较小。在不使用能量回馈装置的条件下，轮胎吊起升机构重载运行时的电压谐波含量在7.59%左右，超过国家标准5%的要求，电流谐波含量在30%左右。可见，MD601D能量回馈系统回馈的电能达到国家标准，同时还能降低原有系统的谐波含量。

（2）回馈节能效率 从表3～4可见，在使用能量回馈装置的条件下轮胎吊空载工况平均节电效率达10%，重载工况平均节电效率达31%，平均单个工作循环节电量为2 kW h左右，表明运用能量回馈技术的节能效果非常明显。

（3）电网功率因数 从表1～2可见：在轮胎吊起升机构空载的情况下，不使用能量回馈装置时的电网系统功率因数为0.75～0.90，使用能量回馈装置时的功率因数可达0.92～0.98；在轮胎吊起升机构重载的情况下，不使用能量回馈装置时的电网系统功率因数为0.850～0.910，使用能量回馈装置时的功率因数为0.950～0.988，有效提高电能利用率。

2.2.2 海得公司改造情况

海得公司完成5台轮胎吊（4号、5号、16号、43号和59号轮胎吊）的能量回馈技术改造，实现HDM能量回馈柜与用户原先整流能耗系统的正常切换，HDM能量回馈柜与用户可编程逻辑控制系统协调运行良好。2014年1月，选用电能质量分析仪、电流探头为测试电表，对采用HDM 能量回馈装置的轮胎吊进行测试。

2.2.2.1 测试流程及说明

测试流程如下：轮胎吊吊具空载下降到地面，吊重箱起升到最高处，然后将重箱放下落地；在使用能量回馈装置和不使用能量回馈装置工况下分别对同一个集装箱重复起吊3次，通过电能质量分析仪记录轮胎吊总进线处的用电情况和回馈电量。

2.2.2.2 测试数据

对使用能量回馈装置和不使用能量回馈装置的43号轮胎吊的电压、电流、电压谐波、电流谐波、功率因数、节能情况进行测试，数据见表5～6。

2.2.2.3 测试数据说明

（1）谐波 从表5可见：当轮胎吊起升机构重载上升时，在不使用能量回馈装置的条件下，其电压谐波和电流谐波含量分别为9.1%和26.4%，在使用能量回馈装置的条件下，其电压谐波和电流谐波含量相应减至2.1%和2.6%；当轮胎吊起升机构重载下降时，在使用能量回馈装置的条件下，其电压谐波和电流谐波含量明显减少。这表明，能量回馈装置有助于提高发电、输电及用电设备效率，缓解电机、电抗器、电缆等设备发热、绝缘老化现象，延长设备使用寿命，同时对改善通信、继电保护自动装置的干扰和误动作等具有一定作用。

（2）回馈节能效率 从表6可见，使用能量回馈装置后，系统可反馈电能34.50%左右。

（3）电网功率因数 在不使用能量回馈装置时，轮胎吊起升机构重载上升过程中的电网系统功率因数为0.941（空载功率因数更低），而使用能量回馈装置后的功率因数达0.998，大大减少线路中的能量损耗，有利于节约电费，降低生产成本。

2.3 改造应用效果

将实施HDM能量回馈装置和MD601D能量回馈装置改造后的10台轮胎吊投入试运行，应用测试数据见表7。可见，使用能量回馈装置后，轮胎吊的节电效率达30%左右，单箱电耗为 h/TEU左右，大大降低轮胎吊装卸能源成本。综合来看，MD601D能量回馈技术与HDM能量回馈技术在性能指标方面各有优势，不过HDM能量回馈装置的改造成本相对较低。

3 轮胎吊能量回馈技术改造经济效益

轮胎吊实施能量回馈技术改造后，电能的回馈性提高了电网系统的功率因数，改善了电网的稳定性。按改造后轮胎吊节能30%，电轮胎吊利用率85%，年作业箱量12万TEU测算，单台轮胎吊全年可节省电费元，节约标准煤约13 t；按单台能量回馈装置的购置和安装费为13.5万元计算，投资回收期约为2.5年。

2011―2015年港吉公司轮胎吊能源消耗数据见表8。从“油改电”到能量回馈技术改造，轮胎吊设备单耗越来越小，单箱节约成本效果显著。由于轮胎吊具有转场作业、空载时间多、油车方便作业等特点，电车作业比例不高，致使能量回馈技术的应用受限，从而使轮胎吊全年单耗与测试阶段单耗存在较大差距。未来，有必要进一步提高电车作业比例，减少空载时间，使能量回馈技术效能最大化，提高设备功率因数，改善电网质量，节约能耗。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-04-10）

能量回馈变频器论文 第4篇

目前, 游梁式抽油机是应用最普遍的石油开采机械。机械采油用电也占了油田生产用电的很大一部分。据统计, 长庆油田采油三厂机械采油用电量占全厂用电量的52%, 且总体效率很低, 具体存在如下问题。

(1) “大马拉小车”, 电机功率容量大。

根据游梁式抽油机负载特性, 为确保抽油机驴头安装及防止抽油杆卡堵, 电机选配时起动力矩和堵转力矩要求至少是抽油机实际负载的3～4倍, 甚至更大。一般来讲, 抽油机配置的普通鼠笼式交流电机的过载力矩仅为正常值的1.5倍, 所配电机功率必须远远大于抽油机实际运行时的负载功率。

(2) 抽油机电机均在额定转速运行, 机械调参工作量大。

一般抽油机控制均未设计电气调速功能, 电机均按额定速度运行, 抽油机调参一般采用更换皮带轮、加大减速比或更换极数更高的电机等方法, 需要额外增加配件和设备投资, 工人劳动强度也相应增加, 而且机械调参范围小, 不能完全适应油井工况要求。

(3) 电网冲击、电压波动大, 污染重、电机易烧毁。

抽油机全压起动时电机电流达到其额定电流的6～8倍, 对电网冲击大, 电网电压骤降。抽油机下行时, 因抽油杆重力影响迫使电机工作在发电状态, 所发电能直接回送电网, 又造成电网电压升高。因此, 电网电压波动频繁, 电机烧毁事故较多, 维修费用高。同时所发电能谐波大, 污染电网。

(4) 功率因数低, 线路和电机无功损耗大。

电机“大马拉小车”, 负载变化大造成功率因数低 (0.01～0.5, 平均0.3) , 视在电流大, 配电变压器效率降低, 配电线路损耗增大, 对电力系统经济运行不利。

2 解决策略

“一拖多”转子变频能量回馈调速技术是以传统串级调速控制理论为基础, 结合现代电力电子技术, 专门实现绕线式电机交流无级调速的最新技术, 解决了功率因数低和谐波分量大两大技术瓶颈, 同时无论电机多少, 均只需1套逆变单元实现“一拖多”能量回馈功能, 便可控制每台电机转速。

2.1 调速系统工作原理 (见图1)

由图可以看出调速主要包括转子整流斩波调速和可控硅有源逆变回馈三部分, 整流器将三相转子输出频率变化的交流电变换成直流, 斩波器控制电机转速, 逆变器则将转差能量和再生能量 (直流) 逆变成和电网同频同相的50Hz交流电。

相比变频器技术来讲, “一拖多”转子变频能量回馈调速系统具有节电率高、结构简单、价格低等突出优点, 更易为用户接受, 将对我国节能减排和资源节约发挥重大作用, 也将彻底改变我国长期以来电机节能和生产工艺升级依赖进口变频器的被动局面。

