德國(guó)赫優(yōu)訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司上海分公司 袁海峰

1 應(yīng)用背景

在夏季雷雨多發(fā)季節(jié)，電網(wǎng)會(huì)發(fā)生瞬時(shí)電壓跌落的現(xiàn)象，稱為電網(wǎng)閃絡(luò)，在很短的時(shí)間內(nèi)（0.5～1s）電壓會(huì)產(chǎn)生很大的下降甚至完全斷電。在聚酯和長(zhǎng)絲生產(chǎn)線上大量使用的變頻器會(huì)由于電網(wǎng)閃絡(luò)而產(chǎn)生欠壓故障。由于聚酯和長(zhǎng)絲連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，熔體出料泵和紡絲增壓泵瞬時(shí)停車會(huì)造成紡絲生產(chǎn)線全線停車排廢，損失巨大。因此，需要有一種后備電源系統(tǒng)，能在電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落的時(shí)間里（1秒左右），能提供變頻器短時(shí)工作的能量。

圖1 防閃絡(luò)后備電源系統(tǒng)控制柜

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

深圳京能紡系統(tǒng)集成有限公司（簡(jiǎn)稱京能紡公司）的防閃絡(luò)后備電源系統(tǒng)（如圖1所示），采用動(dòng)力鋰離子電池儲(chǔ)能的方式為變頻器提供瞬時(shí)直流供電，維持變頻器的運(yùn)行。因?yàn)樵诰埘ズ烷L(zhǎng)絲生產(chǎn)線中，控制系統(tǒng)使用的是UPS電源，因此這種電網(wǎng)閃絡(luò)對(duì)控制回路不會(huì)造成影響。

2 系統(tǒng)組成

防閃絡(luò)后備電源系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，主要包括：動(dòng)力鋰電池組、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)、充放電器、PLC控制系統(tǒng)與直流分配系統(tǒng)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)原理

動(dòng)力鋰電池與DC/DC變換器的輸入側(cè)連接，DC/DC變換器輸出通過鉗位二極管與變頻器直流母線連接。電池組電壓為440VDC，DC/DC變換器的輸出設(shè)定為510VDC。當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí)(380V)，變頻器直流母線電壓為540VDC，這時(shí)鉗位二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電池組不會(huì)向變頻器供電；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，變頻器直流母線電壓降落到510VDC以下時(shí)，鉗位二極管正向?qū)?，電池組通過DC/DC變換器向變頻器供電，而DC/DC變換器將控制直流電壓維持在510VDC。為保護(hù)電池不會(huì)過放電，一臺(tái)PLC控制DC/DC供電時(shí)間不超過30秒。每個(gè)變頻器供電回路均安裝鉗位二極管，保證變頻器直流回路之間沒有環(huán)流，以及不影響正常供電回路。每個(gè)供電回路均安裝快速熔斷器起保護(hù)作用。每個(gè)供電回路都有一個(gè)接觸器，當(dāng)主變頻器處于準(zhǔn)備好狀態(tài)時(shí)，接觸器閉合，直流回路可以供電；當(dāng)主變頻器故障產(chǎn)生或處于檢修狀態(tài)時(shí)，準(zhǔn)備節(jié)點(diǎn)斷開，控制接觸器斷開，保證這路直流不會(huì)對(duì)檢修造成影響。在每個(gè)供電回路還要安裝一臺(tái)斷路器，在檢修時(shí)斷開，確保檢修時(shí)的安全。

圖3 控制柜內(nèi)部圖

4 子系統(tǒng)說明

電池組一般選用三元聚合物鋰電池，并帶有電池管理系統(tǒng)。京能紡公司的電池管理系統(tǒng)是在普通電池管理系統(tǒng)不能滿足要求的情況下獨(dú)立開發(fā)研制的一種電池管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以檢測(cè)并計(jì)算出每一節(jié)電池的電壓、溫度、內(nèi)阻、充放電電流以及SOC（充電狀態(tài)，也就是電量值），并且以工業(yè)總線通訊的方式傳送給控制系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)提供的信息可以直接定位到故障電池的地址，方便快速判斷故障位置及類型，節(jié)省維護(hù)時(shí)間。

專門定制的充電器（IGBT可逆式充放電裝置）是一種可控式主動(dòng)整流裝置?；驹砼c逆變橋類似，但功能是利用三相IGBT橋進(jìn)行整流控制，這種回路可以精確控制直流電壓和電流的大小，控制系統(tǒng)通過總線通訊方式可以設(shè)定電池組的充電電壓、電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池的均充/浮充、恒流/恒壓等充電功能。

將電池供電接入變頻器需要直流分配系統(tǒng)，包括斷路器、鉗位二極管、接觸器、快速熔斷器以及變頻器側(cè)空開等。控制系統(tǒng)檢測(cè)到變頻器得電后發(fā)送過來的“準(zhǔn)備好”信號(hào)后，由PLC控制相應(yīng)的輸出接觸器閉合。鉗位二極管使變頻器的直流回路之間不會(huì)形成環(huán)流，也不會(huì)使變頻器對(duì)電池組供電。使用快速熔斷器作為直流回路保護(hù)器件，可以保護(hù)接地、短路等故障。

控制系統(tǒng)是控制整個(gè)電源系統(tǒng)正常工作的核心，而PLC控制器又是控制系統(tǒng)的核心，能夠協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)間的互相配合運(yùn)行。PLC控制器采用赫優(yōu)訊公司的netPLC模塊（如圖4及圖5中紅色方框內(nèi)）。netPLC基于赫優(yōu)訊netX技術(shù)，是即插即用的集成現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能與邏輯控制功能的嵌入式模塊。用戶可以使用西門子公司STEP7編程工具編寫自己的邏輯程序，也可以使用CoDeSys或MULTIPROG等IEC-61131標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境。模塊上的PROFIBUS-DP主站接口，能夠?qū)崿F(xiàn)中小型PLC的性能來控制本地I/O及分布式遠(yuǎn)程I/O。

圖4 赫優(yōu)訊netPLC模塊

PLC的功能是對(duì)電池的電量和充放電進(jìn)行管理，將電池的電量控制在50%左右，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。PLC還管理著直流掛網(wǎng)原件（接觸器）的動(dòng)作，檢測(cè)相應(yīng)回路的變頻器的準(zhǔn)備信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)ON時(shí)，表示這臺(tái)變頻器送電，直流母線工作，則合上接觸器，準(zhǔn)備直流供電；當(dāng)檢測(cè)到準(zhǔn)備信號(hào)OFF，則說明這臺(tái)變頻器處于檢修狀態(tài)或是沒有送電，PLC將切斷相應(yīng)的接觸器，防止誤送電至檢修位置。系統(tǒng)中還配置有人機(jī)界面，采用觸摸屏形式，PLC將電池組的相關(guān)數(shù)據(jù)（電壓、溫度、SOC等）、充電放電的相關(guān)操作和指示，放電時(shí)間等事件記錄，并將故障信息等發(fā)送到觸摸屏上進(jìn)行顯示。

圖5 基于netPLC的控制器

5 結(jié)語

目前，京能紡公司的該套防閃絡(luò)后備電源系統(tǒng)，已經(jīng)在多個(gè)聚酯裝置的變頻系統(tǒng)工程上成功進(jìn)行了實(shí)施，成為了非常成熟的防閃絡(luò)解決方案。

[1]NPLC-M100 Module PLC DG 01 EN.pdf[Z].赫優(yōu)訊netPLC模塊開發(fā)手冊(cè).

[2]京能紡防閃絡(luò)后備電源系統(tǒng)技術(shù)方案說明[Z].