脈動(dòng)輸出型大功率級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能變流器的新型拓?fù)溲芯?/h1>
2022-03-23 07:45:14張新剛范瑞祥
江西電力 2022年2期
張新剛，王 瀟，安 昱，張 揚(yáng)，范瑞祥
（1.特變電工股份有限公司，新疆 昌吉 831100；2.南昌工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）
0 引言
高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器是一種特殊的儲(chǔ)能變流器，一般應(yīng)用于磁懸浮裝置、電磁彈射器和電磁軌道炮等需要瞬間加速的工業(yè)場(chǎng)合。這類場(chǎng)合的電機(jī)一般為永磁同步直線電機(jī)，功率可達(dá)到100 MVA以上；功率因數(shù)較低，無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率；加速過(guò)程應(yīng)當(dāng)保持恒轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到更平穩(wěn)的瞬態(tài)特性。以上特點(diǎn)決定了高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器的技術(shù)與常規(guī)采用超級(jí)電容的儲(chǔ)能變流器[1-2]在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制上存在較大區(qū)別。
現(xiàn)有的儲(chǔ)能變流器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來(lái)，基于多電平技術(shù)高壓大容量的變流器在我國(guó)工業(yè)市場(chǎng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，顯著提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率[3]。傳統(tǒng)三電平背靠背變流器的控制系統(tǒng)需要分為兩部分，即三電平的整流器控制和逆變器控制，這使控制方式變得復(fù)雜[4]。文獻(xiàn)[5]提到的基于二極管箝位型三電平變換器因其控制效果較好、控制方法較為成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于軋鋼、鐵路、礦井等中壓大功率場(chǎng)合。但是由于二極管特性參數(shù)不一致會(huì)導(dǎo)致所串聯(lián)的二級(jí)管電壓存在偏差，而偏差太大會(huì)造成二極管器件損壞[6-7]，因而需要均壓措施和RC吸收電路，但這又導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，成本增加。
這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從原理上也可以應(yīng)用于高壓大功率儲(chǔ)能變流器，但是由于功率過(guò)大，傳統(tǒng)拓?fù)洳粎^(qū)分有功功率和無(wú)功功率，電池容量極大、數(shù)量極多，造成經(jīng)濟(jì)性和可靠性都很低，因此需要一種新的拓?fù)鋪?lái)降低成本，優(yōu)化儲(chǔ)能配置。文中在級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)?、增加超?jí)電容和限流電感的基礎(chǔ)上對(duì)功率模塊進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器充電階段采用不控整流的方式[8-9]，輸出功率不可主動(dòng)控制，文中所提變換器在采用不控整流與排序均壓相結(jié)合的方式，可極大改善輸出波形，且輸出功率可控，并將有功功率與無(wú)功功率區(qū)分開來(lái)。傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器通過(guò)以下控制策略驅(qū)動(dòng)電機(jī)：恒壓頻比控制（V/F）、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制。恒壓頻比控制方式是在控制過(guò)程中保持電壓與頻率比率近似不變[10-11]；矢量控制比其他兩種控制完善得多，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩高，精度高，響應(yīng)快；高精度調(diào)速都采用矢量控制變流器（SVPWM）[12-13]；文獻(xiàn)[14-15]所述直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與矢量控制相比，被控量為轉(zhuǎn)矩，但直接轉(zhuǎn)矩控制在高頻運(yùn)行和低頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際性能都不如矢量控制。為了實(shí)現(xiàn)充電放電過(guò)程中的穩(wěn)定，在新的拓?fù)湎?，傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器的啟動(dòng)電路、主電路和控制策略都要發(fā)生相應(yīng)改變。
