变频调速装置抵御电能质量扰动分析

        0 引 言
        当前电能质量问题越来越受到人们重视，其中短时供电中断和电压暂降对变频调速系统（ASD-Adjustable Speed Drive）的危害很大，持续时间20ms，深度10%的电压暂降就可能造成ASD保护系统动作，使得连续生产过程被中断，导致重大经济损失。
        利用储能系统抵御电能质量扰动是目前最直接、最可靠的途径控制工程网版权所有，可以考虑的储能设备有蓄电池、超导线圈、飞轮及电容器等。不过短时供电中断及电压暂降的持续时间很短，一般不超过几秒数量级，但是出现的频度较高。而在短时大功率应用方面超级电容的非常明显的优越性。超级电容也称为电化学电容，它具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能，单体的容量目前已经做到万法拉级，是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件。超级电容最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速

度控制，因此可在短时间内进行电荷转移，得到很高的放电比功率；同时，由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化，因此它具有很好的循环寿命。因而受到日本、美国、欧盟、俄罗斯等国家的高度重视。目前，超级电容与各类动力电池配合使用组成的复合电池在电动汽车的领域已经进入实用化阶段CONTROL ENGINEERING China版权所有，日本在电气机车驱动电源、短时UPS等应用方向进行了研究，分别开发出了80kVA和50kVA实验样机。
        目前国外对ASD ride-through的研究开展得很热烈，一些文献介绍了采用不同DC/DC变换拓扑提取储能元件能量的中、小功率（3～5kW）实验样机的研究情况[4][5][6]，但很难实现较大容量。随着超级电容设计技术不断提高及单位容量价格的下降，利用超级电容直接支撑直流母线电压构成超大容量ASD装置已经成为可能。在能源结构必须调整的背景下，我国的ASD市场极大，特别是高压大容量的变频调速装置，而ASD抵御电能质量扰动领域的研究尚未引起国内研究、生产部门足够的重视，在该领域开展研究有重要的理论及应用意义。
        本文提出了一种非常实用、易于大容量化的基于超级电容储能的ASD结构www.cechina.cn，通过仿真及实验研究验证了所提拓扑结构和控制策略消除电能质量扰动对ASD影响的正确性及有效性。
        1 主电路结构
        ASD主电路采用如图1所示的AC-DC-AC模式，储能元件直接连接到DC母线上。在系统电压质量低于设定标准时从储能单元汲取电能，再由逆变单元供给电机负荷，以实现ASD逆变部分对电网侧电能质量问题的完全免疫以及对系统故障的零延时响应。

        图1 配置超级电容的ASD主电路结构图

        图中，SC为超级电容（Super 1，数值小、次数高控制工程网版权所有，因此在无特殊要求场合，不用考虑设置滤波电路。另外，两个整流器串联后输出到直流母线，可以提高直流母线电压，使得逆变器可以在较大的电压范围内工作。整流器中点连接到平波电容、超级电容及输出滤波器的中点，利用整流电路钳位平波电容电压可以方便实现上、下电容均压目的。接线的三绕组输入变压器及两组三相不控整流电路构成12脉波整流系统，注入系统的谐波电流次数为12kCapacitor），R为SC充电电阻，D为SC放电二极管，Cd为直流平波电容器，Sa～Sc为IGBT器件www.cechina.cn，L0及C0为输出滤波器的电感和电容。交流输入侧采用Y/Y。
        由于超级电容容量较大，一般为直流平波电容的几百倍以上（根据储能要求配置），因此若不采取措施，上电时会导致极大涌流，对输入变压器和整流电路安全运行造成威胁。图1中采用充电电阻R限制SC的充电电流，而平波电容Cd的上电充电电流由输入变压器的漏抗限制。综合考虑短时供电中断及电压暂降发生的频度、充电电阻容量等因素，SC充电回路时间常数一般取十几分钟数量级。充电的SC相
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