超級電容儲能型直流支撐裝置的研制及其在薄膜行業(yè)的應用

摘 要：

針對薄膜行業(yè)對電壓暫降治理裝置的需求，研制了超級電容儲能型直流支撐裝置。介紹超級電容儲能型直流支撐裝置的工作原理，以及主電路和控制系統(tǒng)設計，給出了試驗波形。通過測試和現(xiàn)場應用，裝置很好地解決了困擾薄膜企業(yè)的電壓暫降導致設備停機的問題，滿足薄膜行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：

直流支撐; 超級電容; 電壓暫降; 薄膜

中圖分類號： TM46

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）11-0086-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.011

Development of DC Support Device with Super Capacitor Energy Storage and its Application in Film Industry

ZHANG Jindou， CHI Enxian， SHEN Zhiguang， CAO Licheng， ZHANG Xingguang

（Shandong Hoteam Technologies Co.，Ltd.， Jinan 250101， China）

Abstract：

In response to the demand for voltage sag mitigation devices in the film industry，a super capacitor energy storage DC support device is developed.The working principle of the super capacitor energy storage DC support device is introduced，and the design of the main circuit and control system is described in detail.The test waveform is also provided.Through test data and field application results，the problem of equipment downtime caused by sag in film enterprises has been well solved，which meet the requirements of continuous production in the film industry.

Key words：

DC support; super capacitor; voltage sag; thin film

0 引 言

隨著光伏、風電等高比例新能源大量接入電網(wǎng)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，電力系統(tǒng)的抗擾動能力大幅度下降，電能質(zhì)量問題愈發(fā)嚴重［1］。目前，電壓暫降問題已成為世界供電可靠性問題中的主要電能質(zhì)量問題，據(jù)美國電力研究院（EPRI）報道，92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降和暫升［2］。我國海南省對電壓暫降進行了統(tǒng)計［3］，結(jié)果5個城市的17個變電站共記錄2 786條暫降，其中具有危害性的電壓暫降約占電壓暫降總數(shù)的10%，平均每個變電站記錄到17次危害性電壓暫降。

在半導體、汽車、制藥、石油、化工、軍工、醫(yī)療、紡織、光纖、造紙等需要連續(xù)生產(chǎn)的行業(yè)，電壓暫降問題會導致敏感設備宕機，從而影響整條生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失［4］，甚至會引起安全事故。電壓暫降有很多危害，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1） 暫降會造成電壓降低，運行的電機在保證相同出力的條件下，電流隨之增大，容易引起電機繞組過熱，空氣開關(guān)、接觸器觸頭發(fā)熱等，從而引發(fā)設備故障。

（2） 變頻器一般都具有過壓、失壓和瞬間停電的保護功能，當應用變頻器的場合發(fā)生電壓暫降時，變頻器會由于低電壓保護動作而停機。

（3） 電壓暫降發(fā)生時，由于電壓的降低，接觸器線圈對鐵心的吸力會小于釋放彈簧的彈力，進而導致接觸器釋放，造成大量電動機停機，嚴重威脅裝置安全生產(chǎn)。

（4） 現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)裝置的規(guī)模越來越大，電壓暫降持續(xù)時間雖然比較短，但對生產(chǎn)的影響卻十分巨大。瞬間的電壓波動將造成大量電動機跳閘，設備停機。電網(wǎng)電壓恢復后，電機不能自行恢復運行，導致連續(xù)生產(chǎn)過程紊亂，并有可能造成生產(chǎn)及設備事故。對于大型裝置來說，如果人工進行恢復，花費的時間比較長，而對于一些無人值守的裝置，恢復的時間就更長。對于連續(xù)生產(chǎn)、輸送裝置來說，電壓暫降產(chǎn)生的安全事件、產(chǎn)量降低、效益低下等一系列損失是非常巨大的。

截至目前，電壓暫降檢測技術(shù)［5-10］、治理裝置及控制技術(shù)受到越來越多的關(guān)注和研究［11-12］，直流支撐裝置已經(jīng)在制氫工業(yè)［13］、石油石化［14］、發(fā)電行業(yè)［15］得到了大量應用。