2.2 绕线式电机的特点

绕线式电机是另一种工业生产中最主要的动力设备, 能在较小的起动电流下, 提供较大的起动转矩, 电动机具有效率高、过载能力强 (2.8～3倍) 、噪声低、起动转矩大等优点。在一些需要大力矩起动或低速大力矩运行的设备上选用的往往都是绕线式电动机。相比而言, 鼠笼式电机起动转矩小, 仅为额定值的1.5倍。

绕线式电动机的起动、调速一般通过对转子回路进行控制来实现, 常用的有串电阻调速、频敏电阻起动等, 但电阻调速和频敏电阻方式的起动、调速性能均不理想, 能耗大的问题始终难以回避。

转子变频能量回馈调速系统克服了电阻调速和频敏电阻起动的所有缺点, 充分发挥出绕线式电动机起动力矩大和过载能力强的优点, 无级调速性能优越, 特别是零速或低速运行时, 电机可全力矩输出, 同时系统功率因数高、谐波量小, 不需额外增加器件即可能量回馈, 性价比最高。此外“一拖多”技术还可以进一步降低了设备成本。

3 改造实例介绍

3.1 油井生产状况

旗8-31井场隶属于长庆油田公司第三采油厂新寨采油作业区, 目前该井场共有油井7口, 井组日产液17.85m 3, 日产油14.49t, 综合含水4.53%, 平均泵挂1793m, 平均冲程3.1m, 平均冲次4.0次/min, 平均液量2.55m 3, 平均油量2.4t, 平均泵效为14.5%。各油井生产状况统计如表1所示。泵效偏低, 具有一定优化空间, 通过动态调节冲次能够达到提高泵效的目的。

3.2 设备运行状况 (见表2)

目前井组使用采油长庆石油勘探局机械厂CYJW 8-3-26HF型抽油机, 抽油杆为宁夏油管杆厂生产的D级杆, 电机功率为15kW, 目前配套设备能够实现的最低冲次为3.5次/min, 需要通过变频调速来实现较低冲次运行。

3.3 油井能耗状况 (见表3)

试验前期对该井场油井系统效率进行测试, 7口井平均输入功率为3.6kW, 平均光杆功率为1.64kW, 平均有效功率为0.52kW, 平均地面效率为平均井下效率为平均系统效率为14.5%, 地面效率较低 (采油三厂平均为51%) , 其中电机负载率、功率因数比较低, 需要进行无功补偿或能量回馈。

4 改造方案设计

4.1 更换电机为绕线式电机

“一拖多”转子变频调速系统专门针对绕线式电机进行调速和控制, 抽油机原鼠笼电机必须更换为绕线式电机。电机功率及级对数一般不变, 但由于绕线式电机起动力矩大, 也可适当降低电机容量这样可减少电机功率损耗减少设备投资

4.2 控制系统更换为“一拖多”转子变频调速系统

原抽油机电机控制系统只能实现简起动和停车两种功能, 不能实现电机无级调速控制。更换为“一拖多”转子变频调速系统后, 电机能实现软起动、软停车, 采取电位器或数字控制等多种方式连续均匀调整电机转速, 实现电气调参, 调速范围为0～额定转速。

4.3 观察并调整抽油机平衡状态至最佳状态

原抽油机电机工作在额定转速状态, 机械特性硬。无论上冲程还是下冲程, 电机工作速度几乎不变, 抽油机平衡状态不能得到真实显现, 一般采用钳形电流表检测上、下冲程平衡状态也不准确, 抽油机起动、运行冲击振动均较大。“一拖多”转子变频调速系统软机械特性可让抽油机平衡状态一目了然, 无需钳形电流表监测, 可非常方便地将平衡负载调整到最佳状态电机按最省电方式运行

4.4 功率因数补偿

经平衡调整后, 系统功率因数可高达0.9以上, 无功功率和视在功率均大幅下降, 可大幅减少线路和电机无功消耗。

5 现场应用效果

2010年3月10日～12日, 宜昌市创新电器技术有限责任公司厂家对“一拖多”系统转子变频能量回馈调速安装, 包括现场安装配电柜、走线, 配套YCYX 180L-4型绕线式电机安装 (7台) , 目前系统运行正常。

为了对该改造方案的能耗状况进行全方位测试对比, 更换为“一拖多”转子变频调速系统之前, 先对旗8-31井组7台抽油机原装置分别完成系统效率、冲程、冲次、电能、产量等参数的测试, 再按以下两种方案进行测试对比见表

采用《油田生产系统能耗测试和计算方法》 (SY/T5264-2006) 、《油田生产系统节能监测规范》 (SY/T6275-2007) 及《石油企业节能产品节能效果测定》 (SY/T6422-2008) 测试标准进行测试和评定。测量仪器采用HIOKI3169-21型电能质量分析仪;测量精度:电压、电流、有功功率±0.2%rdg, ±0.1%F.S。

5.1 不调参测试

将抽油机电机及控制系统均更换为“一拖多”转子变频调速系统, 7台抽油机均保持冲程、冲次及平衡状态不变, 连续运行3～5天分别测试7台抽油机电能、冲次、液面高度及产量等参数。

5.2 优化调参测试

将抽油机运行参数调整到最优状态连续运行3～5天后进行测试。鉴于该方案为“一拖多”系统, 每台抽油机转差能量均通过1台逆变器进行集中回馈, 7台抽油机同时运行时无法测试单机数据, 因此测试单台抽油机时, 必须将其他6口井停下来, 再在系统电源总进线处测试, 即为单井运行参数。

(1) 不调参对比测试结果。

总系统测试和计算结果为:有功节电率为3.68%, 无功节电率93.11%, 综合节电率为10.15%。

(2) 调参对比测试结果。

总系统测试和计算结果为:有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%。

6 结论

(1) 转子变频系统在占空比100%的情况下, 即抽油机不调整冲次的前提下, 主要节约无功消耗, 由于电流的下降, 导致有功出力相应减少。

(2) 转子变频系统占空比和冲次有良好的线性关系, 可实现抽油机无级调参。

(3) 利用“一拖多”控制柜在旗8-31井组应用有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%, 节能效果明显。该装置在长庆油田丛式井组能够实现集中控制, 具有较好的推广前景

(4) “一拖多”控制, 即多台抽油机只需配1套逆变系统即可。容量可根据现场抽油机数量进行设计。有利于节约设备投资。适合在长庆油田及其他有丛式井组的油田推广使用。

(5) 该系统可增加RS485通讯接口, 方便用户进行远程数字化控制和管理, 减少人工现场作业劳动强度和维护管理费用。

(6) 该装置符合企业低成本发展战略的思路, 能带来良好的经济效益和低碳发展的社会效益

摘要：针对目前抽油机的能耗状况, 提出降低能耗的改造方案:将电机更换为绕线式电机后, 将控制系统更换为“一拖多”转子变频调速系统。通过对该方案的实施效果进行分析证明, 利用该方案有功节电率11.70%, 无功节电率76.87%, 综合节电率16.41%, 节能效果显著, 具有良好的经济效益和社会效益。

能量回馈系统故障分析 第5篇

能量回馈控制系统是一种新型电动机控制系统, 它可以将位能负载下降时、其他机构快速制动时的能量回馈到电网, 可以节约能源, 减少对境的污染。目前被广泛地应用于港口、码头起重机、电梯等行业。该控制装置有整流回路和逆变回路。前者电源取自电网, 后者将电动机发电时的电源回馈到电网。这是该系统的一个显著特点。

