多電機共直流母線交流傳動節(jié)能系統(tǒng)結構研究

李繼方,湯天浩,姚剛

(1.上海海事大學 物流工程學院,上海 200135;2.開封大學 機電工程學院,河南 開封 475004)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,節(jié)能的途徑有很多,節(jié)電的潛力也很大。許多機電設備需要快速的減速或停止,像油田瞌頭機,脫水機,拉絲機,離心機,比例連動控制系統(tǒng)等,許多具有一定勢能的傳送對象需要勻速下降,像起重機、電梯,港口機械等,這些都會使電機運行在第2或第4象限,產(chǎn)生制動發(fā)電現(xiàn)象,通過回收和利用制動發(fā)電狀態(tài)電機所產(chǎn)生的再生電能,供其它電機使用來達到節(jié)能目的。為了回收和利用這一部分能量,通常采用多臺電機共用一條直流母線的結構[12]。為更好地實現(xiàn)節(jié)能,在多電機場合,本文在分析多電機共直流母線交流傳動系統(tǒng)節(jié)能原理的基礎上,根據(jù)直流母線上電機回饋電能總功率大于電機消耗電能總功率的處理方式不同,對多電機共直流母線交流傳動節(jié)能控制系統(tǒng)的結構進行分類,分析各種結構的性能,指明其應用場合。最后給出一種新的多電機共直流母線協(xié)調調度節(jié)能的結構,仿真結果驗證了該系統(tǒng)結構的可行性,與其它結構形式相比具有減小直流母線電壓波動、減少充放電次數(shù)、降低系統(tǒng)成本等優(yōu)點。為更好地開展用多電機共直流母線交流傳動節(jié)能系統(tǒng)的研究和應用提供基礎。

2 多電機共直流母線交流傳動節(jié)能系統(tǒng)

多電機共直流母線交流傳動系統(tǒng)的結構如圖1所示。其基本原理是:當系統(tǒng)中一臺或多臺電機處在制動發(fā)電狀態(tài)時,制動發(fā)電電機所產(chǎn)生的再生電能被回饋到共用的直流母線上,供其它處在耗能狀態(tài)的電機吸收,從而達到既節(jié)約電能又能處理回饋電能的效果[34]。

圖1 多電機共直流母線系統(tǒng)Fig.1 The common DC bus multi-moto r AC drive system

目前使用的多電機共直流母線交流傳動系統(tǒng)多是基于交-直-交變頻器的多電機共直流母線系統(tǒng)[56]。交-直-交變頻器可分解為整流器與逆變器2個部分,將每個變頻器的整流部分與逆變部分相連的直流端子都并聯(lián)在一起組成共直流母線系統(tǒng)。當系統(tǒng)中一臺或多臺電機處于制動發(fā)電狀態(tài)時,電機所再生的能量回饋到直流母線側,被其他電機以電動耗能的方式消耗吸收,當制動電機再生能量不能滿足耗能電機耗能時,再由電網(wǎng)供電,整流橋補充。目前這種共直流母線節(jié)能系統(tǒng)存在兩個問題。

1)交流變頻器的品牌、型號不同,整流器前端回路的結構形式、預充電回路的控制算法以及充電時間也不相同,當2個或2個以上的變頻器互聯(lián)時,必須進行細致的分析,采用恰當?shù)倪B接形式,才能達到共享節(jié)能的效果;如果連接不當,將會大大降低系統(tǒng)的可靠性,而且在變頻器預充電、電機電動、電機制動狀態(tài)時,不同變頻器之間還有相互反作用,造成設備的損壞[7]。特別是當互聯(lián)的變頻器數(shù)目增多時,整個系統(tǒng)分析就會變得復雜而冗長[8]。對于這一問題通常將變頻器分解為2個部分,即:整流器部分與逆變器部分,采用1臺功率較大整流裝置給多臺逆變裝置供電,組成多個逆變器并聯(lián)在一起的共直流母線系統(tǒng)。

2)由于處在制動發(fā)電狀態(tài),電機數(shù)目和再生電能的功率與處在耗能狀態(tài)電機數(shù)目和耗電功率不確定,當處在制動發(fā)電狀態(tài)電機再生電能功率大于處在耗能狀態(tài)電機耗電功率時,引起直流母線電壓升高,造成設備的無法正常運轉或損壞,必須采取有效控制措施,保證系統(tǒng)正常運行。