1 雙向拉伸聚酯薄膜生產(chǎn)工藝介紹

雙向拉伸聚酯薄膜（BOPET）薄膜生產(chǎn)線采用大量變頻器連續(xù)調(diào)速以滿足工藝要求［16］，且其生產(chǎn)工藝的各個流程均需要變頻器的參與。變頻調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。變頻調(diào)速系統(tǒng)由整流器、直流母線、濾波電容C和逆變器組成，整個系統(tǒng)的直流供電由1個整流器提供，逆變器的直流母線接線采用共直流母線的方式，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動交流電機。

與傳統(tǒng)單機方案相比，共直流母線方案具有吸收回饋能量、節(jié)能降耗，減小設備配線開關(guān)和柜內(nèi)開關(guān)的優(yōu)點;其缺點是當電力系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，由于系統(tǒng)耗能大，直流母線下降快，很容易觸發(fā)變頻器低電壓報警。

由于薄膜生產(chǎn)具有連續(xù)性的特點，需要進行縱向拉伸（MDO）、橫向拉伸（TDO）、收卷分切等工藝，對變頻器的工作精度和可靠性要求相當高。當電壓暫降發(fā)生時，生產(chǎn)線上變頻器的交流供電電壓跌落，導致直流母線電壓下降，引起變頻調(diào)速系統(tǒng)跳閘宕機，將造成生產(chǎn)中斷，甚至整卷薄膜報廢，給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。以某光學薄膜廠為例，一次電壓暫降造成了15萬元的損失。因此，對薄膜行業(yè)電壓暫降治理顯得尤為重要。

針對具有共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以采用加裝補償裝置的方式抑制電壓暫降，一般采用不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（AVC）或動態(tài)電壓恢復器（DVR）等補償裝置。其中，AVC和DVR都是通過對交流系統(tǒng)進行電壓補償來抑制電壓暫降，串聯(lián)在電網(wǎng)和負載之間，其控制復雜、設備造價成本較高;由于UPS放電電流小、充電時間長，故其性價比較低。本文研究的超級電容儲能型直流支撐裝置可以彌補以上各種補償裝置的不足。

2 裝置方案設計

2.1 工作原理

直流支撐裝置接入變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖2所示。當輸入變頻器的交流市電發(fā)生電壓暫降或停電時，由直流支撐裝置進行直流供電;待交流市電恢復正常后，變頻器的供電電源主動切換到交流市電供電，從而保證在整個市電發(fā)生暫降或停電過程中，變頻器不跳停，進而保證負載安全可靠工作。

直流支撐裝置的工作運行模式［17］可分為2種。

運行模式1：正常情況下，市電先經(jīng)過交流配電系統(tǒng)，再經(jīng)過變頻器后驅(qū)動電機正常運行;直流支撐裝置與變頻器的直流母線并聯(lián)，作為變頻器的直流在線備用電源。

運行模式2：當輸入變頻器的交流市電發(fā)生電壓暫降或停電時，變頻器的直流供電由直流支撐裝置零切換至超級電容儲能系統(tǒng)提供;待交流市電恢復正常后，變頻器的供電主動切換到交流市電供電，直流支撐裝置進入充電在線備份狀態(tài)，從而保證在整個市電發(fā)生電壓暫降或停電過程中，變頻器不跳停，進而保證負載安全可靠工作。

2.2 主電路結(jié)構(gòu)設計

如圖2，直流支撐裝置主要由輸入/輸出斷路器、熔斷器、AC/DC充電單元、超級電容、DC/DC單元、控制系統(tǒng)和監(jiān)測單元等組成，與用戶的變頻器直流母線并聯(lián)。為獲得更高性能和更小尺寸，儲能器件使用超級電容作為儲能介質(zhì)。超級電容具有電容密度和能量密度高、充放電快、壽命長、成本低等優(yōu)點，較大地提升系統(tǒng)功率密度。