能量回馈控制系统主要由整流/回馈控制单元, 逆变单元组成。整流控制单元将电网电源整流成直流电, 供给直流母线, 为逆变单元的电源。馈控制系单元将逆变单元发电工作状态时提供直流母线的电压送回电网。逆变单元将直流母线上的电源转换成设定频率的交流电源提供电动机或将电动机发电状态时产生的交流电源逆变成直流电源提供给直流母线。

我们在起重机的安装与调试中遇到多次故障, 这部分电路故障尤为特殊。下面将其中一个在设计和安装中不为注意但很容易发生的典型故障事例介绍给大家。

2 实例介绍

2.1 故障现象

我公司在为东北某公司提供的多台250t桥式起重机中, 控制系统采用SIEMENS公司的SIMOVERT MASTERDRIVES整流回馈控制系统;整机采用S7-300PLC集中控制;各控制元件采用PROFIBUS通讯;采用SIMATIC HMI TP277人机界面作为监控系统。该产品安装调试结束后, 动作正常符合设计要求。但经用户使用一段时间后, 突然出现整流回馈单元击穿。且在2天时间内有2台起重机均出现类似的故障。

2.2 故障检查

首先, 对整流/回馈控制柜内各元件检查, 发现两组整流/回馈桥损坏, 而且是损坏的均为回馈模块击穿, 快速熔断器完好。其余元件正常完好。整流/回馈控制单元以下各逆变器正常。电网电压415V。

2.3 故障分析

经与用户沟通后, 近阶段由于多台起重机投入运行, 用户为降低电网压降, 将起重机供电专用变压器输出电压上调置420V。经分析如为电源电压过高引起的原因, 应该有整流模块击穿, 不可能均为回馈模块击穿。且根据SIMENS提供的设计指南中对电网电压的要求为3AC380V (-15%) -480V (+10%) 。初步认为此不是造成造成整流/回馈模块击穿的直接原因。因此种控制系统在港口起重机机械使用非常稳定, 从未发生类似事件, 经比照港口起重机机械使用电缆卷筒供电, 且自带电源变压器, 而现在为安全滑触线供电, 且集电器为一副。如此初步查出此次故障的主要原因。

所先整流回馈单元逆变的原理是, 整流/回馈单元由两组可控的整流桥组成 (见下图) , 一组在整流时将交流电源整流成直流电源, 另一组在回馈是将直流电简单逆变成交流电, 同时采用一台自耦变压器将逆变交流电源升压 (高于进线电压20%) , 以保证顺利回馈。

在该装置处于回馈状态时, 如果电网电压波动较大 (超过回馈电压) , 或者是进线电源突然短时间断路, 回馈能量通路中断, 就会导致回馈失败, 其结果就是直流母线突然升压, 从而烧毁快熔、甚至可控硅。

起重机大车运行时, 起升机构正处于能量回馈阶段, 由于起重机振动大车安全滑触线供电出现暂时的接触不良导致逆变失败。

如图1所示。

3 建议和改进

总结上述原因可以得出, 整流/回馈单元的应用不能根据以往运用的经验, 整套搬用, 应根据每台起重机使用的实际工况具体分析, 完善优化设计。对此我们采取以下措施。

(1) 电网电压调回380V, 因为低电压对整流/回馈单元运用无影响, 在安装调试阶段电网电压仅为360V左右, 从未出现任何故障 (实际现场总结的经验) 。

(2) 供电滑触线的集电器增加数量, 采用多点供电, 避免瞬时失电现象发生。

(3) 对供电滑触线进行修正, 保证其可靠接触。

电梯能量回馈技术探讨 第6篇

关键词：电梯,能量回馈,节能降耗

1 电梯节能降耗的意义

随着我国国民经济的飞速发展, 特别是房地产行业的持续高热以及城镇化的加速进行, 我国已经成为世界上最大的电梯制造国和使用国。根据中国电梯行业协会发布的数据显示, 2012年我国电梯产销量超过52.9万台, 同比增长21.8%;其中出口5.5万台, 增长15%;截至2012年12月, 我国电梯保有量已经超过245万台。随着电梯的用量越来越多, 对电能的需求量越来越大, 在建筑业号称“电老虎”的电梯用电量已经达到建筑总用电量的17%-25%, 超过了照明、供水等用电, 仅次于空调。由此可见, 电梯节能降耗的发展和应用具有重要的社会意义和经济效益。

目前, 应用于电梯的节能技术主要有以下几种:

(1) 改进机械传动和控制系统。永磁同步无齿轮曳引机和变频调压调速 (VVVF) 系统可大幅提高运行效率, 现已被广泛应用。

(2) 选用先进的梯控技术。例如轿厢无人自动关灯技术、变频器休眠技术、群控管理技术等梯控技术。

(3) 采用能量回馈技术。能量回馈装置不但可以通过将电能回馈给电网的方式达到节电的目的, 同时也节省了机房空调和降温设备的耗电量。

(4) 采用LED节能照明系统。

2 能量回馈技术原理

电梯的运行, 有耗电运行和发电运行两种状态。电梯的负载是位能式负载, 为了平衡轿厢的载重量, 在另外一侧装有对重平衡块。只有当轿厢载重量为额定载重量的一半时, 轿厢侧和对重侧的重量才能大致平衡, 否则, 轿厢侧和对重侧就会有质量差。因此在大部分情况下, 电梯的运行可以分为四种情况:轻载上行、轻载下行、重载上行、重载下行。当电梯轻载下行或者重载上行时, 对重或者轿厢需要曳引机拖动上行, 此时曳引机处于耗电状态, 而当轻载上行或者重载下行时, 曳引机需要抑制对重或者轿厢下行, 此时曳引机处于发电状态。此外, 在用的电梯中大部分是采用变频器驱动电机的方式, 当电梯达到额定运行速度时, 机械能达到最大, 当电梯到达目的层前, 逐步减速直到停止运行, 这个过程也是电梯机械能电梯运行过程中产生的这些多余的机械能通过曳引机和变频器转换成直流电能储存在变频器直流回路中的电容中, 电容中储存的电能越多, 直流回路的电压就越高, 如不能及时释放电容中储存的过多电能, 就会造成过压, 轻则变频器过压保护, 电梯无法正常运行, 重则会损毁变频器。目前绝大多数变频调速电梯均采用制动电阻散热的方式消耗这部分电能, 但是这种方式不仅降低了系统的效率, 而且电阻产生的大量热量还恶化了电梯机房的环境。由于温度过高还可能会导致电子元器件工作状态的不稳定, 引起其它故障。

为什么要通过增加电阻的方式来消耗这部分电能呢?因为一般的变频器都是采用二极管整流桥将交流电整流成直流电, 然后采用IGBT功能模块将直流电逆变成电压、频率皆可改变的交流电供给电动机。这种普通的变频器只工作在耗电运行状态, 一般被叫做两象限变频器。由于两象限变频器使用的是二极管整流, 无法实现能量的双向流动, 所以无法将电容中储存的电能输送回电网, 只能通过电阻将电能转化成热能白白浪费掉。

能量回馈技术则是采用IGBT做整流桥, IGBT功能模块可以实现能量的双向流动, 同时用高速的DSP芯片产生PWM控制脉冲。一方面可以将电容中储存的电能反送到电网, 达到节能的目的;另一方面也可以调整输入的功率因数, 消除对电网的谐波污染, 让变频器真正成为绿色产品。