基于此，文中研究了新型高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)理論計(jì)算和仿真，驗(yàn)證了啟動(dòng)、充電和電機(jī)控制過(guò)程的暫態(tài)特性。
1 脈沖動(dòng)力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理
1.1 變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的T 型三電平大功率儲(chǔ)能變流器功率單元拓?fù)?，如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)的三電平變流器拓?fù)?/p>
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)的拓?fù)溥M(jìn)行改良，采用級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能變流器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將運(yùn)行過(guò)程分為充電和放電，充電時(shí)將電能經(jīng)H橋整流并儲(chǔ)存至超級(jí)電容，放電時(shí)，儲(chǔ)能變流器經(jīng)H橋逆變輸出為六相永磁同步直線電機(jī)供電，電機(jī)連接固定機(jī)械負(fù)載，可以恒轉(zhuǎn)矩也可以恒功率啟動(dòng)并運(yùn)行。每相包括移相隔離變壓器，進(jìn)線端為三相交流電。
圖2 六相儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
換流鏈結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，其中每個(gè)功率單元由超級(jí)電容、限流電感、薄膜電容和H橋八部分組成。模塊通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能，超級(jí)電容選用標(biāo)準(zhǔn)模塊電容以降低成本。為了限制超級(jí)電容的放電電流，在超級(jí)電容與H 橋薄膜電容間串聯(lián)了電感L 以限制超級(jí)電容放電電流[16]。薄膜電容從超級(jí)電容接收有功能量，與負(fù)載進(jìn)行無(wú)功能量交換。
1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法
1.2.1 換流鏈模塊數(shù)計(jì)算
電機(jī)加速過(guò)程中，超級(jí)電容電壓一直下降，需要保證在電機(jī)加速到最高點(diǎn)時(shí)，超級(jí)電容仍然能夠向薄膜電容中注入足夠的能量，故超級(jí)電容組與薄膜電容間需要有足夠的電壓差[17]。
星形接線變流器調(diào)制比m為：
式中：n為模塊數(shù)；UφN為網(wǎng)側(cè)電壓；Vdc為換流鏈直流電壓；uaN為放電電壓；vdc為超級(jí)電容電壓；m為調(diào)制比。即：
考慮到死區(qū)、延時(shí)等的影響，空載調(diào)制比m最大值一般取0.85，因此可得：
1.2.2 超級(jí)電容容值計(jì)算
超級(jí)電容容值為C0，直線電機(jī)的容量為SN，功率因數(shù)為cosφ，則有功功率可以表示為P=SNcosφ。
因此，儲(chǔ)能能量Wall可以表示為：
因此每個(gè)功率單元模塊內(nèi)超級(jí)電容組的儲(chǔ)能WC0為：
而儲(chǔ)能的基本公式為：
超級(jí)電容的電壓和電流滿足：
該設(shè)計(jì)超級(jí)電容組充滿后電壓為vc0_max，最低放電電壓為vc0_min，考慮到電容會(huì)存在容值下降，假設(shè)下降系數(shù)為β，綜合式（5）和式（6），可得修正后的電容公式為：
1.2.3 限流電抗器與薄膜電容的計(jì)算
超級(jí)電容放電需串聯(lián)限流電抗器限流，為防止電抗器飽和，采用干式空芯電抗器，電抗器數(shù)值可根據(jù)式（6）和式（7）得出，則有：式中：α表示電抗率；Svn表示超級(jí)電容額定容量；f為頻率；URMS為每個(gè)相單元相電壓有效值，考慮了1.3倍的過(guò)流。