3 共直流母線節(jié)能系統(tǒng)結構

近年來,國內外學術界對多電機共直流母線交流傳動系統(tǒng)節(jié)能控制的研究已經(jīng)成為一個焦點,企業(yè)界對此也非常關注,但已出版文獻和研究成果還比較少,主要集中在共直流母線的結構形式上,根據(jù)制動狀態(tài)電機再生電能大于耗能狀態(tài),電機耗能時的處理方式不同,一般又分為共直流母線耗能節(jié)能、共直流母線饋能節(jié)能和共直流母線儲能節(jié)能3種結構形式。

3.1 耗能節(jié)能系統(tǒng)

系統(tǒng)運行時,為了避免處在制動發(fā)電狀態(tài)電機再生電能功率大于處在耗能狀態(tài)電機耗電功率時,直流母線電壓升高,造成設備無法正常運轉或損壞這一問題,通常在直流母線上,通過一個電子開關并聯(lián)功率電阻或其它耗能元件,系統(tǒng)結構如圖2所示。當直流母線電壓升高到一定值時,電子開關閉合消耗制動電機再生的電能,限制直流母線電壓升高,保證設備的正常運行[9]。該處理再生電能的方法是一種最直接、也是最簡單有效的方法。文獻[10]采用耗能電阻組成了2臺電梯共直流母線的節(jié)能系統(tǒng)。電梯在運行過程中,電梯的一個上下行運行周期,有一半時間電機處于制動狀態(tài),有一半時間處于耗電狀態(tài),傳統(tǒng)處理方法是將這部分電能由制動電阻白白消耗掉,該文獻提出了2臺或多臺電梯共用直流母線的節(jié)能形式,只有當多個電梯同時下降,再生電能不能被上升電梯電機完全吸收時,再將再生能量通過耗能自動控制電路消耗在電阻上,轉化為熱能;文獻[11]也采用了類似的結構。系統(tǒng)運行安全可靠,安裝方便;該結構雖然實現(xiàn)了節(jié)能,但節(jié)能效率不高。

圖2 共直流母線電阻耗能系統(tǒng)Fig.2 Common DC bus resistors consuming energy system

3.2 饋能節(jié)能系統(tǒng)

在多電機共直流母線節(jié)能系統(tǒng)中,當處在制動發(fā)電狀態(tài)電機再生電能功率大于處在耗電狀態(tài)電機耗電功率時,為了避免直流母線電壓升高,采用有源逆變技術,將再生能量直接回饋交流電網(wǎng),即將再生電能逆變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同相位同頻率的交流電回送電網(wǎng),從而實現(xiàn)節(jié)能,系統(tǒng)結構如圖3所示。文獻[12]介紹了饋能節(jié)能結構的共直流母線系統(tǒng)的設計方法以及在一些鋼廠的應用;文獻[13]介紹了饋能節(jié)能結構的共直流母線系統(tǒng)在造紙機系統(tǒng)中的應用。當系統(tǒng)或系統(tǒng)中的部分傳動電機處在制動狀態(tài)時,電能通過共用的直流母線流動供其它電機使用;當再生電能大于耗電電能時,通過回饋裝置直接回饋給電網(wǎng),達到節(jié)能、提高設備運行可靠性和減少設備維護量等目的。但是該饋能節(jié)能結構的共直流母線系統(tǒng),只能用在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)電壓波動不大于10%),在電機制動運行時,電網(wǎng)電壓故障時間大于10 ms,則可能發(fā)生換相失敗,損壞器件;在回饋電網(wǎng)時,對電網(wǎng)有諧波污染;控制復雜,成本較高。目前該種將再生電能直接回饋電網(wǎng)、而特別設計的4象限運行變頻器已由世界知名的電氣公司研制并生產(chǎn),產(chǎn)品已用于工業(yè)生產(chǎn)(例如ABB公司的ACS611型變頻器)。但變頻器價格昂貴,除國內少數(shù)軋鋼廠以外很少有應用[14]。對于動態(tài)響應,文獻[15]在分析直流母線SPDMR的主回路和控制回路工作原理,晶閘管全控橋如何保證網(wǎng)側功率因數(shù)的基礎上,對能量回饋部分采用帶電壓前饋和電流前饋的雙閉環(huán)系統(tǒng),提高系統(tǒng)動態(tài)響應。

