電動(dòng)機(jī)再生電能并網(wǎng)回饋試驗(yàn)系統(tǒng)研究

蔣志堅(jiān)，戚宏博，郭百泉

（北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

電動(dòng)機(jī)作為能耗大戶，在許多特定工況下呈現(xiàn)“發(fā)電機(jī)”工作狀態(tài)，產(chǎn)生大量再生電能[1]。本文從交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流母線入手，將電動(dòng)機(jī)再生電能逆變回饋電網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了再生電能的回收利用。設(shè)計(jì)出電動(dòng)機(jī)再生電能并網(wǎng)回饋通用試驗(yàn)系統(tǒng)，并對試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入合理的設(shè)計(jì)，通過大量再生電能并網(wǎng)回饋試驗(yàn)，證明了采用該系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)再生電能回收研究的可行性和有效性。

1 建立通用試驗(yàn)平臺(tái)的必要性

電動(dòng)機(jī)消耗的電能占整個(gè)社會(huì)總耗電量的60%以上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)勢能性負(fù)載下放時(shí)或者電動(dòng)機(jī)從高速運(yùn)行減速時(shí)都會(huì)伴隨大量再生電能的產(chǎn)生。采用適當(dāng)?shù)姆椒▽υ偕娔芑厥绽?，?jīng)濟(jì)效益將十分可觀。

電動(dòng)機(jī)再生電能回收目前主要有直接逆變回饋電網(wǎng)和通過儲(chǔ)能裝置先存儲(chǔ)再利用兩種技術(shù)線路。儲(chǔ)能利用的方法投資較高，裝置體積較大，功率等級(jí)受儲(chǔ)能器件性能制約，適用性受到限制，技術(shù)很不成熟。再生電能直接逆變回饋電網(wǎng)的方法目前應(yīng)用較多，但回饋電能諧波含量和并網(wǎng)性能難以滿足電力管理的質(zhì)量要求急需在理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行大量理論研究和科學(xué)試驗(yàn)，因此建立通用電動(dòng)機(jī)再生電能并網(wǎng)回饋試驗(yàn)平臺(tái)十分必要。

2 再生電能模擬并網(wǎng)回饋試驗(yàn)線路

再生電能并網(wǎng)回饋技術(shù)的研究，最理想的方法是將處于再生電能工況的電動(dòng)機(jī)與再生電能回收裝置直接相連，在線試驗(yàn)。但是再生電能工況一般周期性出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間極短，研究不便。因此有必要在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電工況，模擬試驗(yàn)并網(wǎng)回饋能量的實(shí)際工作情況。這樣做可以明顯縮短研究周期、節(jié)省研究費(fèi)用。

3 再生電能并網(wǎng)回饋試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

再生電能并網(wǎng)回饋試驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)模擬電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電的工作過程；

2)模擬電動(dòng)機(jī)多變的機(jī)械負(fù)載力矩；

3)將再生電能逆變回饋電網(wǎng)；

4)各個(gè)功能模塊功率傳輸實(shí)時(shí)監(jiān)控；

5)保護(hù)電路；

如圖1所示，實(shí)際再生電能回饋電網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)由以下六部分組成：