從超級(jí)電容輸送到薄膜電容的均為有功功率（損耗忽略），IRMS為相電流有效值，cosφ為功率因數(shù)，故每個(gè)相單元有功功率為：
開關(guān)頻率為fSF，則平均每個(gè)脈沖能量為：
薄膜電容最大放電電壓為vc1_max，最低放電電壓為vc1_min，可得C1
從無(wú)功功率Q方面考慮，電容與電機(jī)線圈電感之間需要進(jìn)行能量交換。薄膜電壓為uc1_dc，其電壓波動(dòng)為Δuc1_dc，則
根據(jù)式（12）和式（14）可得出所需薄膜電容范圍取值。
2 脈沖動(dòng)力變換器的充電放電控制策略
所提變換器采用排序均壓的方式進(jìn)行充電，在前200 s內(nèi)保持不控充電，之后切換成排序均壓充電。功率模塊的排序均壓原理是：首先檢測(cè)橋臂中所有SM 的電容電壓并對(duì)其進(jìn)行排序，設(shè)uci按增序排列；根據(jù)iarm方向，選擇電容電壓最低/最高的Non個(gè)功率模塊投入，其余模塊切出，以維持橋臂電壓均衡[18]。功率模塊排序均壓原理如圖3所示。
圖3 功率模塊排序均壓原理
由橋臂參考電壓變換引起的子模塊投切（開關(guān)頻率下限值）以及電容電壓均衡所需的功率模塊投切共同組成了功率模塊前后兩個(gè)控制周期Tk和Tk+1的投切。令橋臂電流iarm方向?yàn)檎?，功率模塊的投入/切出狀態(tài)如圖4所示。
圖4 控制周期Tk和Tk+1的功率模塊投切
圖4中控制周期Tk+1存在兩種情形，當(dāng)Tk和Tk+1兩個(gè)控制周期導(dǎo)通的模塊數(shù)和nref（Tk）+nrefTk+1＞N時(shí)，功率模塊的投切如圖4（a）所示，當(dāng)nref（Tk）+nrefTk+1＜N時(shí)，功率模塊的投切如圖4（b）所示。排序均壓算法通過(guò)上述的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率模塊的充放電控制，最終所有子模塊電壓趨于一致[19]。
3 仿真驗(yàn)證
3.1 啟動(dòng)充電仿真
主回路參數(shù)如表1所示，全橋型模塊運(yùn)行于交流側(cè)充電模式時(shí)，交流啟動(dòng)100 Ω 電阻和15 mH 電抗器串聯(lián)的充電回路；不控充電階段一直帶啟動(dòng)電阻；不控充電階段穩(wěn)定后切除啟動(dòng)電阻；此后帶著電抗器進(jìn)行排序均壓充電。
表1 主回路參數(shù)
充電時(shí)各模塊電壓和電流變化如圖5所示。
圖5 充電時(shí)各模塊電壓與電流
如圖5（a）所示，整個(gè)充電過(guò)程分為四個(gè)階段：1）不控整流充電，全橋模塊充電，帶啟動(dòng)電阻、電抗器。2）不控充電穩(wěn)態(tài)，切除啟動(dòng)電阻，保留電抗器。3）可控充電階段，根據(jù)電壓排序結(jié)果，對(duì)電壓較高序列的模塊進(jìn)行處理。4）可控充電穩(wěn)態(tài)，平均電壓大于1100 V 后，停止排序充電，并切除充電電抗器。圖5（b）中，薄膜電容上的最大電流約210 A 左右。圖5（c）中，220 s前不控充電，220 s后切除軟啟電阻，進(jìn)行排序可控充電；220 s時(shí)，切除軟啟電阻，沖擊電流約100A；300 s開始切除電壓高的模塊，沖擊電流最大約200 A。每增加一次切除數(shù)，則出現(xiàn)一次電流沖擊峰值。圖5（d）中，超級(jí)電容電流最大約為120A。
3.2 電機(jī)運(yùn)行仿真
交流充電完成后，切除充電電阻，并且轉(zhuǎn)入電機(jī)并網(wǎng)啟動(dòng)過(guò)程。電機(jī)給定的轉(zhuǎn)速?gòu)?開始啟動(dòng)，因此，采用轉(zhuǎn)矩指令加電流矢量的方案時(shí)，需要給轉(zhuǎn)矩一個(gè)斜坡指令，使得電流緩慢上升。運(yùn)行時(shí)的電流和電壓波形如圖6所示。
圖6 運(yùn)行時(shí)的電流和電壓波形
圖6（a）中，定子電流幅值保持在14140 A 左右，結(jié)合圖6（b），在0～3 s，加速時(shí)定子電流頻率提升到700 Hz，加速過(guò)程存在輕微電流幅值上升。圖6（c）中，3～6 s時(shí)，降速過(guò)程中定子電流頻率下降至50 Hz左右，此時(shí)可停機(jī)。
運(yùn)行時(shí)薄膜電容與超級(jí)電容電流波形如圖7所示。
圖7 運(yùn)行時(shí)薄膜電容與超級(jí)電容電流波形
圖7（a）中，流過(guò)薄膜電容C1的電流穩(wěn)態(tài)幅值約為14000 A 左右。圖7（b）中流過(guò)超級(jí)電容C0的電流穩(wěn)態(tài)幅值最大約為900 A 左右。0～3s轉(zhuǎn)速加速電流上升，3～6 s轉(zhuǎn)速下降，處于回饋狀態(tài)，電流出現(xiàn)正值800 A。
4 分析與討論