圖3 共直流母線饋能節(jié)能系統(tǒng)Fig.3 Common DC bus feedback energy sy stem

3.3 儲能節(jié)能系統(tǒng)

在多電機共直流母線節(jié)能系統(tǒng)中,為了避免直流母線電壓升高,一些學者提出將不能被耗能狀態(tài)電機完全吸收的再生能量存儲起來,系統(tǒng)需要時再回送直流母線。與饋能節(jié)能不同的是,儲能節(jié)能不是將不能完全消耗的再生能量回饋電網(wǎng),而是通過儲能裝置(蓄電池,超級電容、超導儲能等設備)儲存起來,系統(tǒng)結構如圖4所示。其儲能部分一般采用如圖5所示的雙向DC-DC變換器來控制,通過檢測直流母線電壓,預先設定充放電電壓閥值,采用基于“能量法”的控制策略實現(xiàn)能量的雙向流動,完成能量儲存與釋放。目前這種節(jié)能結構的系統(tǒng)還沒有投入實用的報導,仍處在研究階段,但已成為國內外學者研究的熱點。文獻[16]構造了基于共直流電壓母線級聯(lián)型超導儲能系統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復器,根據(jù)該裝置直流母線電壓可控的特點,提出了基于直流母線電壓控制的最小能量控制方案。該方案通過控制直流母線電壓的幅值,實現(xiàn)了有功功率從電網(wǎng)經(jīng)12脈波二極管整流器到直流母線電壓的可控傳輸,減少了對斬波器輸出有功功率的需求,降低了超導磁體的儲能量,延長了電壓暫降的補償時間。文獻[17]利用超級電容作為中間儲能設備,對電機制動時的再生電能進行回收,對制動主回路進行了選擇設計;對所選的雙向DC-DC變換器建立了小信號模型;根據(jù)建立的模型,結合具體的性能指標,對其控制參數(shù)進行了整定;并在Matlab/Simulink中對其進行了仿真。這種系統(tǒng)結構的最大特點是,需要一個足夠大的電能儲存裝置,成本較高,隨著系統(tǒng)容量的增大,這一特點愈加明顯,因此該結構適用于系統(tǒng)需要儲能較小的場合。

圖4 共直流母線儲能節(jié)能系統(tǒng)Fig.4 Common DC bus storing energy system

圖5 蓄電池或超級電容充、放電電路Fig.5 Charging and discharging circuit of super capacitor or battery

4 多電機共直流母線協(xié)調調度節(jié)能結構

前面幾種結構形式,不論是饋能方式還是儲能方式,能量在存儲或回饋過程中都產(chǎn)生能量損耗,降低節(jié)能效果。產(chǎn)生能量存儲或回饋的原因是耗能狀態(tài)電機不能完全吸收制動狀態(tài)電機再生的電能。由能量守恒可知,任何一個多電機系統(tǒng)都是一個耗能系統(tǒng),出現(xiàn)耗能狀態(tài)電機不能完全吸收制動狀態(tài)電機再生電能的現(xiàn)象,是因為系統(tǒng)中電機處在各個狀態(tài)的分布不均勻,出現(xiàn)多臺電機同時耗能,多臺電機同時饋能的現(xiàn)象,造成系統(tǒng)對電能的需求也不均勻,有時需要從電網(wǎng)吸收較大能量,而有時又要回饋能量到電網(wǎng)。因此文章提出一種通過協(xié)調調度多臺電機工作狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)能的結構,如圖6所示。

圖6 多電機調度協(xié)調、儲能節(jié)能結構Fig.6 T he multi-motor scheduling and coordinating energy-saving system

通過協(xié)調調度電機工作狀態(tài),使系統(tǒng)中處在耗能狀態(tài)的電機數(shù)和處在發(fā)電狀態(tài)的電機數(shù)接近相等,或者使所有處在耗能狀態(tài)電機的耗電總功率一直大于處在制動狀態(tài)電機回饋電能總功率,此時系統(tǒng)一直工作在耗能狀態(tài),不需要饋能或儲能。在構造系統(tǒng)時仍保留一套儲能裝置作為冗余,但儲能裝置的容量要比儲能節(jié)能系統(tǒng)中的容量小得多,儲能裝置容量的大小完全取決于多電機協(xié)調調度算法,通過研究優(yōu)秀的多電機協(xié)調調度算法,使系統(tǒng)一直處于耗能狀態(tài),而不需要饋能或儲能,這時節(jié)能效果最好,儲能裝置完全可以略去。