1)電動(dòng)機(jī)可變負(fù)載模擬環(huán)節(jié)；

2)電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)工作環(huán)節(jié)；

3)再生電能逆變回饋并網(wǎng)裝置；

4)功率監(jiān)控與動(dòng)態(tài)顯示環(huán)節(jié)；

5)制動(dòng)和保護(hù)機(jī)構(gòu)；

6)上位機(jī)監(jiān)控軟件與通訊環(huán)節(jié)。

圖1 再生電能回饋試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

在圖1中，由電動(dòng)機(jī)1、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)2共同構(gòu)成了電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。其中由電動(dòng)機(jī)2和變頻器2構(gòu)成模擬裝置，模擬可變機(jī)械負(fù)載力矩，該模擬負(fù)載相當(dāng)于原動(dòng)機(jī)部分，為電機(jī)組合拖動(dòng)運(yùn)行提供一個(gè)超前力矩；由電動(dòng)機(jī)1和變頻器1模擬再生發(fā)電部分；發(fā)電機(jī)部分因得到原動(dòng)機(jī)提供一個(gè)超前的力矩拖動(dòng)而發(fā)電。原動(dòng)機(jī)部分的模擬負(fù)載力矩可以進(jìn)行設(shè)置，通過調(diào)節(jié)負(fù)載力矩的大小可以控制發(fā)電量的大小。功率監(jiān)控終端負(fù)責(zé)對各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞的電功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。制動(dòng)和保護(hù)機(jī)構(gòu)用于運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的緊急制動(dòng)和保護(hù)。上位機(jī)監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊，并對系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和顯示。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了再生電能持續(xù)可控的模擬過程，并對模擬再生發(fā)電進(jìn)行了實(shí)時(shí)回饋電網(wǎng)處理。由于可以對各個(gè)工作環(huán)節(jié)的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，便于核算各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率和能量回收進(jìn)程。

再生電能并網(wǎng)回收系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)再生電能回收系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由能量回饋試驗(yàn)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)通訊接口、兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)及其變頻器等構(gòu)成，試驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 再生電能并網(wǎng)回饋模擬試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 再生電能并網(wǎng)回饋裝置

再生電能并網(wǎng)回饋裝置作為核心部件，實(shí)現(xiàn)再生電能逆變回饋并網(wǎng)的核心功能，逆變主電路如圖4所示。

圖4 再生電能逆變主電路

直流母線上的直流電經(jīng)過逆變橋IGBT進(jìn)行脈寬調(diào)制，三相脈寬調(diào)制波經(jīng)過濾波電抗器形成三相正弦波電流，最終相對純凈且滿足并網(wǎng)技術(shù)要求的三相正弦波電流被并網(wǎng)輸出到三相電網(wǎng)。整個(gè)再生電能回饋裝置對于發(fā)電側(cè)的直流母線而言是一個(gè)負(fù)載，而對于三相電網(wǎng)來說是一個(gè)電源，協(xié)助電網(wǎng)供電，減少了電動(dòng)機(jī)對電網(wǎng)的電力索取，因此間接實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

電能回饋裝置控制回路的中央處理器選用DSPIC30F4011芯片，該芯片精度高、速度快，片上資源豐富，產(chǎn)生六路PWM控制信號(hào)，在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。

電能回饋裝置的硬件設(shè)計(jì)工作內(nèi)容較多，其中關(guān)鍵在于開關(guān)電源、電壓檢測電路、電網(wǎng)檢測電路、電流檢測電路和濾波電抗器等的設(shè)計(jì)。

3.2 負(fù)載力矩控制變頻器硬件的設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)2和變頻器2用于產(chǎn)生可變的電動(dòng)機(jī)負(fù)載力矩。負(fù)載力矩對于電動(dòng)機(jī)1的再生發(fā)電至關(guān)重要，負(fù)載力矩是與電動(dòng)機(jī)1的旋轉(zhuǎn)方向相同的，并且領(lǐng)先于電動(dòng)機(jī)1的旋轉(zhuǎn)力矩，因此造成電動(dòng)機(jī)1處于再生發(fā)電狀態(tài)，進(jìn)而模擬電動(dòng)機(jī)實(shí)際再生電能狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)2和變頻器2工作于力矩控制模式，依靠控制變頻器2輸出的驅(qū)動(dòng)電壓和電流來實(shí)現(xiàn)力矩可變控制。

3.3 功率監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

功率監(jiān)控終端的主要功能是對系統(tǒng)電能回饋時(shí)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)通訊到上位機(jī)的軟件界面中。它包括以下組成部分：測量功率的測量電路（測量的信號(hào)包括實(shí)時(shí)電壓信號(hào)、實(shí)時(shí)電流信號(hào)和實(shí)時(shí)功率信號(hào)）；用于連接現(xiàn)場總線的接口；向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出操作指令的輸出電路；以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器等，功率監(jiān)控終端組成如圖5所示。