当曳引机工作在耗电状态的时候, 整流控制单元的DSP产生6路高频的PWM脉冲, 控制整流侧的6个IGBT的导通和切断。IGBT的导通和切断与电抗器等共同作用, 从而产生了与输入电压相位保持一致的正弦电流波形, 这样就消除了整流桥产生的谐波, 消除了对电网的谐波污染。此时从电网输入的电能经过整流和逆变, 输送给曳引机, 变频器是工作在第一、三象限。

当曳引机工作在发电状态的时候, 曳引机产生的能量通过逆变侧的二极管反馈到直流母线, 而且越积越多, 直流母线的电压也越来越高, 当超过一定的值时, 整流侧能量回馈部分启动, 将直流电逆变成交流, 在进行相位和幅值的调整后, 输送回交流电网, 达到节能的效果。此时能量由曳引机经过逆变侧、整流侧回送给电网, 变频器是工作在第二、四象限。

3 能量回馈节能效果

能量回馈技术的作用就是有效地将电容中储存的电能回送给交流电网, 供周边其他用电设备消耗使用, 节电效果十分明显, 一般节电率可达25%~35%。此外, 由于无需电阻发热器件, 机房温度下降, 可以节省机房降温设备的购置费和耗电量。在许多地方, 节约空调的耗电量往往会带来更大的节电效果。

但是, 能量回馈技术也存在一些不足。首先, 此技术对电梯的配置有一定的要求, 一般来说, 电梯的速度越高、载重越大、楼层越高, 节能效果越大;其次, 此技术虽然节电效果明显, 但是不易量化;最后, 此技术虽然有电抗器、电容器和去噪等滤波环节, 但是其波形也难免有些畸变, 目前采用此技术回馈的电能, 其电流总谐波大约在5%左右, 这些谐波会对电网及附近其它用电设备带来不同程度的影响。

4 结语

能源回馈技术突现“节”能, 实现“造”能, 既节省了用户的开支, 更具有减少碳排量、节能环保的社会深远意义。电梯业正朝着高科技绿色产品方向发展, 智能、高效、环保将成为未来电梯业的发展趋势和共同目标。

参考文献

[1]陈志溪, 原徐成.电梯制动电能的利用与展望[J].中国电梯, 2009.

能量回馈变频器论文 第7篇

交-直-交电压型变频器,含两电平低压变频器、中点钳位三电平中压变频器及H桥级联中压变频器,已得到广泛应用,特别是在交流电动机调速传动领域。这些变频器都由交-直整流器及直-交逆变器两部分组成。在快速制动或位势负载下放重物时,电动机处于再生发电工作状态,机械的动能或重物的势能将通过电动机转变成电能返回电源。电压型逆变器允许双向功率流动,可以把电动机的再生能量回送至直流母线上的贮能电容,能不能进一步回馈交流电网则取决于交-直整流器的型式,看它是否允许双方向功率流动。

常用的交-直整流电源有3类:不可控整流电源、晶闸管整流/回馈电源及IGBT(IGCT) PWM整流电源(常称有源前端AFE)。

不可控整流电源主要指二极管整流电源。有时为了限制开机时贮能电容C的充电电流,改用晶闸管可控整流电源,但在充电结束后维持触发延迟角α= 0°不变,由于这时已不控制,所以它也属于不可控整流电源类。这类电源简单、经济、可靠、应用很广,主要缺点是不能回馈电网,只能通过制动单元把逆变器送来的再生能量消耗在制动电阻中,适合用于再生能量不大,制动不频繁场合。由于直流母线上接有大贮能电容,造成直流母线电压抬高,整流输出电流断续,整流管导电时间缩短,流过整流管的电流及交流进线电流波形变为两个很窄的尖脉冲电流波,导致谐波大,功率因数差,并给整流管带来大的电流冲击。为解决这问题:用于低压变频器时宜在整流桥网侧加装2%～4%的交流进线电抗;用于中点钳位三电平中压变频器时要求整流变压器的漏抗为8%左右,由于这种变频器有±2组直流母线,大多采用12或24脉波整流来进一步减小谐波;用于H桥级联中压变频器时要求整流变压器的漏抗为6%左右,这种变频器的脉波数是6N (N为H桥串联级数),脉波数高,谐波小。

晶闸管整流/回馈电源及PWM整流电源都允许双方向功率流动,既能整流向直流母线供能,又能回馈把再生能量送回电网,适合用于再生能量大,制动频繁的场合。

晶闸管整流/回馈电源由正反两个可控整流桥(无环流可逆)组成,整流时正桥工作,输出正向直流电流,回馈时反桥工作,直流电流反向。这种电源使用晶闸管,便宜。它的最大问题是存在回馈桥逆变失败的可能,若在回馈桥工作期间突然交流电源故障,进线电压降低过多,将导致逆变颠覆,直流电源短路,烧熔断器,这种故障曾在现场多次发生。另外它的结构和控制也略麻烦。6脉波整流网侧谐波大,大功率装置常用12脉波整流,特别是用于中点钳位三电平中压变频器时。由于复杂,24脉波整流少用。

IGBT(IGCT) PWM整流电源由IGBT(IGCT)桥和交流进线电抗构成,采用PWM控制,是逆变器的逆应用。这种电源具有理想的性能:双方向功率流;正弦波网侧电流(一个开关周期平均值);功率因数超前/滞后可控,可以为1;电网异常降低时关断全部开关器件,无颠覆问题。这种电源的主要问题是价高(使用IGBT或IGCT器件,进线电抗大)、控制和调试麻烦,从而影响其应用。用于大功率中压变频器时,由于开关器件的开关频率低,网侧谐波加大,效果将打折扣。很多应用场合希望装置的逆变功率小于整流功率,这种电源难实现(晶闸管整流/回馈电源有逆变功率是整流功率的1/2和1/4之产品)。

针对上述两种双向功率流电源各自的优缺点,西门子公司在其Sinamics系列变频器中推出一种新的双向功率流电源IGBT整流/回馈电源,性能和价格都居于上述两种之间,给使用者多一种选择。这电源也由IGBT桥和交流进线电抗构成,但不采用PWM控制,每个IGBT在一个交流电源周期中只导通和关断一次,于自然换流点(α=0°)处开始导通,持续120°后关断。进线交流电压高于直流母线电压时,电流经与IGBT反并联的续流二极管从交流电源流向直流母线整流;当进线交流电压低于直流母线电压时,电流经IGBT从直流母线流向交流电源回馈。它的控制和调试特别简单,没有移相或PWM,也没有任何闭环调节。这电源有许多特点,笔者认为它在某些场合,特别是在中压变频、公共直流母线及4象限H桥级联中压变频领域,应该有它的一席之地,故在本文中予以介绍。

2 晶闸管整流/回馈电源及PWM整流电源 (AFE)

2.1晶闸管整流/回馈电源

晶闸管整流/回馈电源由正反两个可控整流桥(无环流可逆)组成,整流时正桥工作,输出正向直流电流,回馈时反桥工作,直流电流反向。它有2种电路结构:一种是对称可逆结构,示于图1a;另一种是不对称可逆结构,示于图1b。