該節(jié)能系統(tǒng)可通過在儲能節(jié)能系統(tǒng)中增加電機協(xié)調調度控制器(見圖6),通過協(xié)調調度控制器協(xié)調調度電機工作狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)能。但工況不同,電機工作的狀態(tài)數(shù)不同,可協(xié)調調度的電機狀態(tài)也不相同。對于起重機系統(tǒng),起重電機一般工作在耗能(從直流母線上吸收功率)、待饋(等待回饋能量到直流母線)、饋能(回饋能量到直流母線)、待耗(等待從直流母線上吸收電能)4種狀態(tài),如圖7所示。在其作業(yè)過程的4個狀態(tài)中,有2個環(huán)節(jié)可實現(xiàn)電機狀態(tài)的協(xié)調調度:1)電機處在待耗狀態(tài),等待耗能狀態(tài)活動發(fā)生時,通過可適當延長待耗時間,推遲電機耗能狀態(tài)活動的發(fā)生實現(xiàn)調度;2)電機處在待饋狀態(tài),等待饋能狀態(tài)發(fā)生時,通過適當延長待饋時間,推遲進入饋電狀態(tài)的時間實現(xiàn)調度。

圖7 電機運行狀態(tài)Fig.7 The moto r running state

對軌道交通系統(tǒng),牽引電機一般工作在耗能、饋能、等待3個狀態(tài),可通過改變耗能狀態(tài)、等待狀態(tài)的持續(xù)時間實現(xiàn)調度。而油田瞌頭機一般只工作在耗能、饋能2個狀態(tài),由于系統(tǒng)對電機運行狀態(tài)的實時性要求不強,而周期性較強,該工況電機工作狀態(tài)較容易協(xié)調調度,其效果也較好。

5 仿真分析

以多起重機系統(tǒng)的多電機共直流母線為背景研究節(jié)能系統(tǒng)結構的可行性。

設系統(tǒng)中有20臺電機,電機在4個狀態(tài)下的運行時間是TM1,TM2,TM3,TM4,實地考查發(fā)現(xiàn),起重電機在4個狀態(tài)的運行時間和提升重物的質量不是常量,僅符合一定統(tǒng)計規(guī)律。為使仿真更接近真實工況,取電機在某一狀態(tài)下的運行時間TMi=TMi1+TMi2,這里 TMi1是電機在這一狀態(tài)下運行的基本時間,TMi2是電機在這一狀態(tài)下運行的正態(tài)分布時間。TMi2的取值服從分布密度函數(shù):

設電網(wǎng)參數(shù)為:u=380sin(ω t),L=0.5 mH,r=0.05 Ω,C=3.3 mF。系統(tǒng)參數(shù)為:系統(tǒng)機械傳動效率ηm=62%,變頻器傳動效率 ηc=98%。每次提升重物的質量也服從正態(tài)分布,取物體重量m的基本值m1=15×103kg,隨機數(shù)的平均值m2σ=5×103kg,隨機數(shù)的方差 m2μ=5 ×103kg。20臺電機時直流母線的功率和電壓波形的仿真結果如圖8所示。

圖8 直流母線的功率和電壓波形Fig.8 The power and voltage waves forms for the DC bus

從圖8可以看出,直流母線的瞬時功率和瞬時電壓波動較大,特別是系統(tǒng)剛啟動時,系統(tǒng)直流母線電壓迅速上升,不采取有效的控制措施,必然造成設備損壞,使系統(tǒng)無法正常運行;隨著運行時間增長,電機處在各狀態(tài)分布的隨機性增強,直流母線功率的波動幅度明顯減小,直流母線電壓的波動幅度也明顯減小,有時會在系統(tǒng)正常工作允許變化的范圍內,即此時不采取控制措施系統(tǒng)也能正常工作,仿真結果局部放大圖如圖9所示。

圖9 直流母線功率和電壓波形(不需要狀態(tài)控制)Fig.9 The power and voltage waves forms for the DC bus(no control)