直流支撐裝置的AC/DC充電單元采用模塊化設計，每套裝置的充電單元采用N+1冗余設計，即根據(jù)裝置的容量，每套裝置安裝的充電單元個數(shù)≥2個。以安裝2個充電單元為例，2個單元互為備份，當其中一個單元故障時，另一個單元仍正常運行，直至2個單元均故障無法運行時，主控制器報故障停機，從而提高充電回路的容錯性能和整機的可靠性。AC/DC充電單元的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。主電路采用基于碳化硅開關(guān)器件的三電平拓撲設計，其由于具有高電壓、低損耗、高開關(guān)頻率的特點，可簡化主電路拓撲結(jié)構(gòu)，減少器件數(shù)量，能有效降低損耗，提高產(chǎn)品功率密度、響應速度和可靠性。

整個充電單元由緩沖電路、濾波電路（L1、L2、L3、C）、整流/逆變電路和防逆反電路（VD1、VD2）組成。裝置首次上電時，交流電源通過緩沖電路中的電阻R1、R2和濾波電路給整流/逆變電路的直流電容充電，待充電結(jié)束后，KM閉合，完成并網(wǎng)。整流/逆變電路根據(jù)主控制器的指令來執(zhí)行是否進行脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流，經(jīng)過防逆反電路給超級電容進行充電;其中防逆反電路的作用是阻隔超級電容的過電壓對充電單元造成損害。

直流支撐裝置的DC/DC單元采用模塊化設計，每套裝置由N+1個單元組成（N≥1），單元之間互為冗余，當某個單元發(fā)生故障時，其他單元正常工作，直至最后1個DC/DC單元故障，主控制器報DC/DC單元故障停機，其中當某一個單元故障時，主控制器僅報警提示。

DC/DC單元的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。DC/DC單元電路由充電電路（KM1、KM2、CR1）、電感（L1、L2、L3）、逆變電路（VT1～VT6）、防逆流電路（VD1、VD2）和單元控制器組成，其中逆變主電路

采用3個半橋臂交錯的Buck/Boost型雙向變換器設計，通過功率變換將超級電容的能量輸送至直流母線，并穩(wěn)定直流母線電壓。DC/DC單元的工作模式主要為Buck模式和Boost模式。本設計由于采用獨立的充電單元，其主要工作在Boost模式，用于升高輸出電壓，將超級電容電壓升至變頻器正常工作電壓范圍，同時將超級電容的能量供變頻器使用。

3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)是直流支撐裝置的核心和實現(xiàn)其各種功能的關(guān)鍵，必須滿足控制速度快、檢測精度高、便于實現(xiàn)系統(tǒng)功能等要求。

整個裝置的控制策略［18］主要包括DI/DO邏輯控制、超級電容充電控制和超級電容放電控制，以及保護控制。

3.1 超級電容充電控制

超級電容的充電控制由AC/DC充電單元完成。充電單元采用插拔技術(shù)設計，在待機狀態(tài)下將充電單元接入或拔出系統(tǒng)，不會引起系統(tǒng)輸出電壓的擾動。

不同充電單元之間采用自動均流技術(shù)，不平衡度lt;±0.5 A;同時充電單元具有輸入限功率控制和輸出恒功率控制。充電單元的輸入限功率控制可以確保充電單元從電源獲取的能量不超過電源的供電能力，同時通過設定合理的輸入限功率，可以確保充電單元為超級電容提供穩(wěn)定的能量，從而保持較快的充電速度;充電單元的輸出恒功率控制通過控制充電電流和充電電壓，防止超級電容過充和過放，從而保護電容的健康狀態(tài)，不僅使充電單元在整個充電過程中都能以較高的效率進行充電，減少了充電時間，同時在恒功率充電模式下，充電單元能夠自動調(diào)節(jié)輸出電流和電壓，以保持恒定的輸出功率，這使得充電過程更加穩(wěn)定，減少了充電電流和電壓波動可能導致的安全隱患。

以30 kW充電單元為例，輸出功率與三相輸入電壓關(guān)系曲線如圖5所示。當輸入電壓在320～530 V/AC時（回差lt;5 V），模塊可以輸出最大功率30 kW;當輸入電壓在 260～320 V/AC時，模塊仍能正常工作，但是處于限功率模式。輸入額定電壓時，輸出電壓與輸出電流關(guān)系曲線如圖6所示。

