鄧 哲，周峰武，呂征宇

(1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310014;2．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

1 引言

由于不可再生能源的日益短缺和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)峻，太陽能、風(fēng)能等分布式發(fā)電系統(tǒng)越來越受到重視［1-3］。而電機(jī)系統(tǒng)是重要的工業(yè)耗能設(shè)備，其耗電量約占中國(guó)整個(gè)工業(yè)耗電量的60%。因此如果能夠提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量利用率可以有效達(dá)到節(jié)能的目的。

傳統(tǒng)電梯電機(jī)制動(dòng)的能量全部由制動(dòng)電阻消耗，這是一個(gè)極大的浪費(fèi)。目前較熱門的研究集中在通過增加儲(chǔ)能元件回收這部分能量［4，5］，或者通過四象限變流器將制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)［6，7］。但是上述研究中依然存在一些不足:如果只使用超級(jí)電容等儲(chǔ)能元件來回收能量，則容易受到元件容量的限制而失去回收能量的作用，同時(shí)又由于儲(chǔ)能元件等效串聯(lián)電阻的存在，使其在大功率下的端壓變化過大而無法充分利用儲(chǔ)能空間;如果只使用四象限變流器來回收能量，受到濾波器、開關(guān)器件的影響，小功率時(shí)的效率很低，造成更大浪費(fèi)。

在電梯系統(tǒng)等一些注重安全的應(yīng)用中，往往會(huì)有同時(shí)擁有用于后備電源的儲(chǔ)能元件與并網(wǎng)變流器。本文針對(duì)電梯系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合超級(jí)電容儲(chǔ)能與四象限電壓型變流器的各自優(yōu)點(diǎn)，在充分利用電梯后備儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了全新的能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略，從而進(jìn)一步提高了能量的回收利用率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本文提出的能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。四象限電壓型變流器(VSC)與電網(wǎng)相連，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電梯電機(jī)變頻器之間的能量雙向流動(dòng)，同時(shí)也可提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù);超級(jí)電容器組(SC)與雙向Buck-Boost變流器組成超級(jí)電容模塊，直接并聯(lián)在直流母線上，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的充放電功能;超級(jí)電容組和直流母線之間用一個(gè)開關(guān)SW連接。

單體的超級(jí)電容器耐壓一般都比較低，但是通過多個(gè)超級(jí)電容器串并聯(lián)所組成的超級(jí)電容組耐壓可以達(dá)到幾百伏。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用［8，9］，本文采用耐壓是800V、容量是0.625F的超級(jí)電容組作為動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能設(shè)備與電梯的后備儲(chǔ)能，在工作前首先由雙向

圖1 能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Energy recovery system

Buck-Boost給電容充電。當(dāng)超級(jí)電容上的電壓與直流母線上的電壓相等時(shí)充電停止，同時(shí)將開關(guān)SW閉合，這樣超級(jí)電容便并聯(lián)在母線上，從而可以在一定范圍內(nèi)通過VSC直接控制電容電壓，避免了能量在Buck-Boost變流器上面的損耗，而超級(jí)電容組將完全在VSC的控制下隨著電機(jī)功率的變化來實(shí)現(xiàn)能量的回收與釋放。在電梯緊急停機(jī)而啟動(dòng)后備儲(chǔ)能時(shí)，雙向Buck-Boost重新開始工作。

3 系統(tǒng)各部分效率分析

3.1 超級(jí)電容組單獨(dú)做能量回收時(shí)

如果不考慮超級(jí)電容能量流動(dòng)的暫態(tài)過程，那么可以用如圖2所示的等效電路來描述超級(jí)電容組結(jié)構(gòu)［10］。圖2中的Resr是超級(jí)電容組等效串聯(lián)電阻，Repr是超級(jí)電容等效并聯(lián)電阻，Csc是理想電容。在超級(jí)電容組充放電的時(shí)候，電流流過Resr會(huì)產(chǎn)生能量的損耗，降低超級(jí)電容組的效率。同時(shí)超級(jí)電容組自身也有流過Repr的漏電流產(chǎn)生而消耗能量。對(duì)于現(xiàn)今常用的超級(jí)電容來說，等效串聯(lián)電阻Resr很小，并聯(lián)電阻Repr很大，因此在能量交換的時(shí)候超級(jí)電容自身損耗的能量很少，效率很高。

圖2 超級(jí)電容組等效模型Fig．2 Equivalentmodel of super-capacitor

根據(jù)超級(jí)電容組等效模型，可以得到超級(jí)電容組瞬時(shí)效率的計(jì)算公式:

