多电机共直流母线交流传动节能系统结构研究

李继方,汤天浩,姚刚

(1.上海海事大学 物流工程学院,上海 200135;2.开封大学 机电工程学院,河南 开封 475004)

1 引言

在工业生产过程中,节能的途径有很多,节电的潜力也很大。许多机电设备需要快速的减速或停止,像油田瞌头机,脱水机,拉丝机,离心机,比例连动控制系统等,许多具有一定势能的传送对象需要匀速下降,像起重机、电梯,港口机械等,这些都会使电机运行在第2或第4象限,产生制动发电现象,通过回收和利用制动发电状态电机所产生的再生电能,供其它电机使用来达到节能目的。为了回收和利用这一部分能量,通常采用多台电机共用一条直流母线的结构[12]。为更好地实现节能,在多电机场合,本文在分析多电机共直流母线交流传动系统节能原理的基础上,根据直流母线上电机回馈电能总功率大于电机消耗电能总功率的处理方式不同,对多电机共直流母线交流传动节能控制系统的结构进行分类,分析各种结构的性能,指明其应用场合。最后给出一种新的多电机共直流母线协调调度节能的结构,仿真结果验证了该系统结构的可行性,与其它结构形式相比具有减小直流母线电压波动、减少充放电次数、降低系统成本等优点。为更好地开展用多电机共直流母线交流传动节能系统的研究和应用提供基础。

2 多电机共直流母线交流传动节能系统

多电机共直流母线交流传动系统的结构如图1所示。其基本原理是:当系统中一台或多台电机处在制动发电状态时,制动发电电机所产生的再生电能被回馈到共用的直流母线上,供其它处在耗能状态的电机吸收,从而达到既节约电能又能处理回馈电能的效果[34]。

图1 多电机共直流母线系统Fig.1 The common DC bus multi-moto r AC drive system

目前使用的多电机共直流母线交流传动系统多是基于交-直-交变频器的多电机共直流母线系统[56]。交-直-交变频器可分解为整流器与逆变器2个部分,将每个变频器的整流部分与逆变部分相连的直流端子都并联在一起组成共直流母线系统。当系统中一台或多台电机处于制动发电状态时,电机所再生的能量回馈到直流母线侧,被其他电机以电动耗能的方式消耗吸收,当制动电机再生能量不能满足耗能电机耗能时,再由电网供电,整流桥补充。目前这种共直流母线节能系统存在两个问题。

1)交流变频器的品牌、型号不同,整流器前端回路的结构形式、预充电回路的控制算法以及充电时间也不相同,当2个或2个以上的变频器互联时,必须进行细致的分析,采用恰当的连接形式,才能达到共享节能的效果;如果连接不当,将会大大降低系统的可靠性,而且在变频器预充电、电机电动、电机制动状态时,不同变频器之间还有相互反作用,造成设备的损坏[7]。特别是当互联的变频器数目增多时,整个系统分析就会变得复杂而冗长[8]。对于这一问题通常将变频器分解为2个部分,即:整流器部分与逆变器部分,采用1台功率较大整流装置给多台逆变装置供电,组成多个逆变器并联在一起的共直流母线系统。

2)由于处在制动发电状态,电机数目和再生电能的功率与处在耗能状态电机数目和耗电功率不确定,当处在制动发电状态电机再生电能功率大于处在耗能状态电机耗电功率时,引起直流母线电压升高,造成设备的无法正常运转或损坏,必须采取有效控制措施,保证系统正常运行。

3 共直流母线节能系统结构

近年来,国内外学术界对多电机共直流母线交流传动系统节能控制的研究已经成为一个焦点,企业界对此也非常关注,但已出版文献和研究成果还比较少,主要集中在共直流母线的结构形式上,根据制动状态电机再生电能大于耗能状态,电机耗能时的处理方式不同,一般又分为共直流母线耗能节能、共直流母线馈能节能和共直流母线储能节能3种结构形式。

3.1 耗能节能系统

系统运行时,为了避免处在制动发电状态电机再生电能功率大于处在耗能状态电机耗电功率时,直流母线电压升高,造成设备无法正常运转或损坏这一问题,通常在直流母线上,通过一个电子开关并联功率电阻或其它耗能元件,系统结构如图2所示。当直流母线电压升高到一定值时,电子开关闭合消耗制动电机再生的电能,限制直流母线电压升高,保证设备的正常运行[9]。该处理再生电能的方法是一种最直接、也是最简单有效的方法。文献[10]采用耗能电阻组成了2台电梯共直流母线的节能系统。电梯在运行过程中,电梯的一个上下行运行周期,有一半时间电机处于制动状态,有一半时间处于耗电状态,传统处理方法是将这部分电能由制动电阻白白消耗掉,该文献提出了2台或多台电梯共用直流母线的节能形式,只有当多个电梯同时下降,再生电能不能被上升电梯电机完全吸收时,再将再生能量通过耗能自动控制电路消耗在电阻上,转化为热能;文献[11]也采用了类似的结构。系统运行安全可靠,安装方便;该结构虽然实现了节能,但节能效率不高。