3.2 超級電容放電控制

當直流母線電壓發(fā)生暫降時，超級電容通過DC/DC單元在Boost模式下放電，向直流母線釋放能量。

DC/DC單元的系統(tǒng)控制過程具有非線性，加上運算參數(shù)的誤差及在整個系統(tǒng)中存在的漂移及偏移等因素，因此要得到所要求的控制精度和響應速度，必須進行閉環(huán)控制。

DC/DC單元的閉環(huán)控制原理如圖7所示。其控制策略采用基于功率前饋+電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)的控制方法。圖7中，U0_ref為輸出直流電壓參考值;U0為實際輸出直流電壓;I0為DC/DC單元的輸出電流;Ui為實際輸入直流電壓;I1、I2、I3分別為每個橋臂的輸出電流。其中，

電流閉環(huán)控制有利于提高輸出電流的控制精度和響應速度;電壓閉環(huán)控制保障逆變器輸出電壓的精度;功率前饋控制用來減小負載功率突變對逆變器穩(wěn)定運行的影響，防止直流母線電壓的跳變。

4 現(xiàn)場應用及效果

某BOPET薄膜生產(chǎn)企業(yè)每年電壓暫降頻次達20次，每次電壓暫降導致變頻器停機，造成的經(jīng)濟損失達十幾萬元?，F(xiàn)場電壓的暫降事件如圖8所示。暫降持續(xù)時間為0.64 s，暫降幅度最大值28.25 V。

應企業(yè)要求，將直流支撐裝置接入縱拉機直流母線。

現(xiàn)場模擬交流電網(wǎng)電壓暫降測試波形如圖9所示。通過模擬交流電網(wǎng)電壓失電，測試直流支撐裝置能否可靠運行以及支撐持續(xù)時間。由圖9可知，T1時刻交流電壓暫降后，變頻器直流母線電壓維持不變，由于失去交流電壓，充電單元無法工作，超容電壓持續(xù)下降，直到T2時刻，超容電壓跌到設備無法正常工作，DC/DC單元停止工作，支撐持續(xù)時間38 s;DC/DC單元輸出的直流電壓較平穩(wěn)，實測值控制精度可達0.5%，供電切換響

應時間＜5 ms，能有效抑制電壓暫降引起的直流母線電壓降低，穩(wěn)定直流母線。

直流支撐裝置測試的電壓暫降記錄波形如圖10所示。由圖10可知，交流電壓發(fā)生B相電壓跌落，跌落后B相電壓幅值幾乎為0，跌落持續(xù)時間為97.63 ms。

直流支撐裝置動作次數(shù)事件記錄如圖11所示。由圖11可知，直流支撐裝置自運行以來，現(xiàn)場發(fā)生電壓暫降次數(shù)有18次，電壓暫降類型以三相電壓暫降為主，并有少數(shù)的單相電壓暫降，根據(jù)記錄結(jié)果來看，直流支撐裝置在交流電壓發(fā)生暫降時，均能有效地保護用電設備不因為電壓暫降而跳停。

直流支撐裝置動作次數(shù)及電壓暫降事件記錄如表1所示。由表1可知，直流支撐裝置為生產(chǎn)連續(xù)運行提供了供電保障，并且每年可為用戶減少經(jīng)濟損失幾十萬元。

5 結(jié) 語

從超級電容儲能型直流支撐裝置現(xiàn)場運行和使用情況來看，直流支撐裝置能夠主動有效地保護用電設備，證明了裝置的有效性。直流支撐裝置在運行期間可靠穩(wěn)定，為薄膜生產(chǎn)裝置的長周期運行提供可靠保證，證明了裝置的可靠性。同時，項目的成功實施為公司電壓暫降治理提供寶貴的經(jīng)驗及借鑒，積累了相關(guān)技術(shù)儲備，為其他生產(chǎn)區(qū)、具有連續(xù)運行的工藝生產(chǎn)等有電壓暫降治理需求的企業(yè)提供可實施的解決方案。

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收稿日期： 2024-07-10

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遲恩先（1969—），男，高級工程師，主要從事電力電子技術(shù)、電能質(zhì)量治理、新能源研究工作。

申志廣（1992—），男，工程師，主要從事電力電子、電氣化鐵路儲能研究工作。