其中，Pdc為超級(jí)電容向直流母線輸出的功率;VscIsc為超級(jí)電容極板上的輸出功率。在推導(dǎo)式(1)時(shí)作了一個(gè)簡(jiǎn)單近似，即在計(jì)算Repr耗散功率時(shí)，由于Vdc≈Vsc、Repr?Resr，所以可以用Vdc來近似代替Vsc以簡(jiǎn)化表達(dá)式。圖3中的實(shí)線是理想狀態(tài)下超級(jí)電容的效率隨輸出功率的變化曲線。

圖3 SC模塊和VSC模塊效率與輸出功率關(guān)系曲線Fig．3 Efficiency vs．output power of SCmodule and VSCmodule

3.2 單獨(dú)VSC做能量回收時(shí)

VSC的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由三個(gè)IGBT橋臂和一個(gè)L濾波器組成，其損耗主要由IGBT導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及濾波電感上面的損耗組成。由文獻(xiàn)［11-13］可得到VSC的典型效率曲線如圖3中的虛線所示。需要進(jìn)一步說明的是，在上述文獻(xiàn)中都沒有考慮電流紋波對(duì)VSC效率的影響，原因是在額定負(fù)載附近運(yùn)行時(shí)的電流較大，電流紋波可以忽略不計(jì);但是如果功率較小時(shí)電流紋波就無法忽略，這時(shí)的輸出功率很小而由電流紋波引起的電感損耗相比變得很大，所以在小功率運(yùn)行時(shí)，VSC的效率會(huì)比理想狀況更低。

對(duì)比圖3中的兩條曲線可以看出，低功率運(yùn)行時(shí)SC模塊的效率較高，而高功率運(yùn)行時(shí)，VSC模塊的效率較高。為了實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化控制，這里將兩個(gè)模塊單獨(dú)運(yùn)行時(shí)效率相等的功率標(biāo)記為Psat。

4 效率優(yōu)化控制策略

4.1 控制策略的提出

因?yàn)镾C模塊在低功率區(qū)運(yùn)行效率高，而VSC模塊在高功率區(qū)運(yùn)行效率高，所以本文提出讓上述兩個(gè)模塊隨著變頻器運(yùn)行功率大小區(qū)域的不同而交替運(yùn)行和協(xié)同運(yùn)行的控制策略，其根本目標(biāo)是:讓VSC模塊始終工作在效率較高的大功率狀態(tài)或者完全不工作，同時(shí)讓SC模塊盡可能地工作在效率較高的小功率狀態(tài)下。這樣，系統(tǒng)的整體效率會(huì)得到大幅提升。

圖4是變頻器工作在耗能狀態(tài)并且功率從零開始線性上升時(shí)的效率優(yōu)化控制策略示意圖。其中Psat表示在該功率處SC模塊單獨(dú)工作的效率等于VSC模塊的效率，Psw是比Psat略大的、用于過渡區(qū)切換的功率參考量，Pinv是變頻器功率，Psc是SC模塊功率，Pvsc是VSC模塊功率。從圖4看出，VSC模塊始終在高于Psat的區(qū)域工作;SC模塊始終在低于Psat的區(qū)域工作。該控制策略的具體實(shí)現(xiàn)方式為:

圖4 效率優(yōu)化控制策略示意圖Fig．4 Optimal efficiency control strategy

(1)低功率區(qū):當(dāng)變頻器小功率運(yùn)行時(shí)，即Pinv＜Psat，SC模塊單獨(dú)工作，而VSC模塊完全停止運(yùn)行。各模塊功率大小如式(2)所示，功率曲線如圖4中的“低功率區(qū)”所示。

(2)中功率區(qū):當(dāng)變頻器中等功率運(yùn)行時(shí)，即Psw＜Pinv＜2Psat，VSC模塊和SC模塊共同工作，其中VSC模塊以Psw恒功率運(yùn)行。各模塊功率大小如式(3)所示，功率曲線如圖4中的“中功率區(qū)”所示。

(3)高功率區(qū):當(dāng)變頻器大功率運(yùn)行時(shí)，即Pinv＞2Psat，VSC模塊和SC模塊共同工作，其中SC模塊以Psat恒功率運(yùn)行。各模塊功率大小如式(4)所示，功率曲線如圖4中的“高功率區(qū)”所示。

(4)過渡區(qū):為了防止不同區(qū)域間切換過于頻繁而可能造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)防止VSC模塊功率變化速度過快而造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊，特別增加圖4(b)中的“過渡區(qū)”，從而使功率在VSC模塊和SC模塊之間切換得更平滑。并且由于SC模塊的存在，使VSC模塊的功率等級(jí)可以大幅降低，從另一方面也減小了該系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。過渡區(qū)的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需要而定，過渡時(shí)間越長(zhǎng)則對(duì)網(wǎng)側(cè)的功率沖擊越小。