通過(guò)已有的拓?fù)鋵?duì)比傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器與所提脈沖動(dòng)力變換器，得到如表2所示的結(jié)果。綜上所述，可知所提變換器不僅僅在器件數(shù)量及容量上節(jié)省了成本，還區(qū)分了有功和無(wú)功功率，能穩(wěn)定儲(chǔ)存能量的同時(shí)，在運(yùn)行電機(jī)階段也能提供穩(wěn)定的電流。
表2 傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器與所提變換器的功率單元對(duì)比
5 結(jié)語(yǔ)
文中圍繞高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，與傳統(tǒng)的背靠背變流器相比，所提出的基于級(jí)聯(lián)H 橋的脈沖動(dòng)力變換器在功率單元上節(jié)省了開關(guān)器件的數(shù)量，降低了儲(chǔ)能電容的容值，大大節(jié)省了成本；并通過(guò)排序均壓算法，實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程中各個(gè)子模塊超級(jí)電容電壓穩(wěn)定；最后通過(guò)仿真對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
猜你喜歡
電容器組串聯(lián)電抗器燒毀的原因分析與處理方法探討電力設(shè)備管理(2022年3期)2022-03-18 01:18:00 排序不等式中學(xué)生數(shù)理化·七年級(jí)數(shù)學(xué)人教版(2022年11期)2022-02-14 07:14:12 恐怖排序科普童話·學(xué)霸日記(2020年1期)2020-05-08 16:45:11 節(jié)日排序小天使·一年級(jí)語(yǔ)數(shù)英綜合(2019年2期)2019-01-10 11:57:30 刻舟求劍兒童繪本(2018年5期)2018-04-12 16:45:32 中壓一體化儲(chǔ)能變流器的設(shè)計(jì)電測(cè)與儀表(2016年8期)2016-04-15 00:30:16 基于背靠背變流器的并網(wǎng)控制研究通信電源技術(shù)(2016年4期)2016-04-04 02:57:12 具有低諧波的新型三相磁閥式可控電抗器電力建設(shè)(2015年2期)2015-07-12 14:16:07 改進(jìn)PR控制在直驅(qū)風(fēng)機(jī)變流器中的應(yīng)用電測(cè)與儀表(2015年16期)2015-04-12 00:44:34 基于DSP的磁閥式可控電抗器控制系統(tǒng)采樣電路的設(shè)計(jì)電測(cè)與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:31:06
張新剛，王 瀟，安 昱，張 揚(yáng)，范瑞祥
（1.特變電工股份有限公司，新疆 昌吉 831100；2.南昌工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096）
0 引言
高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器是一種特殊的儲(chǔ)能變流器，一般應(yīng)用于磁懸浮裝置、電磁彈射器和電磁軌道炮等需要瞬間加速的工業(yè)場(chǎng)合。這類場(chǎng)合的電機(jī)一般為永磁同步直線電機(jī)，功率可達(dá)到100 MVA以上；功率因數(shù)較低，無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功功率；加速過(guò)程應(yīng)當(dāng)保持恒轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到更平穩(wěn)的瞬態(tài)特性。以上特點(diǎn)決定了高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器的技術(shù)與常規(guī)采用超級(jí)電容的儲(chǔ)能變流器[1-2]在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制上存在較大區(qū)別。
