电动机再生电能并网回馈试验系统研究

蒋志坚，戚宏博，郭百泉

（北京建筑大学 电气与信息工程学院，北京 100044）

0 引言

电动机作为能耗大户，在许多特定工况下呈现“发电机”工作状态，产生大量再生电能[1]。本文从交流电动机变频调速系统的直流母线入手，将电动机再生电能逆变回馈电网，进而实现了再生电能的回收利用。设计出电动机再生电能并网回馈通用试验系统，并对试验系统的硬件和软件设计进行了深入合理的设计，通过大量再生电能并网回馈试验，证明了采用该系统进行电动机再生电能回收研究的可行性和有效性。

1 建立通用试验平台的必要性

电动机消耗的电能占整个社会总耗电量的60%以上。当电动机拖动势能性负载下放时或者电动机从高速运行减速时都会伴随大量再生电能的产生。采用适当的方法对再生电能回收利用，经济效益将十分可观。

电动机再生电能回收目前主要有直接逆变回馈电网和通过储能装置先存储再利用两种技术线路。储能利用的方法投资较高，装置体积较大，功率等级受储能器件性能制约，适用性受到限制，技术很不成熟。再生电能直接逆变回馈电网的方法目前应用较多，但回馈电能谐波含量和并网性能难以满足电力管理的质量要求急需在理论和实践两方面进行大量理论研究和科学试验，因此建立通用电动机再生电能并网回馈试验平台十分必要。

2 再生电能模拟并网回馈试验线路

再生电能并网回馈技术的研究，最理想的方法是将处于再生电能工况的电动机与再生电能回收装置直接相连，在线试验。但是再生电能工况一般周期性出现，持续时间极短，研究不便。因此有必要在实验室构造电动机再生发电工况，模拟试验并网回馈能量的实际工作情况。这样做可以明显缩短研究周期、节省研究费用。

3 再生电能并网回馈试验系统总体设计

再生电能并网回馈试验系统需要实现以下功能：

1)模拟电动机再生发电的工作过程；

2)模拟电动机多变的机械负载力矩；

3)将再生电能逆变回馈电网；

4)各个功能模块功率传输实时监控；

5)保护电路；

如图1所示，实际再生电能回馈电网试验系统由以下六部分组成：

1)电动机可变负载模拟环节；

2)电动机发电状态工作环节；

3)再生电能逆变回馈并网装置；

4)功率监控与动态显示环节；

5)制动和保护机构；

6)上位机监控软件与通讯环节。

图1 再生电能回馈试验系统原理框图

在图1中，由电动机1、联轴器和电动机2共同构成了电动机拖动运行系统。其中由电动机2和变频器2构成模拟装置，模拟可变机械负载力矩，该模拟负载相当于原动机部分，为电机组合拖动运行提供一个超前力矩；由电动机1和变频器1模拟再生发电部分；发电机部分因得到原动机提供一个超前的力矩拖动而发电。原动机部分的模拟负载力矩可以进行设置，通过调节负载力矩的大小可以控制发电量的大小。功率监控终端负责对各个环节传递的电功率进行动态监控。制动和保护机构用于运转机械的紧急制动和保护。上位机监控软件负责与上位机通讯，并对系统测量数据进行汇总和显示。整个系统实现了再生电能持续可控的模拟过程，并对模拟再生发电进行了实时回馈电网处理。由于可以对各个工作环节的功率进行动态监控，便于核算各个环节的工作效率和能量回收进程。

再生电能并网回收系统的硬件结构如图2所示。

图2 电动机再生电能回收系统硬件结构

试验系统主要由能量回馈试验系统、监控系统、上位机通讯接口、两台三相异步电动机及其变频器等构成，试验平台如图3所示。

图3 再生电能并网回馈模拟试验平台

3.1 再生电能并网回馈装置

再生电能并网回馈装置作为核心部件，实现再生电能逆变回馈并网的核心功能，逆变主电路如图4所示。

图4 再生电能逆变主电路

直流母线上的直流电经过逆变桥IGBT进行脉宽调制，三相脉宽调制波经过滤波电抗器形成三相正弦波电流，最终相对纯净且满足并网技术要求的三相正弦波电流被并网输出到三相电网。整个再生电能回馈装置对于发电侧的直流母线而言是一个负载，而对于三相电网来说是一个电源，协助电网供电，减少了电动机对电网的电力索取，因此间接实现了节能。