对称结构的优点是结构紧凑,可以用可逆直流传动的标准整流装置,缺点是触发延迟角α≥30°,导致进线功率因数和输出直流电压比不可控整流降低20%左右(含调节裕量);为获取逆变器要求的直流电压,整流桥的交流进线电压要适当升高,导致其值不标准,需配整流变压器。不对称结构的整流桥和回馈桥分开,整流桥工作于α=0°,为防止逆变颠覆回馈桥工作于触发超前角β≥30°,需用自耦变压器AT把回馈桥的进线电压升高20%。不对称结构的特点是:交流进线电压标准,可以不用整流变压器;功率因数高;若回馈功率小,回馈桥和自耦变压器容量可以减小,但自耦变压器的引入使主电路复杂化。

这类电源的控制电路和无环流可逆直流传动一样,由移相触发、无环流逻辑、直流电流内环和电压外环双闭环调节等部分构成,较麻烦。

晶闸管整流/回馈电源的最大问题是存在回馈桥逆变失败的可能,若在回馈桥工作期间突然交流电源故障,进线电压降低过多,将导致逆变颠覆,直流电源短路,烧熔断器。这种故障曾在现场多次发生。

用于低压变频时,该电源多采用6脉波整流,网侧谐波大,大功率装置常采用12脉波整流,谐波大大减小。用于三电平中压变频时,由于逆变器要求±2组直流电源,该电源宜采用12脉波整流。由于复杂,24脉波整流很少用。

2.2PWM整流电源(有源前端AFE)

PWM整流电源(AFE)由IGBT(IGCT)桥和交流进线电抗构成,采用PWM控制,是逆变器的逆应用。使用IGBT的AFE主电路示于图2。图2中,除三相IGBT桥外,还有贮能电容的预充电环节(SA和RP)及滤去开关频率谐波的进线LC滤波器,滤波器中的电抗器LA是实现升压变换所需的进线电抗器Xi 。

AFE具有如下理想的性能:

1)电网侧输入电流为正弦波,无功从感性到容性连续可调(包括功率因数=1);

2)双方向功率流,既可整流,又可回馈;

3)可在不稳定的电网中可靠工作:在电网电压大幅度波动时仍维持直流母线电压不变;在电网故障,电压突然降低过多或完全掉电时,立即关断所有IGBT,AFE变成二极管整流桥,不存在逆变颠覆问题,不会出事故。

AFE的问题如下。

1)价格贵(约等于逆变器价格),制约了它的推广应用,主要用于对调速回馈性能及电网质量要求高的场合。价高的原因有2个:一是使用IGBT或IGCT器件,比晶闸管贵许多;二是交流进线滤波器大且贵。AFE采用PWM控制,IGBT或IGCT桥交流输入端是调制方波,脉动幅值大,为限制进线电流脉动率要求进线电抗Xi大,用于两电平低压变频时Xi≈10%,用于三电平中压变频时Xi ≈20%,为吸收开关频率的谐波除Xi外常还装设滤波电容(见图2)。若AFE由单独变压器供电,Xi可以用变压器漏抗来代替,但它必须是特殊的高漏抗变压器,这时在变压器原方装设电容滤波。

2)AFE的控制由PWM调制、电压外环和电流内环双闭环调节构成,其中电流环是基于矢量变换的三相交流电流调节系统,复杂且调试麻烦。

3)随装置功率加大,特别是高压开关器件的应用,开关损耗大大增加,PWM控制要求较高开关频率,从而影响AFE装置出力。现在高压开关器件的开关频率都限制在几百Hz,要调制出50 Hz交流电压,谐波很大,即便采用同步且对称的调制策略,例如特定消谐法,其网侧谐波状况也只大致与18脉波整流相当。上述2个原因使AFE的优良性能大打折扣。ABB公司ACS-6000系列中IGCT三电平AFE的数据示于表1。

注:*为相当脉波数,指与其谐波相当的二极管整流器脉波数

由于采用特定消谐PWM策略,第1个未消除的谐波将被放大,二极管整流不放大,所以实际的相当脉波数比表中值要低。从表1中可以清楚地看到开关频率对容量的影响及谐波情况。

平均开关频率300 Hz的三电平AFE之网侧电流波形示于图3,谐波状况并不理想。

4)实现逆变功率小于整流功率要求困难。

3 IGBT(IGCT)整流/回馈电源

IGBT(IGCT)整流/回馈电源的主电路与AFE基本相同,也由IGBT或IGCT桥和进线电抗Xi构成,绘于图4 (贮能电容预充电环节未绘)。

与AFE不同,整流/回馈电源不采用PWM控制,它的开关器件只用作为电网的同步开关,每个开关在一个交流电源周期中只导通和关断一次,于自然换流点(α=0°)处开始导通,持续120°后关断,图5为三相电源相电压及桥中6个开关器件的门极驱动信号。从图5中看到,桥中每个相支路的上下2个开关器件的导通时间彼此错开,间隔60°,无“直通”可能,不必像AFE那样另外设置防直通的“死时”,工作可靠。该电源器件的开关频率只有50 Hz,远低于AFE,有助于提高装置出力。

与二极管整流不同,在电网线电压瞬时值小于直流母线电压Ud时,该电源允许电流从直流母线,经开关器件和进线电抗流向电网。在空载、整流和回馈3种状态下,开关器件VA1导通期间的Ud、线电压uiAC和uiAB及A相电流iiA波形绘于图6。在这期间uiAC或uiAB与直流正母线接通,它们与Ud之差加至电抗Xi ,线电压>Ud时iiA向正方向变化,线电压<Ud时iiA向负方向变化。空载状态时(见图6a),Id.I=0 (Id.I为直流母线上逆变器侧直流电流),整流电压Ud =Ud0=1.35Ui.L (Ud0为理想空载整流电压,Ui.L为电网线电压有效值),线电压与Ud之差的正负伏-秒面积相同,iiA时正时负,平均值=0,没有功率流向直流母线或返回。整流状态时(见图6b),Id.I>0,整流电压Ud略低于Ud0(<5%),正伏-秒面积加大负面积减小,iiA正向加大负向减小,直至无反向电流,平均值>0,由于这时线电压>0,故功率从电网流向直流母线。回馈状态时(见图6c),Id.I<0,整流电压Ud略高于Ud0(<5%),负伏-秒面积加大正面积减小,iiA负向加大正向减小,直至无正向电流,平均值<0,由于这时线电压>0,故功率从直流母线流向电网。从上述3种状态分析知,整流和回馈状态的转换及流过功率的大小都取决于Ud的变化,依据逆变器的要求(Id.I值)自动实现,不需要任何闭环调节,控制电路特别简单。3种状态的仿真结果示于图7,图7中上部是三相电网相电压波形,下部是相电流波形。

从上述分析还知,加在进线电抗Xi上的脉动电压的幅值很小,故需要的电抗值较小,对于低压IGBT装置取Xi≈4%,对于中压IGBT装置取Xi =5%～8%,这些值都与相应容量的通用变压器的漏抗值相同,因此可采用通用变压器作为整流器,不必像AFE那样必须使用高漏抗变压器。(35 kV,10 MVA电力变压器的阻抗电压为7.5%;10 kV,6.3 MVA电力变压器的阻抗电压为5.5%)

在电网故障,电压突然降低过多或完全掉电时,立即关断所有IGBT,该电源变成二极管整流桥,不存在逆变颠覆问题,不会出事故。

如果要求装置的整流功率大于逆变功率,可以在IGBT或IGCT桥旁并联一个二极管整流桥,主电路绘于图8。图8中,Xi是进线电抗,XB.1和XB.2是均流电抗。取XB.1=XB.2=0.5%时,在IGBT(IGCT)和二极管压降差25%(二极管压降小)时,仍能取得较好均流效果,仿真结果示于图9。(造成回馈时二极管桥有很小脉动电流的原因是XB.1的感生电压)