現(xiàn)有的儲(chǔ)能變流器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來(lái)，基于多電平技術(shù)高壓大容量的變流器在我國(guó)工業(yè)市場(chǎng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，顯著提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率[3]。傳統(tǒng)三電平背靠背變流器的控制系統(tǒng)需要分為兩部分，即三電平的整流器控制和逆變器控制，這使控制方式變得復(fù)雜[4]。文獻(xiàn)[5]提到的基于二極管箝位型三電平變換器因其控制效果較好、控制方法較為成熟、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于軋鋼、鐵路、礦井等中壓大功率場(chǎng)合。但是由于二極管特性參數(shù)不一致會(huì)導(dǎo)致所串聯(lián)的二級(jí)管電壓存在偏差，而偏差太大會(huì)造成二極管器件損壞[6-7]，因而需要均壓措施和RC吸收電路，但這又導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，成本增加。
這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從原理上也可以應(yīng)用于高壓大功率儲(chǔ)能變流器，但是由于功率過(guò)大，傳統(tǒng)拓?fù)洳粎^(qū)分有功功率和無(wú)功功率，電池容量極大、數(shù)量極多，造成經(jīng)濟(jì)性和可靠性都很低，因此需要一種新的拓?fù)鋪?lái)降低成本，優(yōu)化儲(chǔ)能配置。文中在級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)?、增加超?jí)電容和限流電感的基礎(chǔ)上對(duì)功率模塊進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器充電階段采用不控整流的方式[8-9]，輸出功率不可主動(dòng)控制，文中所提變換器在采用不控整流與排序均壓相結(jié)合的方式，可極大改善輸出波形，且輸出功率可控，并將有功功率與無(wú)功功率區(qū)分開來(lái)。傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器通過(guò)以下控制策略驅(qū)動(dòng)電機(jī)：恒壓頻比控制（V/F）、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制。恒壓頻比控制方式是在控制過(guò)程中保持電壓與頻率比率近似不變[10-11]；矢量控制比其他兩種控制完善得多，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩高，精度高，響應(yīng)快；高精度調(diào)速都采用矢量控制變流器（SVPWM）[12-13]；文獻(xiàn)[14-15]所述直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與矢量控制相比，被控量為轉(zhuǎn)矩，但直接轉(zhuǎn)矩控制在高頻運(yùn)行和低頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際性能都不如矢量控制。為了實(shí)現(xiàn)充電放電過(guò)程中的穩(wěn)定，在新的拓?fù)湎?，傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器的啟動(dòng)電路、主電路和控制策略都要發(fā)生相應(yīng)改變。
基于此，文中研究了新型高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)依據(jù)。通過(guò)理論計(jì)算和仿真，驗(yàn)證了啟動(dòng)、充電和電機(jī)控制過(guò)程的暫態(tài)特性。
1 脈沖動(dòng)力變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理
1.1 變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的T 型三電平大功率儲(chǔ)能變流器功率單元拓?fù)?，如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)的三電平變流器拓?fù)?/p>
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)的拓?fù)溥M(jìn)行改良，采用級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能變流器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。將運(yùn)行過(guò)程分為充電和放電，充電時(shí)將電能經(jīng)H橋整流并儲(chǔ)存至超級(jí)電容，放電時(shí)，儲(chǔ)能變流器經(jīng)H橋逆變輸出為六相永磁同步直線電機(jī)供電，電機(jī)連接固定機(jī)械負(fù)載，可以恒轉(zhuǎn)矩也可以恒功率啟動(dòng)并運(yùn)行。每相包括移相隔離變壓器，進(jìn)線端為三相交流電。
圖2 六相儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