电能回馈装置控制回路的中央处理器选用DSPIC30F4011芯片，该芯片精度高、速度快，片上资源丰富，产生六路PWM控制信号，在电动机控制领域具有较广泛的应用。

电能回馈装置的硬件设计工作内容较多，其中关键在于开关电源、电压检测电路、电网检测电路、电流检测电路和滤波电抗器等的设计。

3.2 负载力矩控制变频器硬件的设计

电动机2和变频器2用于产生可变的电动机负载力矩。负载力矩对于电动机1的再生发电至关重要，负载力矩是与电动机1的旋转方向相同的，并且领先于电动机1的旋转力矩，因此造成电动机1处于再生发电状态，进而模拟电动机实际再生电能状态。电动机2和变频器2工作于力矩控制模式，依靠控制变频器2输出的驱动电压和电流来实现力矩可变控制。

3.3 功率监控终端硬件设计

功率监控终端的主要功能是对系统电能回馈时的电压、电流、功率、功率因数等进行动态监控，并实时通讯到上位机的软件界面中。它包括以下组成部分：测量功率的测量电路（测量的信号包括实时电压信号、实时电流信号和实时功率信号）；用于连接现场总线的接口；向执行机构输出操作指令的输出电路；以及存储数据的存储器等，功率监控终端组成如图5所示。

图5 功率监控终端的组成

3.4 电动机转速检测和保护机构的设计

在大多数交流电动机控制中，速度闭环控制必须具备精确检测的反馈量。本试验系统采用欧姆龙公司生产的E6HZ-CWZ6C系列光电式增量编码器对电动机转速进行动态测量。为防止电动机轴旋转造成不安全因素，设计了制动和保护机构，本系统采用直流能耗制动。当电动机尚在旋转时，接入直流励磁，鼠笼转子切割磁力线，产生感应电流，感应电流所产生的电磁力矩阻碍电动机旋转，从而制动电动机逐渐停止转动。

4 再生电能回馈试验系统的软件设计

本系统采用了嵌入式控制软件、工业组态软件以及相关先进技术和理论。

4.1 电能回馈试验系统的软件构架

电能回馈试验系统从逻辑上分为：转速控制、力矩控制、发电量的回馈、功率监控、上位机显示等部分，分别有相应的软件，各部分的逻辑关系如图6所示。

图6 软件模块之间的逻辑关系

其中电动机1用于再生发电，它的控制模式是转速控制，它模拟的是电动机系统在指定的速度下运转，其变频器采用的是转速控制软件。电动机2用于产生电动机模拟负载力矩，它的控制模式是力矩控制，产生指定的负载力矩。电能回馈装置内置回馈控制软件，用于控制电能回馈按照规定的工作电压将所发出的电能逆变并网，实现发电量和输出电量的平衡，同时保持变频器的直流母线电压稳定。功率监控终端采用功率计算软件对功率进行在线监控计算，并采用MODBUS RTU通讯协议软件实现与上位机的通讯。上位机为工业组态软件，在其基础上构造的监控画面通讯获得各个参数，并实时显示在屏幕上。各部分软件是相互独立的，各自独立运行，通过统一的RS485总线进行数据的交互。

4.2 电能回馈装置软件设计

电能回馈装置用于从发电变频器的直流母线取出直流电能，并将其转换为与电网同频同相的交流电输出。电能回馈装置的主要功能有直流母线电压的稳定控制和三相交流电输出控制，电能回馈装置的软件框图如图7所示，具体由以下四部分组成。

图7 电能回馈控制软件框图

1)直流母线电压控制的PID计算。基准值选择在570V～670V直流电之间，电压控制PID算法应将直流母线电压稳定在设定值附近运行，此时能够实现发电量和耗电量相平衡，直流母线电压处于稳定状态。

2)计算输出电流的相位和幅值。先将电网检测的三相电压单位化，其中含有电网的瞬时相位。电能回馈的输出电流应与电网电压同频同相，因此输出电流的瞬时给定值等于单位化之后的电网电压信号乘以输出电流的理论幅值，将输出电流的瞬时给定值作为电流控制PID算法的给定值，从而指定了输出电流的相位和幅值。