图2 共直流母线电阻耗能系统Fig.2 Common DC bus resistors consuming energy system

3.2 馈能节能系统

在多电机共直流母线节能系统中,当处在制动发电状态电机再生电能功率大于处在耗电状态电机耗电功率时,为了避免直流母线电压升高,采用有源逆变技术,将再生能量直接回馈交流电网,即将再生电能逆变为与交流电网同相位同频率的交流电回送电网,从而实现节能,系统结构如图3所示。文献[12]介绍了馈能节能结构的共直流母线系统的设计方法以及在一些钢厂的应用;文献[13]介绍了馈能节能结构的共直流母线系统在造纸机系统中的应用。当系统或系统中的部分传动电机处在制动状态时,电能通过共用的直流母线流动供其它电机使用;当再生电能大于耗电电能时,通过回馈装置直接回馈给电网,达到节能、提高设备运行可靠性和减少设备维护量等目的。但是该馈能节能结构的共直流母线系统,只能用在不易发生故障的稳定电网电压下(电网电压波动不大于10%),在电机制动运行时,电网电压故障时间大于10 ms,则可能发生换相失败,损坏器件;在回馈电网时,对电网有谐波污染;控制复杂,成本较高。目前该种将再生电能直接回馈电网、而特别设计的4象限运行变频器已由世界知名的电气公司研制并生产,产品已用于工业生产(例如ABB公司的ACS611型变频器)。但变频器价格昂贵,除国内少数轧钢厂以外很少有应用[14]。对于动态响应,文献[15]在分析直流母线SPDMR的主回路和控制回路工作原理,晶闸管全控桥如何保证网侧功率因数的基础上,对能量回馈部分采用带电压前馈和电流前馈的双闭环系统,提高系统动态响应。

图3 共直流母线馈能节能系统Fig.3 Common DC bus feedback energy sy stem

3.3 储能节能系统

在多电机共直流母线节能系统中,为了避免直流母线电压升高,一些学者提出将不能被耗能状态电机完全吸收的再生能量存储起来,系统需要时再回送直流母线。与馈能节能不同的是,储能节能不是将不能完全消耗的再生能量回馈电网,而是通过储能装置(蓄电池,超级电容、超导储能等设备)储存起来,系统结构如图4所示。其储能部分一般采用如图5所示的双向DC-DC变换器来控制,通过检测直流母线电压,预先设定充放电电压阀值,采用基于“能量法”的控制策略实现能量的双向流动,完成能量储存与释放。目前这种节能结构的系统还没有投入实用的报导,仍处在研究阶段,但已成为国内外学者研究的热点。文献[16]构造了基于共直流电压母线级联型超导储能系统的动态电压恢复器,根据该装置直流母线电压可控的特点,提出了基于直流母线电压控制的最小能量控制方案。该方案通过控制直流母线电压的幅值,实现了有功功率从电网经12脉波二极管整流器到直流母线电压的可控传输,减少了对斩波器输出有功功率的需求,降低了超导磁体的储能量,延长了电压暂降的补偿时间。文献[17]利用超级电容作为中间储能设备,对电机制动时的再生电能进行回收,对制动主回路进行了选择设计;对所选的双向DC-DC变换器建立了小信号模型;根据建立的模型,结合具体的性能指标,对其控制参数进行了整定;并在Matlab/Simulink中对其进行了仿真。这种系统结构的最大特点是,需要一个足够大的电能储存装置,成本较高,随着系统容量的增大,这一特点愈加明显,因此该结构适用于系统需要储能较小的场合。

图4 共直流母线储能节能系统Fig.4 Common DC bus storing energy system

图5 蓄电池或超级电容充、放电电路Fig.5 Charging and discharging circuit of super capacitor or battery

4 多电机共直流母线协调调度节能结构

前面几种结构形式,不论是馈能方式还是储能方式,能量在存储或回馈过程中都产生能量损耗,降低节能效果。产生能量存储或回馈的原因是耗能状态电机不能完全吸收制动状态电机再生的电能。由能量守恒可知,任何一个多电机系统都是一个耗能系统,出现耗能状态电机不能完全吸收制动状态电机再生电能的现象,是因为系统中电机处在各个状态的分布不均匀,出现多台电机同时耗能,多台电机同时馈能的现象,造成系统对电能的需求也不均匀,有时需要从电网吸收较大能量,而有时又要回馈能量到电网。因此文章提出一种通过协调调度多台电机工作状态实现节能的结构,如图6所示。

图6 多电机调度协调、储能节能结构Fig.6 T he multi-motor scheduling and coordinating energy-saving system