換流鏈結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，其中每個(gè)功率單元由超級(jí)電容、限流電感、薄膜電容和H橋八部分組成。模塊通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能，超級(jí)電容選用標(biāo)準(zhǔn)模塊電容以降低成本。為了限制超級(jí)電容的放電電流，在超級(jí)電容與H 橋薄膜電容間串聯(lián)了電感L 以限制超級(jí)電容放電電流[16]。薄膜電容從超級(jí)電容接收有功能量，與負(fù)載進(jìn)行無(wú)功能量交換。
1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法
1.2.1 換流鏈模塊數(shù)計(jì)算
電機(jī)加速過(guò)程中，超級(jí)電容電壓一直下降，需要保證在電機(jī)加速到最高點(diǎn)時(shí)，超級(jí)電容仍然能夠向薄膜電容中注入足夠的能量，故超級(jí)電容組與薄膜電容間需要有足夠的電壓差[17]。
星形接線變流器調(diào)制比m為：
式中：n為模塊數(shù)；UφN為網(wǎng)側(cè)電壓；Vdc為換流鏈直流電壓；uaN為放電電壓；vdc為超級(jí)電容電壓；m為調(diào)制比。即：
考慮到死區(qū)、延時(shí)等的影響，空載調(diào)制比m最大值一般取0.85，因此可得：
1.2.2 超級(jí)電容容值計(jì)算
超級(jí)電容容值為C0，直線電機(jī)的容量為SN，功率因數(shù)為cosφ，則有功功率可以表示為P=SNcosφ。
因此，儲(chǔ)能能量Wall可以表示為：
因此每個(gè)功率單元模塊內(nèi)超級(jí)電容組的儲(chǔ)能WC0為：
而儲(chǔ)能的基本公式為：
超級(jí)電容的電壓和電流滿足：
該設(shè)計(jì)超級(jí)電容組充滿后電壓為vc0_max，最低放電電壓為vc0_min，考慮到電容會(huì)存在容值下降，假設(shè)下降系數(shù)為β，綜合式（5）和式（6），可得修正后的電容公式為：
1.2.3 限流電抗器與薄膜電容的計(jì)算
超級(jí)電容放電需串聯(lián)限流電抗器限流，為防止電抗器飽和，采用干式空芯電抗器，電抗器數(shù)值可根據(jù)式（6）和式（7）得出，則有：式中：α表示電抗率；Svn表示超級(jí)電容額定容量；f為頻率；URMS為每個(gè)相單元相電壓有效值，考慮了1.3倍的過(guò)流。
從超級(jí)電容輸送到薄膜電容的均為有功功率（損耗忽略），IRMS為相電流有效值，cosφ為功率因數(shù)，故每個(gè)相單元有功功率為：
開關(guān)頻率為fSF，則平均每個(gè)脈沖能量為：
薄膜電容最大放電電壓為vc1_max，最低放電電壓為vc1_min，可得C1
從無(wú)功功率Q方面考慮，電容與電機(jī)線圈電感之間需要進(jìn)行能量交換。薄膜電壓為uc1_dc，其電壓波動(dòng)為Δuc1_dc，則
根據(jù)式（12）和式（14）可得出所需薄膜電容范圍取值。
2 脈沖動(dòng)力變換器的充電放電控制策略
所提變換器采用排序均壓的方式進(jìn)行充電，在前200 s內(nèi)保持不控充電，之后切換成排序均壓充電。功率模塊的排序均壓原理是：首先檢測(cè)橋臂中所有SM 的電容電壓并對(duì)其進(jìn)行排序，設(shè)uci按增序排列；根據(jù)iarm方向，選擇電容電壓最低/最高的Non個(gè)功率模塊投入，其余模塊切出，以維持橋臂電壓均衡[18]。功率模塊排序均壓原理如圖3所示。
圖3 功率模塊排序均壓原理
由橋臂參考電壓變換引起的子模塊投切（開關(guān)頻率下限值）以及電容電壓均衡所需的功率模塊投切共同組成了功率模塊前后兩個(gè)控制周期Tk和Tk+1的投切。令橋臂電流iarm方向?yàn)檎?，功率模塊的投入/切出狀態(tài)如圖4所示。
圖4 控制周期Tk和Tk+1的功率模塊投切
圖4中控制周期Tk+1存在兩種情形，當(dāng)Tk和Tk+1兩個(gè)控制周期導(dǎo)通的模塊數(shù)和nref（Tk）+nrefTk+1＞N時(shí)，功率模塊的投切如圖4（a）所示，當(dāng)nref（Tk）+nrefTk+1＜N時(shí)，功率模塊的投切如圖4（b）所示。排序均壓算法通過(guò)上述的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率模塊的充放電控制，最終所有子模塊電壓趨于一致[19]。
3 仿真驗(yàn)證
3.1 啟動(dòng)充電仿真
主回路參數(shù)如表1所示，全橋型模塊運(yùn)行于交流側(cè)充電模式時(shí)，交流啟動(dòng)100 Ω 電阻和15 mH 電抗器串聯(lián)的充電回路；不控充電階段一直帶啟動(dòng)電阻；不控充電階段穩(wěn)定后切除啟動(dòng)電阻；此后帶著電抗器進(jìn)行排序均壓充電。