扩展整流容量的整流/回馈电源很适合用来作为公共直流母线的交-直电源,因为在公共母线下的一台或几台电动机再生工作而其他电动机电动工作时,再生的能量可以通过直流母线流入正在电动工作的电动机,从而大大减小需要回馈电网的功率。

由于开关器件的门极驱动脉冲不移相,所以这整流/回馈电源的网侧功率因数与接有同样进线电抗的不可控整流电源基本相同,都比较高。该电源的网侧电流谐波也与不可控整流电源类似。如果只有一个整流/回馈桥,属6脉波整流,谐波较大;如果一个整流/回馈桥容量不够,需要2个桥串联或并联工作时,宜采用12脉波整流,谐波将显著减小,但这2个桥的交流进线需是整流变压器彼此隔离的两组副方绕组,且相位差30°。三电平逆变器要求±2组直流电源,宜采用2个整流/回馈桥串联的12脉波整流方案。如果容量大,这±2组直流电源各用一个整流/回馈桥容量不够,需要每套电源2个桥时,可以采用24脉波整流方案,但要求整流变压器有4组副方绕组,且相位差15°。6脉波、12脉波和24脉波整流的网侧电流仿真波形示于图10。整流状态谐波小,24脉波在整流状态的波形非常好(比使用高压开关器件的三电平AFE好),回馈时稍差。

H桥级联变频器是在我国应用最广泛的中压变频器,它的主要优点之一是,通过多级H桥串联及多组变压器副方绕组移相,使其交-直变换部分获很高等效脉波数,网侧电流谐波非常小。原来,H桥中的交-直变换都用不可控整流,变频器不能回馈电动机的再生功率。为满足用户的4象限运行需求,近年来许多公司都在开发能回馈的产品,方法是用IGBT的AFE代替不可控整流。这种中压变频器中,H桥的数量庞大,每个H桥一套AFE,大量的AFE给控制和调试带来巨大麻烦和困难。如果每个H桥中的交-直变换都改用IGBT整流/回馈电源,同样可以实现回馈,它的主电路与AFE相同(对变压器漏抗的要求比AFE低),但控制和调试变得十分简单,与不可控整流差不多。IGBT整流/回馈电源的网侧电流谐波与不可控整流基本相同,既然使用不可控整流都能使H桥级联变频器获非常小的网侧电流谐波,改用IGBT整流/回馈电源必然会取得同样效果。

从上述介绍可以归纳出IGBT(IGCT)整流/回馈电源的特点。

1)允许双方向功率流动,既可整流又可回馈。

2)不用PWM,无闭环调节,控制和调试特别简单。

3)桥中每个相支路的上下两个开关器件的导通时间彼此错开,间隔60°,无“直通”可能,工作可靠。

4)在交流电源故障或进线电压降低过多时,可通过关断所有IGBT来避免逆变颠覆发生。

5)可以通过并联二极管桥扩展整流功率,实现整流功率>回馈功率要求,很适合用来作为公共直流母线的交-直电源。

6)网侧功率因数及电流谐波与不可控整流电源基本相同,可以通过采用12或24脉波整流方法来减小谐波,特别是用于三电平变频时。

7)与晶闸管整流/回馈电源相比:①使用IGBT或IGCT器件,比晶闸管贵;②解决了晶闸管整流/回馈电源的逆变颠覆问题;③不需要自耦变压器,无闭环调节,控制和调试比晶闸管整流/回馈电源简单。

8)与AFE相比:①虽然二者主电路差不多,但比AFE便宜,主要原因是进线电抗小(低压的本电源Xi≈4%,中压为5%～8%;低压AFE的Xi≈10%,中压为20%左右),其值与相应容量的通用变压器的漏抗值相同,可采用通用变压器作为整流变压器,不必像AFE那样必须使用高漏抗变压器,另外控制和调试简单也是原因;②开关频率仅50 Hz,比AFE低很多,可提高装置出力,特别是使用高压开关器件的装置;③网侧电流谐波不如AFE,但可通过采用12或24脉波整流方法来减小谐波,24脉波整流状态的谐波甚至比中压AFE小。

9)适合用于4象限H桥级联中压变频器,比现用的AFE方案简单得多。

4 结论

为实现4象限运行,要求变频器的交-直变换能允许双方向功率流动,有2种常用的电源:晶闸管整流/回馈电源及AFE,它们各有优点及问题,都不令人满意,前者便宜但存在逆变颠覆隐患;后者性能好但昂贵,且中压装置的性能下降。本文介绍一种新的4象限电源IGBT整流/回馈电源,性能和价格都居于上述两种之间,给使用者多提供一种选择。它价格适中、控制特别简单,无逆变颠覆隐患,开关频率低有助于提高输出能力,容易实现整流功率>回馈功率要求,网侧谐波比AFE大,但可通过采用12或24脉波方法来减小。上述特点将使它在市场上获得一席之地,特别是在中压变换、公共直流母线及4象限H桥级联中压变频领域。

摘要：有两种常用的4象限变频器交-直变换电源:晶闸管整流/回馈电源及AFE,它们各有优点及问题,都不令人满意。介绍一种新的电源IGBT整流/回馈电源,性能和价格都居于上述两种之间,给使用者多提供一种选择。它的许多特点将使它在市场上获得一席之地,特别是在中压变换、公共直流母线及4象限H桥级联中压变频领域。

关键词：4象限交-直电源,变频器,IGBT整流/回馈

参考文献

地铁再生制动能量回馈装置设计 第8篇

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industry

point

本文根据地铁再生制动能量回馈装置的工作原理, 对列车再生制动能量回馈装置进行了分析, 其具有反馈电流强、时间短、功率冲击大等特点, 为再生制动能量吸收装置的设计提供了理论依据。并基于地铁再生制动能量回馈装置具有反馈电流强、时间短、功率冲击大等特点, 采用电压型逆变回馈系统和空间矢量脉宽调制技术, 提出了基于逆变回馈的再生能量回馈装置并应用于将能量回馈到低压网侧, 从而稳定直流网压以保证地铁的安全稳定运行和节省电能。

伴随着世界范围内的城市化进程, 行车难、乘车难, 不仅成为市民工作和生活的一个突出问题, 而且制约着城市的经济发展。此外, 道路上汽车排放的废气、汽车产生的噪声等环境污染问题也越来越引起人们的重视。在这样的背景下, 地铁作为城市轨道交通的最佳代表在缓解交通压力中发挥着越来越重要的作用。

由于地铁多穿行于市区或者地下隧道, 电气牵引线路的走廊空间有限, 不适合高电压等级的牵引系统。且车辆运行密度大, 运行间距短, 起动、加速、运行和制动频繁等特点, 因此, 国内外城市地铁均选用直流供电牵引方式。通常直接从城市电网取得电能为地铁车辆提供电能。而牵引供电系统作为地铁的动力来源, 其可靠性影响着整个地铁交通系统的安全稳定运行。伴随着地铁的发展, 直流牵引供电系统在其运营过程中也出现了一系列的问题, 如地铁运行中电力损耗过大、直流牵引电压抬升过高、交流侧谐波过大等尤为显著。