通過設置仿真程序,使電機幾乎均態(tài)地分布在各個狀態(tài),直流母線的功率與電壓波形如圖10所示?？梢钥闯鲋绷髂妇€的功率波動較小,直流母線電壓波動也較小,在系統(tǒng)正常工作允許范圍內波動,此時系統(tǒng)既不儲能,也不釋放電能,大大減少了對儲能器件的充放電次數(shù),延長了設備的使用壽命,減小了儲能設備的容量,降低了系統(tǒng)成本,提高了系統(tǒng)性能。同時也提高了節(jié)能效果,但不同工況節(jié)能效果不同,與電阻耗能相比提高2%～10%,與饋能或儲能節(jié)能相比提高1%～3%。驗證了多電機共直流母線協(xié)調調度節(jié)能結構的可行性。

圖10 電機均勻分布時直流母線功率和電壓波形Fig.10 The power and voltage waves forms in the motor uniform distribution

6 結論

在多電機的場合,為了更好地實現(xiàn)節(jié)能,本文分析了多電機共直流母線交流傳動系統(tǒng)節(jié)能的原理,根據(jù)耗能狀態(tài)電機不能完全吸收制動狀態(tài)電機再生電能的處理方式的不同,對多電機共直流母線交流傳動節(jié)能系統(tǒng)的結構進行分類,分析每種系統(tǒng)結構的性能,提出各自應用場合。最后給出一種新的由不可控整流器與儲能裝置共同組成的多電機共直流母線交流傳動節(jié)能系統(tǒng)結構,仿真結果顯示了該系統(tǒng)結構的可行性,具有減小直流母線電壓波動、減少充放電次數(shù)、降低系統(tǒng)成本等優(yōu)點。

[1]錢照明,張軍明,呂征宇.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰(zhàn)與機遇[J].電工技術學報,2004,19(8):10-22.

[2]陳偉華,李秀英,姚鵬.電機及其系統(tǒng)節(jié)能技術發(fā)展綜述[J].電機與控制應用,2008,35(10):1-6.

[3]Botan C,Horga V,Ostafi F,et al.General Aspects of the Electrical Drive Systems Optimal Control[C]∥Power Electronics and Applications,2007 European Conference on,2007:1-10.

[4]Botan C,Onea A,Ostafi F.Optimal Adaptive Control of an Electrical Drive System[C]∥Signals,Circuits and Sy stems,ISSCS 2007,International Symposium on,2007,7:1-4.

[5]Li J,T ang T,Wang T,et al Modeling and Simulation for Common DC Bus Multi-motor Drive Systems Based on Activity Cycle Diag rams[C]∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2010:250-255.

[6]Carlos A Martins,Adriano S Carvalho.Technological Trends in Induction Motor Electrical Drives[C]∥Power Tech Proceedings,2001 IEEE Porto,2001,2:7.

[7]Wijenayake A H,Gilmore T,Lukaszewski R,et al.Modeling and Analysis of Shared/Common DC Bus Operation of AC Drives[C]∥Industry Applications Conference,1997.Thirty-Second IAS Annual Meeting,IAS 1997,Conference Record of the 1997,IEEE,1997,1:599-604.

[8]李方圓.通用變頻器共用直流母線方案的設計與應用[J].電工技術雜志,2004(6):32-34.

[9]陳偉華,李秀英,姚鵬.電機及其系統(tǒng)節(jié)能技術發(fā)展綜述(續(xù))[J].電機與控制應用,2008,35(11):1-6.

[10]黃柏成.共用直流母線的電梯節(jié)能控制系統(tǒng)[J].建筑電氣,2007,26(7):8-10.

[11]邢臺,譚雪開,趙計山.花土溝油田共用直流母線節(jié)電系統(tǒng)應用[J].石油工程建設,2007,33(6):66-71.

[12]王萬新.公共直流母線在交流傳動中的應用[J].電氣傳動,2002,32(5):57-58.

[13]李方園.共直流母線在造紙變頻傳動控制中的研究與應用[J].電氣傳動,2008,38(3):25-30.

[14]潘芝渭.艾默生共直流母線交流變頻調速系統(tǒng)在臥螺離心機中的應用[J].電機與控制應用,2007,34(1):39-41.

[15]俞宏亮,顧春雷,王建中.共用直流母線SPDMR的設計原理及應用[J].電氣傳動,2009,39(1):71-73.

[16]郭文勇,張志豐,肖立業(yè).基于共直流電壓母線級聯(lián)型超導儲能系統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復器最小能量控制[J].電網(wǎng)技術,2009,33(5):69-74.

[17]陳國平.節(jié)能型電機制動系統(tǒng)研究[D].上海:東華大學,2007.