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尹忠東<BR> 電力系統(tǒng)保護(hù)與動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院北京102206</P><P> Research on Ride-Through for Super Capacitor Energy Storage Based ASD System<BR> Yin Zhongdong<BR> Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control, Ministry of Education, School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Beijing P.R.China 102206</P><P> 摘要：論文提出了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的變頻調(diào)速裝置（ASD-Adjustable Speed Drive）抵御電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)（ride-through）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(jiǎn)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。研制了具有抵御電能質(zhì)量擾動(dòng)的15kVA ASD實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)。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。</P><P> 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速裝置，電能質(zhì)量，擾動(dòng)，超級(jí)電容儲(chǔ)能</P><P> 0. 引言<BR> 當(dāng)前電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)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-Adjustable Speed Drive）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(guò)程被中斷，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。<BR> 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(guò)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(guò)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?jī)?chǔ)能性能，單體的容量目前已經(jīng)做到萬(wàn)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(méi)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[1]。因而受到日本、美國(guó)、歐盟、俄羅斯等國(guó)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(kāi)發(fā)出了80kVA和50kVA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[2][3]。<BR> 目前國(guó)外對(duì)ASD ride-through的研究開(kāi)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[4][5][6]，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?jī)r(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(guó)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(guó)內(nèi)研究、生產(chǎn)部門足夠的重視，在該領(lǐng)域開(kāi)展研究有重要的理論及應(yīng)用意義。<BR> 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(guò)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。</P><P> 1. 主電路結(jié)構(gòu)<BR> 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(wèn)題的完全免疫以及對(duì)系統(tǒng)故障的零延時(shí)響應(yīng)。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200612138392365939.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200612138392365939.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 圖中，SC為超級(jí)電容（Super Capacitor），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/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12k1，數(shù)值小、次數(shù)高，因此在無(wú)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)電容及輸出濾波器的中點(diǎn)，利用整流電路鉗位平波電容電壓可以方便實(shí)現(xiàn)上、下電容均壓目的。<BR> 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)載而已，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。</P><P> 2. 原理及控制策略<BR> 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(guò)放電二極管連接到直流母線上。開(kāi)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。<BR> 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(jiǎn)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(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。</P><P> 3. 儲(chǔ)能配置<BR> 超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量表示為：<BR> （1）<BR> 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：<BR> （2）<BR> 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。</P><P> 4. 仿真與實(shí)驗(yàn)<BR> 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5000F。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。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200612138395774860.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200612138395774860.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 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）<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200612138403737876.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200612138403737876.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 可見(jiàn)在系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)斷電情況下，ASD仍然能夠通過(guò)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(wèn)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。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200612138432979949.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200612138432979949.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 5. 結(jié)語(yǔ)<BR> 論文提出了基于超級(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(jiǎn)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。</P><P> 參考文獻(xiàn)<BR> [1]朱磊，吳伯榮，陳暉等，超級(jí)電容器研究及其應(yīng)用[J]，稀有金屬，2003.5. Zhu Lei, Wu Borong，Chen Hui et al, Research and Application of Super Capacitor[J], Rare Metals, 2003.5.<BR> [2]中道義信，小西武史等，直流電鉄き電回路への電気二重層キャパシタの適用[J]，明電時(shí)報(bào)，通卷287號(hào)，2002. No.6.<BR> [3]小川重明，杉本重幸等，電気二重層キャパシタ適用UPSの開(kāi)発[J]，明電時(shí)報(bào)，通卷292號(hào)，2003. No.5.<BR> [4]Von Jouanne, A., Enjeti, P.N., Banerjee, B., Assessment of ride-through alternatives for adjustable speed drives [J], IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 35, Issue: 4, July-Aug. 1999, Pages: 908 – 916<BR> [5]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[Ｍ]，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998. Wang Zhaoan, Yang Jun, Liu Jinjun, harmonics suppression and reactive power compensation[M], Beijing: China Machine Press (CMP), 1998.<BR> [6]Miller, J.M.; Smith, R., Ultra-capacitor assisted electric drives for transportation[C], Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC'03. IEEE International, Volume: 2 , Madison, WI, USA, 1-4 June 2003 , Pages:670 - 676 vol.2</P><P> 作者簡(jiǎn)介：<BR> 尹忠東（1968-），男，博士，副教授，從事電力電子、FACTS技術(shù)、電能質(zhì)量方向的教學(xué)、研究工作。Email：yzd@ncepubj.edu.cn<BR>
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