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0. 引言

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

    利用儲能系統(tǒng)抵御電能質(zhì)量擾動是目前最直接、最可靠的途徑，可以考慮的儲能設(shè)備有蓄電池、超導(dǎo)線圈、飛輪及電容器等。不過短時供電中斷及電壓暫降的持續(xù)時間很短，一般不超過幾秒數(shù)量級，但是出現(xiàn)的頻度較高。而在短時大功率應(yīng)用方面超級電容的非常明顯的優(yōu)越性。超級電容也稱為電化學(xué)電容，它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲能性能，單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級，是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件。超級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，因此可在短時間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，得到很高的放電比功率；同時，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[1]。因而受到日本、美國、歐盟、俄羅斯等國家的高度重視。目前，超級電容與各類動力電池配合使用組成的復(fù)合電池在電動汽車的領(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)動電源、短時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)[2][3]。

    目前國外對ASD ride-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δ茉芰康闹小⑿」β剩?～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。隨著超級電容設(shè)計技術(shù)不斷提高及單位容量價格的下降，利用超級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電容儲能的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)量擾動對ASD影響的正確性及有效性。

1. 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)時從儲能單元汲取電能，再由逆變單元供給電機(jī)負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)ASD逆變部分對電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量問題的完全免疫以及對系統(tǒng)故障的零延時響應(yīng)。

圖1. 配置超級電容的ASD主電路結(jié)構(gòu)圖

    圖中，SC為超級電容（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12k1，數(shù)值小、次數(shù)高，因此在無特殊要求場合，不用考慮設(shè)置濾波電路。另外，兩個整流器串聯(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。

    由于超級電容容量較大，一般為直流平波電容的幾百倍以上（根據(jù)儲能要求配置），因此若不采取措施，上電時會導(dǎo)致極大涌流，對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充電回路時間常數(shù)一般取十幾分鐘數(shù)量級。充電的SC相當(dāng)于在直流母線上增加一個負(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)計上可以大大減小平波電容Cd的容量。

2. 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)置了儲能系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)發(fā)生供電中斷及電壓暫降時，短時間內(nèi)向負(fù)荷提供有功功率。

    由于不需要檢測、計算電能質(zhì)量擾動、電網(wǎng)電壓同步等信號，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控制對逆變器開關(guān)器件控制信號進(jìn)行調(diào)制。

3. 儲能配置

    超級電容儲存的能量表示為：

    式中，PL為超級電容輸出的恒定有功功率，V1為超級電容初始端電壓，V2為維持正常工作的最低端電壓。由式（2）可知，當(dāng)超級電容釋放儲能的50％時，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維持供電時間（t）、故障初始時刻直流母線電壓（V1）、逆變器正常工作需要的最小直流母線電壓（V2）可以唯一確定超級電容的的容量值C。

4. 仿真與實(shí)驗(yàn)

    我們研制了15kVA如圖1所示的配置了超級電容儲能的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，超級電容容量取得較小，為5000F。圖2、圖3分別為系統(tǒng)發(fā)生短時供電中斷ASD運(yùn)行的仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2. 系統(tǒng)發(fā)生短時供電中斷時，ASD運(yùn)行的仿真結(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)生短時斷電情況下，ASD仍然能夠通過利用超級電容的儲能維持逆變器的正常工作，消除了短時供電中斷對逆變器的影響，極大提高了供電可靠性。當(dāng)然，對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ASD運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)波形。

圖4. 系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，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

5. 結(jié)語

    論文提出了基于超級電容儲能的ASD裝置抵御電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動的實(shí)用方案。ASD采用AC-DC-AC模式，輸入側(cè)采用12脈動不控整流結(jié)構(gòu)，一方面減小輸入諧波電流，同時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。超級電容模塊接在直流母線上，在系統(tǒng)發(fā)生短時供電中斷或電壓暫降時，由超級電容儲能供給負(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)量擾動對ASD影響的正確性及有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]朱磊，吳伯榮，陳暉等，超級電容器研究及其應(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.

[2]中道義信，小西武史等，直流