上述只給出了變頻器功率線性增加的情況，其他工況下只要遵循圖4的控制策略，同樣可以實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化的控制方式。

4.2 控制策略的實(shí)現(xiàn)

本文采用狀態(tài)機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化控制策略。如圖5所示，狀態(tài)機(jī)共分為4個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)之間如果滿足一定條件則進(jìn)行切換，系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)處于“低功率區(qū)”狀態(tài)。圖5中的Pmgn是滯環(huán)比較的寬度、Timer是“過渡區(qū)”切換用的計(jì)時(shí)器、Ttransit是“過渡區(qū)”的持續(xù)時(shí)間。

圖5 效率優(yōu)化控制策略狀態(tài)機(jī)Fig．5 Statemachine of optimal efficiency control strategy

各工作區(qū)的控制系統(tǒng)由VSC的電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)組成，如圖6所示。其中ia、ib是電網(wǎng)采樣電流，va、vb是電網(wǎng)采樣電壓，ω是電網(wǎng)角頻率，L是濾波電感量，vdc是直流母線電壓，isc是超級(jí)電容組流出電流。圖6(a)是電流內(nèi)環(huán)控制框圖，DQ變換采用恒功率變換方式，VSC各開關(guān)管的控制采用SVPWM控制方式［14］，同時(shí)將q軸電流控制為零，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近1，并且有VSC的瞬時(shí)功率表達(dá)式Pvsc=vdid。由于是雙環(huán)運(yùn)行，為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，將功率外環(huán)的調(diào)整速度遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)。

圖6 恒功率控制框圖Fig．6 Constant power control block

圖6(b)是在“中功率區(qū)”內(nèi)運(yùn)行時(shí)的功率外環(huán)控制框圖。首先通過恒功率DQ變換得到電網(wǎng)電壓vd和電流id，從而得到電網(wǎng)功率Pvsc;然后與功率參考值Pvsc_ref比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到四象限變流器的D軸參考電流id_ref，控制VSC恒功率運(yùn)行。

圖6(c)是在“過渡區(qū)”和“高功率區(qū)”內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)功率外環(huán)控制框圖。該控制方法原理上與圖6(b)是一樣的，只是因?yàn)槌?jí)電容組功率與VSC功率的控制邏輯是相反的，所以在功率參考值與實(shí)際值進(jìn)行比較運(yùn)算時(shí)的計(jì)算符號(hào)與圖6(b)剛好相反;同時(shí)由于超級(jí)電容組內(nèi)部電壓VSC無法測(cè)量，所以采用直流母線電壓vdc代替，這樣計(jì)算出實(shí)際功率值與真實(shí)值有誤差，但是因?yàn)镽esr很小，所以在計(jì)算功率的時(shí)候誤差可以忽略。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

5.1 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證基于超級(jí)電容儲(chǔ)能與四象限電壓型變流器的電梯能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制的可行性，在Simulink平臺(tái)上進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖7所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［8，9］，給出電梯電機(jī)逆變器的功率曲線如圖7(a)所示。在電機(jī)起動(dòng)時(shí)有一個(gè)功率尖峰，隨后較平穩(wěn)地運(yùn)行，最后停車制動(dòng)時(shí)有一個(gè)較大的能量回饋功率。依照第3節(jié)提出的控制策略，設(shè)定超級(jí)電容的飽和功率為3000W，圖7(b)顯示了工作區(qū)域隨著超級(jí)電容功率的變化而進(jìn)行的切換過程。圖7(c)是VSC的功率仿真曲線，可以看出為

圖7 仿真波形Fig．7 Waveforms of simulation

了提高系統(tǒng)整體效率，VSC只在功率大于3000W的時(shí)候工作，其他時(shí)間處于關(guān)閉節(jié)能狀態(tài)。圖7(d)是超級(jí)電容組的功率仿真曲線，7(e)是直流母線電壓，因?yàn)槌?jí)電容組的運(yùn)行功率不超過3000W，所以整個(gè)運(yùn)行周期中的直流母線電壓不會(huì)出現(xiàn)較大的變化，并且和VSC配合將制動(dòng)能量完全回收。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中采用的超級(jí)電容組由8個(gè)超級(jí)電容單體模塊采用4個(gè)串聯(lián)再兩組并聯(lián)的方式連接組成，這樣超級(jí)電容組的耐壓和容量都得到了提升，具體參數(shù)如表1所示。

表1 超級(jí)電容組參數(shù)Tab．1 Parameters of super-capacitor

為了模擬出電梯變頻器的真實(shí)工況，根據(jù)文獻(xiàn)［8，9］的真實(shí)電梯變頻器負(fù)載曲線，采用雙VSC背靠背、母線并聯(lián)超級(jí)電容模塊的電路拓?fù)?，其中的一個(gè)VSC用來模擬電梯變頻器負(fù)載，另外一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制策略，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．8 Experimental platform structure