圖5 功率監(jiān)控終端的組成

3.4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測和保護(hù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在大多數(shù)交流電動(dòng)機(jī)控制中，速度閉環(huán)控制必須具備精確檢測的反饋量。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用歐姆龍公司生產(chǎn)的E6HZ-CWZ6C系列光電式增量編碼器對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量。為防止電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)造成不安全因素，設(shè)計(jì)了制動(dòng)和保護(hù)機(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)采用直流能耗制動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)尚在旋轉(zhuǎn)時(shí)，接入直流勵(lì)磁，鼠籠轉(zhuǎn)子切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流所產(chǎn)生的電磁力矩阻礙電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而制動(dòng)電動(dòng)機(jī)逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 再生電能回饋試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了嵌入式控制軟件、工業(yè)組態(tài)軟件以及相關(guān)先進(jìn)技術(shù)和理論。

4.1 電能回饋試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件構(gòu)架

電能回饋試驗(yàn)系統(tǒng)從邏輯上分為：轉(zhuǎn)速控制、力矩控制、發(fā)電量的回饋、功率監(jiān)控、上位機(jī)顯示等部分，分別有相應(yīng)的軟件，各部分的邏輯關(guān)系如圖6所示。

圖6 軟件模塊之間的邏輯關(guān)系

其中電動(dòng)機(jī)1用于再生發(fā)電，它的控制模式是轉(zhuǎn)速控制，它模擬的是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在指定的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器采用的是轉(zhuǎn)速控制軟件。電動(dòng)機(jī)2用于產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)模擬負(fù)載力矩，它的控制模式是力矩控制，產(chǎn)生指定的負(fù)載力矩。電能回饋裝置內(nèi)置回饋控制軟件，用于控制電能回饋按照規(guī)定的工作電壓將所發(fā)出的電能逆變并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量和輸出電量的平衡，同時(shí)保持變頻器的直流母線電壓穩(wěn)定。功率監(jiān)控終端采用功率計(jì)算軟件對功率進(jìn)行在線監(jiān)控計(jì)算，并采用MODBUS RTU通訊協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。上位機(jī)為工業(yè)組態(tài)軟件，在其基礎(chǔ)上構(gòu)造的監(jiān)控畫面通訊獲得各個(gè)參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上。各部分軟件是相互獨(dú)立的，各自獨(dú)立運(yùn)行，通過統(tǒng)一的RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

4.2 電能回饋裝置軟件設(shè)計(jì)

電能回饋裝置用于從發(fā)電變頻器的直流母線取出直流電能，并將其轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電輸出。電能回饋裝置的主要功能有直流母線電壓的穩(wěn)定控制和三相交流電輸出控制，電能回饋裝置的軟件框圖如圖7所示，具體由以下四部分組成。

圖7 電能回饋控制軟件框圖

1)直流母線電壓控制的PID計(jì)算。基準(zhǔn)值選擇在570V～670V直流電之間，電壓控制PID算法應(yīng)將直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近運(yùn)行，此時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電量和耗電量相平衡，直流母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)計(jì)算輸出電流的相位和幅值。先將電網(wǎng)檢測的三相電壓單位化，其中含有電網(wǎng)的瞬時(shí)相位。電能回饋的輸出電流應(yīng)與電網(wǎng)電壓同頻同相，因此輸出電流的瞬時(shí)給定值等于單位化之后的電網(wǎng)電壓信號(hào)乘以輸出電流的理論幅值，將輸出電流的瞬時(shí)給定值作為電流控制PID算法的給定值，從而指定了輸出電流的相位和幅值。

3)實(shí)現(xiàn)電流控制PID算法。根據(jù)輸出電流的瞬時(shí)給定值和三相真實(shí)電流檢測值之間的誤差進(jìn)行PID計(jì)算，輸出的控制量為三相PWM輸出電壓。如果真實(shí)電流小于給定電流則增大輸出電壓；如果真實(shí)電流大于給定電流則降低輸出電壓。