表1 主回路參數(shù)
充電時(shí)各模塊電壓和電流變化如圖5所示。
圖5 充電時(shí)各模塊電壓與電流
如圖5（a）所示，整個(gè)充電過(guò)程分為四個(gè)階段：1）不控整流充電，全橋模塊充電，帶啟動(dòng)電阻、電抗器。2）不控充電穩(wěn)態(tài)，切除啟動(dòng)電阻，保留電抗器。3）可控充電階段，根據(jù)電壓排序結(jié)果，對(duì)電壓較高序列的模塊進(jìn)行處理。4）可控充電穩(wěn)態(tài)，平均電壓大于1100 V 后，停止排序充電，并切除充電電抗器。圖5（b）中，薄膜電容上的最大電流約210 A 左右。圖5（c）中，220 s前不控充電，220 s后切除軟啟電阻，進(jìn)行排序可控充電；220 s時(shí)，切除軟啟電阻，沖擊電流約100A；300 s開始切除電壓高的模塊，沖擊電流最大約200 A。每增加一次切除數(shù)，則出現(xiàn)一次電流沖擊峰值。圖5（d）中，超級(jí)電容電流最大約為120A。
3.2 電機(jī)運(yùn)行仿真
交流充電完成后，切除充電電阻，并且轉(zhuǎn)入電機(jī)并網(wǎng)啟動(dòng)過(guò)程。電機(jī)給定的轉(zhuǎn)速?gòu)?開始啟動(dòng)，因此，采用轉(zhuǎn)矩指令加電流矢量的方案時(shí)，需要給轉(zhuǎn)矩一個(gè)斜坡指令，使得電流緩慢上升。運(yùn)行時(shí)的電流和電壓波形如圖6所示。
圖6 運(yùn)行時(shí)的電流和電壓波形
圖6（a）中，定子電流幅值保持在14140 A 左右，結(jié)合圖6（b），在0～3 s，加速時(shí)定子電流頻率提升到700 Hz，加速過(guò)程存在輕微電流幅值上升。圖6（c）中，3～6 s時(shí)，降速過(guò)程中定子電流頻率下降至50 Hz左右，此時(shí)可停機(jī)。
運(yùn)行時(shí)薄膜電容與超級(jí)電容電流波形如圖7所示。
圖7 運(yùn)行時(shí)薄膜電容與超級(jí)電容電流波形
圖7（a）中，流過(guò)薄膜電容C1的電流穩(wěn)態(tài)幅值約為14000 A 左右。圖7（b）中流過(guò)超級(jí)電容C0的電流穩(wěn)態(tài)幅值最大約為900 A 左右。0～3s轉(zhuǎn)速加速電流上升，3～6 s轉(zhuǎn)速下降，處于回饋狀態(tài)，電流出現(xiàn)正值800 A。
4 分析與討論
通過(guò)已有的拓?fù)鋵?duì)比傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器與所提脈沖動(dòng)力變換器，得到如表2所示的結(jié)果。綜上所述，可知所提變換器不僅僅在器件數(shù)量及容量上節(jié)省了成本，還區(qū)分了有功和無(wú)功功率，能穩(wěn)定儲(chǔ)存能量的同時(shí)，在運(yùn)行電機(jī)階段也能提供穩(wěn)定的電流。
表2 傳統(tǒng)儲(chǔ)能變流器與所提變換器的功率單元對(duì)比
5 結(jié)語(yǔ)
文中圍繞高壓大功率脈沖動(dòng)力變換器系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，與傳統(tǒng)的背靠背變流器相比，所提出的基于級(jí)聯(lián)H 橋的脈沖動(dòng)力變換器在功率單元上節(jié)省了開關(guān)器件的數(shù)量，降低了儲(chǔ)能電容的容值，大大節(jié)省了成本；并通過(guò)排序均壓算法，實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程中各個(gè)子模塊超級(jí)電容電壓穩(wěn)定；最后通過(guò)仿真對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
猜你喜歡
電力設(shè)備管理(2022年3期)2022-03-18 01:18:00
中學(xué)生數(shù)理化·七年級(jí)數(shù)學(xué)人教版(2022年11期)2022-02-14 07:14:12
科普童話·學(xué)霸日記(2020年1期)2020-05-08 16:45:11
小天使·一年級(jí)語(yǔ)數(shù)英綜合(2019年2期)2019-01-10 11:57:30
兒童繪本(2018年5期)2018-04-12 16:45:32
電測(cè)與儀表(2016年8期)2016-04-15 00:30:16
通信電源技術(shù)(2016年4期)2016-04-04 02:57:12
電力建設(shè)(2015年2期)2015-07-12 14:16:07
電測(cè)與儀表(2015年16期)2015-04-12 00:44:34
電測(cè)與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:31:06