3)实现电流控制PID算法。根据输出电流的瞬时给定值和三相真实电流检测值之间的误差进行PID计算，输出的控制量为三相PWM输出电压。如果真实电流小于给定电流则增大输出电压；如果真实电流大于给定电流则降低输出电压。

4)SVPWM调制模块。根据所需输出的PWM电压，进行空间矢量脉宽调制SVPWM计算，并转化成为六只IGBT的导通时间，并发出相应的SVPWM触发波形。

4.3 变频器软件的设计

本试验系统中使用的变频器有两套，其中一套工作在转速控制模式，另一套工作在力矩控制模式。为了精确地控制转速和力矩，要求变频器对电动机的转速、力矩具有很好的控制性能。但本系统的控制对象为三相异步感应电动机，它的力矩原本是不具备精确控制能力的，原因是它的励磁电流与力矩电流是耦合的，无法独立控制。为解决困难，本文引入了交流感应电动机的矢量控制算法，将励磁电流和力矩电流解耦，在稳定励磁电流的同时，使得力矩电流可控，能够精确控制力矩，进而控制电动机的转速。

4.4 功率监控终端软件设计

功率监控终端的软件设计的主要功能是测量回馈输出的电压、电流，将电压和电流作乘法，得到瞬时功率，根据电压、电流信号计算它们的均方根（有效值），并将相应的数据通过MODBUS RTU协议通讯传递到上位机。

本系统通过编程实现了两路MODBUS RTU通讯，可以分别为本地显示屏和远程上位机提供通讯接口，实现了数据的实时传输，功率监控终端所采集的电压、电流、功率信号都可以在上位机软件上显示。

4.5 试验系统上位机通讯软件

试验系统采用标准的组态软件设计上位机通讯软件。在组态软件的基础上设计的流程为：站参数定义、数据点定义、画面制作、调试等步骤。系统的上位机软件界面截图如图8所示。

图8 上位机软件界面

5 试验与分析

电动机处于再生发电状态时，电能回馈逆变器直流母线电压Udc(CH3)、网侧电压ea（CH1)、网侧相电流ia(CH2)的动态瞬时波形如图9所示。

图9 电动机再生发电电压电流波形

由图9试验波形可知，系统处于再生发电状态时，电能回馈逆变器工作于逆变状态，再生电能经回馈逆变装置返回电网，并能使直流母线的电压相对地稳定。并网侧电流和电压的畸变小、正弦度较好，有较高的输入功率因数。

通过模拟负载的电动机2给电动机1施加一个恒定的转矩，来观察再生电能回馈电网的稳态工作情况。通过模拟负载电动机2给处于再生发电的电动机1分别施加其额定负载的20%和80%，记录电能回馈系统在两种不同负载情况下的试验数据。

1)模拟加载20%

再生电能并网发电电流波形、功率波形和直流母线电压如图10所示。

图10 负载率为20%时并网发电试验

图11 发电动机负载率为80%时并网发电

图10中，电动机再生电能并网回馈系统输入功率因数为0.94，电流的波形较好，直流母线电压比较稳定。

2)模拟加载80%

再生电能并网回馈电流波形、功率波形和直流母线电压如图11所示。

图11中，电动机系统回馈系统并网功率因数为0.98，电流的波形较好，直流母线电压比较平稳。

6 结论

综上所述，所设计的试验平台能将再生电能并网回馈电网，同时有效地稳定直流母线电压。同时并网侧电流畸变小，并网功率稳定，具有较高的输入功率因数和电能质量。

[1]潘知意,陈名利.异步电机的节能使用[J].大众科技,2013,(1),20:63-64.

[2]首福俊.再生能源回馈电网系统中逆变器的研究[D].四川大学.2014.

[3]赵瑞林.共用直流母线变频器方案的设计[J].自动化技术与应用,2013,11.

[4]孟凡华.能量回馈变频器的控制策略研究[D].哈尔滨工业大学.2013.

[5]刘雪波.变频调速电机节能应用分析[J].大众用电,2013,3: 228-229.

[6]杨传海.三相电能回馈单元的研究[D].华南理工大学.2012.