4)SVPWM調(diào)制模塊。根據(jù)所需輸出的PWM電壓，進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM計(jì)算，并轉(zhuǎn)化成為六只IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，并發(fā)出相應(yīng)的SVPWM觸發(fā)波形。

4.3 變頻器軟件的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)中使用的變頻器有兩套，其中一套工作在轉(zhuǎn)速控制模式，另一套工作在力矩控制模式。為了精確地控制轉(zhuǎn)速和力矩，要求變頻器對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩具有很好的控制性能。但本系統(tǒng)的控制對象為三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它的力矩原本是不具備精確控制能力的，原因是它的勵(lì)磁電流與力矩電流是耦合的，無法獨(dú)立控制。為解決困難，本文引入了交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制算法，將勵(lì)磁電流和力矩電流解耦，在穩(wěn)定勵(lì)磁電流的同時(shí)，使得力矩電流可控，能夠精確控制力矩，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.4 功率監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

功率監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)的主要功能是測量回饋輸出的電壓、電流，將電壓和電流作乘法，得到瞬時(shí)功率，根據(jù)電壓、電流信號(hào)計(jì)算它們的均方根（有效值），并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過MODBUS RTU協(xié)議通訊傳遞到上位機(jī)。

本系統(tǒng)通過編程實(shí)現(xiàn)了兩路MODBUS RTU通訊，可以分別為本地顯示屏和遠(yuǎn)程上位機(jī)提供通訊接口，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，功率監(jiān)控終端所采集的電壓、電流、功率信號(hào)都可以在上位機(jī)軟件上顯示。

4.5 試驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)通訊軟件

試驗(yàn)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)通訊軟件。在組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的流程為：站參數(shù)定義、數(shù)據(jù)點(diǎn)定義、畫面制作、調(diào)試等步驟。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面截圖如圖8所示。

圖8 上位機(jī)軟件界面

5 試驗(yàn)與分析

電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電能回饋逆變器直流母線電壓Udc(CH3)、網(wǎng)側(cè)電壓ea（CH1)、網(wǎng)側(cè)相電流ia(CH2)的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)波形如圖9所示。

圖9 電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電電壓電流波形

由圖9試驗(yàn)波形可知，系統(tǒng)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電能回饋逆變器工作于逆變狀態(tài)，再生電能經(jīng)回饋逆變裝置返回電網(wǎng)，并能使直流母線的電壓相對地穩(wěn)定。并網(wǎng)側(cè)電流和電壓的畸變小、正弦度較好，有較高的輸入功率因數(shù)。

通過模擬負(fù)載的電動(dòng)機(jī)2給電動(dòng)機(jī)1施加一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)矩，來觀察再生電能回饋電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)工作情況。通過模擬負(fù)載電動(dòng)機(jī)2給處于再生發(fā)電的電動(dòng)機(jī)1分別施加其額定負(fù)載的20%和80%，記錄電能回饋系統(tǒng)在兩種不同負(fù)載情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1)模擬加載20%

再生電能并網(wǎng)發(fā)電電流波形、功率波形和直流母線電壓如圖10所示。

圖10 負(fù)載率為20%時(shí)并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)

圖11 發(fā)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率為80%時(shí)并網(wǎng)發(fā)電

圖10中，電動(dòng)機(jī)再生電能并網(wǎng)回饋系統(tǒng)輸入功率因數(shù)為0.94，電流的波形較好，直流母線電壓比較穩(wěn)定。

2)模擬加載80%

再生電能并網(wǎng)回饋電流波形、功率波形和直流母線電壓如圖11所示。

圖11中，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)回饋系統(tǒng)并網(wǎng)功率因數(shù)為0.98，電流的波形較好，直流母線電壓比較平穩(wěn)。

6 結(jié)論

綜上所述，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)能將再生電能并網(wǎng)回饋電網(wǎng)，同時(shí)有效地穩(wěn)定直流母線電壓。同時(shí)并網(wǎng)側(cè)電流畸變小，并網(wǎng)功率穩(wěn)定，具有較高的輸入功率因數(shù)和電能質(zhì)量。

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