地铁列车在运行中电力消耗成本约占整个运营成本的40%以上。因此, 如何降低运营中的电力损耗对轨道交通具有非常重要的现实意义。当前, 地铁牵引供电系统一般采用24脉波整流, 回馈到直流牵引网的能量无法被吸收会引起直流网压抬升影响列车的安全稳定运行且牵引系统会对交流电网产生谐波的影响。基于以上问题, 本文提出在直流牵引网侧加装再生制动能量回馈装置, 从而稳定直流网压保证列车安全稳定运行和节省电能。

再生制动能量回馈装置工作原理

再生制动能量回馈装置最核心的部分就是能够将直流侧能量逆变回馈到交流侧的变流器, 选择在原来的牵引供电系统中装设该能量回馈装置, 其并联原理图如图1所示。

通过变流装置将能量回馈到集中式供电的中压网侧, 本文以回馈至中压35k V为例进行再生能量回馈装置的研究。作为回馈装置的核心部分要满足功率要求, 同时还必须满足回馈到交流中压网侧的谐波含量要求。因此, 作为大功率器件的二极管钳位式 (NPC) 三电平逆变器可以满足上述要求, 相比于两电平逆变回馈其更适合在高压大容量场合应用。其优点有耐压等级更高、输出效率更高、谐波含量更少等。

本文依据二极管钳位式三电平逆变电路, 建立基于三电平的再生能量回馈系统模型, 分析其工作原理, 建立数学模型, 设计控制策略。

能馈式逆变回馈装置是在直流牵引网上列车制动时产生的制动能量回馈到交流中压网侧, 既能够实现能量的循环利用, 又可以稳定直流网牵引电压。因此, 了解回馈装置的工作原理时实现其回馈能量的关键, 从能量流向分析其工作过程, 如图2所示。

由IGBT和二极管组成的二极管钳位式三电平变流器本身的特点可知其既可以实现逆变回馈能量, 也可以实现整流向直流网馈入能量, 实现能量的双向流动。因此, 按照工作状态能量回馈装置可以分为整流状态、逆变状态和待机状态。

整流状态

在正常牵引状态下, 中压网络将能量通过整流装置将能量馈送到直流牵引网供机车正常的牵引运行。在特殊情况下, 例如发车密度较高时, 有可能会使直流牵引网压过低, 因为二极管整流装置属于不可控整流, 没有调节网压的能力, 如果不快速切除一部分的负载, 网压会持续下降到过低的水平。因此, 此时可以通过调节能量回馈装置的工作状态使其工作在整流状态起到辅助整流器来维持直流网压在一个稳定的目标值。但是, 出于长期的考虑, 现阶段的城市轨道交通的整流机组的容量能够完全满足现有列车发车密度, 因此会控制能量回馈装置不工作在整流状态, 本文也不会针对该状态做更多的分析。

回馈状态

能量回馈装置启动后, 首先按照启动时序闭合线路上的开关器、断路器、接触器等, 使得其进入待机状态。在待机的过程中, 传感器等检测装置实时的检测交直流侧的电压、电流, 一旦直流侧母线电压高于阈值1650V (以1500V直流牵引为例, 根据实际情况阈值可以调节) 再综合直流网线电流极性判断直流牵引网有列车处于制动状态, 立刻开启NPC三电平脉冲驱动信号, 驱动IGBT工作在逆变状态, 将制动能量快速回馈到交流中压网侧, 同时稳定直流侧母线电压在阈值。在回馈装置处于能量回馈状态时, 在闭锁功能下, 整流机组将自动停止工作, 保持在待机状态, 从而可以让回馈的能量可以通过同一套牵引整流变压器回馈到交流网侧。

待机状态

当逆变回馈过程中检测到直流网压低于阈值且回馈装置的直流侧电流反向流动时, 说明机车制动结束, 且有机车正处于牵引状态。因机车牵引时所需的能量远大于回馈装置本身的容量, 将立刻封锁变流器的脉冲驱动信号, 回馈装置退出运行, 进入待机状态。与此同时, 二极管牵引整流机组由待机状态进入牵引整流状态, 向牵引网提供牵引所需的能量。

综合以上分析可知, 能量回馈装置与牵引整流装置相互配合, 依次完成能量在中压交流网侧和直流网侧间的馈入、馈出从而实现了能量的综合循环利用, 起到了节能的作用。

再生制动能量回馈装置总体结构

能馈式再生能量回馈装置的主要功能是将直流牵引网的多余再生能量回馈到中压交流35k V侧, 这样既可以起到电能的循环利用, 又可以稳定直流牵引网的电压, 保证地铁安全稳定的运行。其主要的构成包括主电路变流系统和主变流电路的控制系统两部分如图3中的虚线框所示。

主电路变流系统主要是由NPC三电平逆变器、滤波器、隔离变压器、牵引整流变压器及装设在线路上的一系列开关器、断路器、传感器、保护器等构成。NPC三电平逆变器是由IGBT和二极管构成, 其作用是将直流侧电压、电流逆变成交流电压、电流回馈到交流侧。滤波器是由滤波电感和滤波电容串并联构成的LC滤波器, 因为从逆变器交流侧直接输出的电压、电流谐波含量很大, 所以需要装设滤波器来处理电压、电流的部分谐波。隔离变压器是由双绕组变压器构成, 其作用首先是将滤波后的电压、电流变换成整流变压时低压侧额定工作时的电压、电流, 其次是为了防止变流器某一桥臂出现短路故障使得直流侧电流直接流入交流系统, 影响交流侧正常的工作, 起到电气隔离的作用。整流变压器是采用牵引整流变压器, 作用就是最终将低压侧的电压、电流变换到中压交流网侧从而完成能量回馈的整个过程。

控制系统主要是由信号处理器和驱动控制器组成。信号处理器是将主电路处传感器采集到的电压、电流信号和输入的预设信号转变成相关的控制信号。驱动控制器是将信号处理器送来的控制信号通过控制策略的转化变成NPC三电平上IGBT的驱动信号以此来控制其通断从而实现功率的回馈作用。

在本文的研究中, 并网逆变器调制选用SVPWM方式, SVPWM控制方式具有以下特点:

(1) 每一次开关状态的切换只涉及一相桥臂, 减小了开关器件的损耗;

(2) 逆变器输出的电压 (电流) 质量取决于矢量的作用时间, 作用时间越小, 输出电压 (电流) 越接近正弦, 但减小矢量的作用时间会造成功率器件开关频率和开关损耗的上升;

(3) SVPWM调制下电路直流电压利用率较高;

(4) 实现方法简便。

再生制动能量回馈装置应用仿真分析

为了验证本文中论述的城市轨道交通再生能量回馈系统控制的正确性和可靠性, 在MATLAB/Simulink环境下搭建了仿真模型。从系统的正确性、稳定性和平衡性;系统回馈电能的质量;系统响应速度及稳定直流网侧电压来进行具体分析。

针对能量回馈系统的仿真研究充分说明了该设计的正确性和可行性, 本节需要将所设计的逆变回馈系统接到城市轨道交通牵引供变电系统中验证其回馈能量的效果和稳定直流网压的效果。采用大双边供电时, 将机车设在两个牵引变电站中间, 其仿真应用模型如图4所示。

根据城市轨道交通实际网络供电和机车的运行状况搭建了简化的直流牵引网模型, 将机车等效为一个受控电流源, 直流网采用牵引网和回流网电阻模型, 其中接触网等效电阻为Rw, 变电站等效电阻为Rn, 钢轨纵向等效电阻为R, 钢轨过渡等效电阻为Rg, 大地等效电阻为Rd, 其根据城市轨道交通实际情况各电阻参数值如表1所示。