通过协调调度电机工作状态,使系统中处在耗能状态的电机数和处在发电状态的电机数接近相等,或者使所有处在耗能状态电机的耗电总功率一直大于处在制动状态电机回馈电能总功率,此时系统一直工作在耗能状态,不需要馈能或储能。在构造系统时仍保留一套储能装置作为冗余,但储能装置的容量要比储能节能系统中的容量小得多,储能装置容量的大小完全取决于多电机协调调度算法,通过研究优秀的多电机协调调度算法,使系统一直处于耗能状态,而不需要馈能或储能,这时节能效果最好,储能装置完全可以略去。

该节能系统可通过在储能节能系统中增加电机协调调度控制器(见图6),通过协调调度控制器协调调度电机工作状态实现节能。但工况不同,电机工作的状态数不同,可协调调度的电机状态也不相同。对于起重机系统,起重电机一般工作在耗能(从直流母线上吸收功率)、待馈(等待回馈能量到直流母线)、馈能(回馈能量到直流母线)、待耗(等待从直流母线上吸收电能)4种状态,如图7所示。在其作业过程的4个状态中,有2个环节可实现电机状态的协调调度:1)电机处在待耗状态,等待耗能状态活动发生时,通过可适当延长待耗时间,推迟电机耗能状态活动的发生实现调度;2)电机处在待馈状态,等待馈能状态发生时,通过适当延长待馈时间,推迟进入馈电状态的时间实现调度。

图7 电机运行状态Fig.7 The moto r running state

对轨道交通系统,牵引电机一般工作在耗能、馈能、等待3个状态,可通过改变耗能状态、等待状态的持续时间实现调度。而油田瞌头机一般只工作在耗能、馈能2个状态,由于系统对电机运行状态的实时性要求不强,而周期性较强,该工况电机工作状态较容易协调调度,其效果也较好。

5 仿真分析

以多起重机系统的多电机共直流母线为背景研究节能系统结构的可行性。

设系统中有20台电机,电机在4个状态下的运行时间是TM1,TM2,TM3,TM4,实地考查发现,起重电机在4个状态的运行时间和提升重物的质量不是常量,仅符合一定统计规律。为使仿真更接近真实工况,取电机在某一状态下的运行时间TMi=TMi1+TMi2,这里 TMi1是电机在这一状态下运行的基本时间,TMi2是电机在这一状态下运行的正态分布时间。TMi2的取值服从分布密度函数:

设电网参数为:u=380sin(ω t),L=0.5 mH,r=0.05 Ω,C=3.3 mF。系统参数为:系统机械传动效率ηm=62%,变频器传动效率 ηc=98%。每次提升重物的质量也服从正态分布,取物体重量m的基本值m1=15×103kg,随机数的平均值m2σ=5×103kg,随机数的方差 m2μ=5 ×103kg。20台电机时直流母线的功率和电压波形的仿真结果如图8所示。

图8 直流母线的功率和电压波形Fig.8 The power and voltage waves forms for the DC bus

从图8可以看出,直流母线的瞬时功率和瞬时电压波动较大,特别是系统刚启动时,系统直流母线电压迅速上升,不采取有效的控制措施,必然造成设备损坏,使系统无法正常运行;随着运行时间增长,电机处在各状态分布的随机性增强,直流母线功率的波动幅度明显减小,直流母线电压的波动幅度也明显减小,有时会在系统正常工作允许变化的范围内,即此时不采取控制措施系统也能正常工作,仿真结果局部放大图如图9所示。

图9 直流母线功率和电压波形(不需要状态控制)Fig.9 The power and voltage waves forms for the DC bus(no control)

通过设置仿真程序,使电机几乎均态地分布在各个状态,直流母线的功率与电压波形如图10所示。可以看出直流母线的功率波动较小,直流母线电压波动也较小,在系统正常工作允许范围内波动,此时系统既不储能,也不释放电能,大大减少了对储能器件的充放电次数,延长了设备的使用寿命,减小了储能设备的容量,降低了系统成本,提高了系统性能。同时也提高了节能效果,但不同工况节能效果不同,与电阻耗能相比提高2%～10%,与馈能或储能节能相比提高1%～3%。验证了多电机共直流母线协调调度节能结构的可行性。

图10 电机均匀分布时直流母线功率和电压波形Fig.10 The power and voltage waves forms in the motor uniform distribution

6 结论

在多电机的场合,为了更好地实现节能,本文分析了多电机共直流母线交流传动系统节能的原理,根据耗能状态电机不能完全吸收制动状态电机再生电能的处理方式的不同,对多电机共直流母线交流传动节能系统的结构进行分类,分析每种系统结构的性能,提出各自应用场合。最后给出一种新的由不可控整流器与储能装置共同组成的多电机共直流母线交流传动节能系统结构,仿真结果显示了该系统结构的可行性,具有减小直流母线电压波动、减少充放电次数、降低系统成本等优点。

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