核心控制器采用TI公司的DSP2812加裝FPGA作為IO擴(kuò)展用，IGBT橋臂采用三菱模塊CM150DY-24NF，濾波電感Lm=2mH，電網(wǎng)入口處串聯(lián)正反向測(cè)功儀來測(cè)量系統(tǒng)功耗，超級(jí)電容飽和功率設(shè)定Psat=2000W。功率計(jì)算用的超級(jí)電容電流和VSC電流均通過采樣頻率500Hz、階數(shù)100、系數(shù)0.01的FIR濾波器進(jìn)行平均值低通濾波。

實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)通過雙向Buck-Boost給超級(jí)電容充電到不控整流電壓值，然后閉合SW開關(guān)，使超級(jí)電容和直流母線直接連通;

(2)關(guān)閉雙向Buck-Boost，打開VSC，并且將母線電壓位置定在650V;

(3)對(duì)照實(shí)驗(yàn)①:按照?qǐng)D9(a)的功率曲線模擬電梯變頻器負(fù)載工作，系統(tǒng)采用不控整流、不使用超級(jí)電容而直接用功率電阻泄放制動(dòng)能量的工作方式，循環(huán)工作N個(gè)周期，記錄網(wǎng)側(cè)正向與負(fù)向功耗;

(4)對(duì)照實(shí)驗(yàn)②:在與步驟(3)中負(fù)載相同的情況下，系統(tǒng)不連接超級(jí)電容而是使VSC運(yùn)行在可控整流恒壓模式下［8，15］，同樣N個(gè)周期后，記錄網(wǎng)側(cè)正向與負(fù)向功耗;

圖9 負(fù)載最高功率6kW，單周期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig．9 6kW peak load，single-cycle operation experimtntalwaveforms

(5)對(duì)照實(shí)驗(yàn)③:在與步驟(3)中負(fù)載相同的情況下，采用本文提出的效率優(yōu)化控制方式，同樣N個(gè)周期后，記錄網(wǎng)側(cè)正向與負(fù)向功耗。

圖9為采用本文提出的控制策略的實(shí)驗(yàn)波形。

圖9(a)是通過一個(gè)四象限變流器模擬的電梯變頻器負(fù)載電流，其各個(gè)階段的特征與文獻(xiàn)［8，9］中的完全一樣。圖9(b)是VSC與超級(jí)電容組的電流波形，可以看到在本文提出的控制策略下超級(jí)電容的電流被限制在一定范圍內(nèi)，而VSC模塊則關(guān)閉或者電流被限制在較高值。由于使用了大時(shí)間常數(shù)的FIR濾波器，各電流的紋波均已被濾除，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。對(duì)比圖9(c)的母線電壓與文獻(xiàn)［5］可以看到，由于對(duì)超級(jí)電容功率做了限制，每個(gè)運(yùn)行周期的母線電壓沒有出現(xiàn)文獻(xiàn)［5］中的較大波動(dòng)，從而使超級(jí)電容能夠更加有效地吸收制動(dòng)能量、提高回收利用率。

不同負(fù)載下不同控制方法的實(shí)驗(yàn)?zāi)芎慕Y(jié)果見表2。表中的“負(fù)載峰值”是指負(fù)載波形如圖9(a)不變的情況下的最高功率峰值;“凈耗能”是實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)功儀總的正向功率與負(fù)向功率的差;“節(jié)能”百分比計(jì)算公式為(P1－P2-3)/P1，其中P1是對(duì)照實(shí)驗(yàn)①的凈耗能，P2-3是對(duì)照實(shí)驗(yàn)②和③的凈耗能，如果為正表示更節(jié)能，如果為負(fù)表示更耗能。

表2 節(jié)能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．2 Data of energy-saving experiments

表2中各對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如果僅僅使用VSC來回收制動(dòng)能量，則在低功率下不僅不節(jié)能而且會(huì)使能耗增加;采用本文提出的效率優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)了在全功率范圍內(nèi)節(jié)能的目的，大幅度提升了能量回收系統(tǒng)整體的效率。

6 結(jié)論

本文提出的電機(jī)能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略將超級(jí)電容儲(chǔ)能元件與電壓型并網(wǎng)變流器充分結(jié)合在一起，通過統(tǒng)一的控制策略使系統(tǒng)總是運(yùn)行在最節(jié)能的狀態(tài)中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)整體的效率優(yōu)化，降低了系統(tǒng)損耗。最終的仿真及實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)比單一使用電壓型變流器能量回收系統(tǒng)的效率提高了2.7%～23.2%。

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