牵引变电站等效为一个串联电阻的24脉波整流模块。其仿真模型如图5所示。

移相变压器采用Y/Y接法, 两个移相变压器分别移相±7.5°, 三相整流变压器采用Y/Y/△, 三相交流电源:线电压有效值35k V, 工频50Hz;整流变压器:容量3000k VA, 变比35/1.18/1.18k V, 工频50Hz。其运行仿真后的直流侧空载电压波形图和两个移相变压器交流侧线电压波形图如图6所示。

在交流供电频率为50Hz时, 周期为0.02s, 在一个工频周期内 (0.5~0.52s) 内整流器直流侧输出空载电压出现24次脉动, 且电压值符合理论空载输出电压。而两个移相变压器副边输出线电压T1超前T2, 这与理论分析中两变压器输出电压相差15°相符合, 可见该仿真模型作为变电站的等效模型是正确可行的。

在直流牵引系统中加入能量回馈装置后进行仿真, 其直流侧网压和交流网侧电流变化如图7 (a) 和 (b) 所示。

从图 (a) 中可以分析出0.5s时直流牵引网侧机车开始制动, 在0.54s左右时直流牵引网压升高并超过1650V, 此时启动能量回馈装置之后, 直流网压迅速稳定在1650V左右, 防止了直流网压进一步升高, 起到了稳定直流网压的作用。在1.5s机车制动结束之后能量回馈装置退出运行并处于待机状态, 此后直流网压回落到1500V左右。图 (b) 中在0.5s~1.5s之间时交流网侧电流逆变回馈到35k V交流网侧从而起到了能量回馈的作用。

直流牵引网上机车在制动过程中, 在制动开始和制动结束时回馈装置回馈到交流35k V侧的电流及网侧电压变化如图8和9所示。在0.54s左右时回馈装置开始启动, 交流侧的相电流由整流状态转为逆变回馈状态, 可见回馈装置能够迅速的将制动能量回馈到交流网侧。

回馈装置在1.5s左右停止运行时交流网侧电压、电流如下图9所示。交流电流由逆变回馈状态又转变为整流供电状态。

从以上分析可知, 装设能量回馈装置可以实现单位功率因数的能量回馈, 降低机车制动时直流侧网压的升高。

结语

能量回馈系统控制策略的研究 第9篇

随着社会的迅速发展, 能源短缺问题日益突出, 节约能源已是当下炙手可热的话题和论点。目前, 交流变频调速系统的制动常采用能耗制动, 这不仅浪费能量, 还严重影响逆变器的正常工作。而能量回馈控制系统是一种再生制动装置, 可将多余电能回馈到电网, 具有很大的使用价值。为此本文提出了带有LCL滤波器的能量回馈控制系统, 并针对LCL型滤波器会使控制系统产生谐振尖峰的缺点, 采用了有源阻尼控制方法消除谐振尖峰;同时对于电网侧电流环和电容电流环双环控制策略在抑制电网电压扰动能力上明显不足, 采用了基于电网电压前馈的电流双环控制策略。

1 能量回馈系统的控制策略研究

1.1 基于有源阻尼的电容电流环

针对单环控制系统存在谐振峰值的问题, 本文提出了通过电容电流反馈的方式增加系统的阻尼, 即有源阻尼, 如图1所示。

当系统加入电容电流有源阻尼比例反馈控制后的频率特性曲线如图2所示。G1表示只有逆变器侧电流反馈控制的系统频率响应特性;G2表示逆变器侧电流反馈和电容电流反馈的双环控制系统频率响应特性。

由图2可知, 增加了电容电流反馈后, 系统在谐振时的谐振尖峰基本完全消除, ζ>0.707, 可看作是过阻尼系统, 而且高频段和低频段的滤波效果完全没受影响;同时, 相位也实现了超前校正, 大幅提高了系统的截止频率ωc (从670rad/s增大到4 000rad/s) 。在系统的中频段, 对数幅频特性曲线的斜率大概是-23dB/dec, 并且还占据了较宽的范围, 这可近似看作是一阶系统, 几乎没有震荡;与G1曲线系统相比, G2曲线系统具有较高的平稳性;系统的相位裕度γ=45°, 在合理范围内, 保证了系统的稳定性。

1.2 电流双环控制下的电网电压前馈控制

以上分析为没有考虑电网电压扰动us时的情况, 而当考虑电网电压扰动时, 系统的闭环传递函数为:

由式 (1) 可看出, 当采用电流双环控制策略时, 并网逆变系统的电网侧电流i2受到电网电压的影响, 因此当电网电压波动时就会直接导致输出网侧电流i2中含有大量的低次谐波。此时若控制参数或滤波参数设计不当, 则可能导致电网电流低于某些标准的规定。

本文提出通过电网电压的前馈控制策略克服电网电压波动引起的谐波干扰, 图3中的虚线部分就是电流双环下的电网电压前馈控制框图。

输出电流i2的表达式为:

其中

其中

GPWM (s) 为逆变桥的等效传递函数, 由于开关频率远大于基波频率, 因此可将逆变桥单元看成是一个相对于直流源的等效输出增益, 即:

式中, Udc是直流侧电压;U′a是三角载波的幅值。

如果要彻底消除电网电压对网侧电流的影响, 那么有:

将Ds2、Ds3、Ds4带入式 (5) 得:

要满足式 (6) 则须有:

在满足式 (7) 后, 电网电流为:

显然, 电网电压的干扰被完全抵消掉, 实现了电网侧电流i2紧随基准电流iref, 并且加了电网电压前馈后, 系统的特征方程没有发生变化, 丝毫没有影响系统的性能, 与不考虑电网电压干扰的理想状态一样。

综上所述, 系统将采用直流电压外环、电流双环控制下的电网电压前馈控制策略。

2 仿真验证

为验证本文控制方法下系统的动静态特性, 基于MATLAB仿真平台建立了系统模型。给电网电压加入谐波扰动, 在电流双环控制下输出电流波形和谐波含量分别如图4和图5所示。

由图4和图5可知, 输出电流波形明显发生了畸变, 并且谐波含量达到了8.28%, 已超出了合理范围, 从而导致系统不能正常工作。

由加入电网电压前馈后的输出电流波形 (如图6和图7所示) 可知, 输出电流波形基本是正弦波, 且谐波含量降到了2.28%。显然加入电网电压前馈后, 系统可很好地抑制电网电压扰动的干扰, 保证系统的高效运行。

3 结束语

在电流单环反馈控制的基础上, 加入了有源阻尼电容电流环, 提高了系统的精确性和稳定性。针对电网电压的扰动干扰, 提出了新型的电网电压前馈控制策略。采用电流双环控制下电网电压前馈控制策略的能量回馈控制系统具有以下特点:首先, 可保证系统具有较好的稳定性和快速性;其次, 提高了能量回馈控制系统的功率因数, 增大了系统的转换效率;再次, 针对电网电压的扰动干扰具有很好的抑制作用, 增强了系统的鲁棒性。

摘要：针对传统的能量回馈控制系统抗干扰能力差、输出电流谐波含量大、回馈效率较低的问题, 在电流单环控制的基础上提出了基于电网电压前馈的输出电流双环控制策略, 并进行了基于MATLAB平台的仿真。仿真结果证明了基于电网电压前馈的电流双环控制策略的可行性和优越性, 有一定的实用性和推广价值。

关键词：能量回馈,LCL滤波器,有源逆变,谐波抑制,电压前馈

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