摘要：本文從控制原理特點、典型應用場合、實驗結果分析等方面簡明扼要闡述了可再生能源回饋裝置。此裝置具有網(wǎng)側功率因數(shù)高，電流諧波小，呈現(xiàn)受控電流源特性，易于多單元并聯(lián)，動態(tài)響應快，整體效率高等特點。 關鍵詞： 能量回饋 功率因數(shù) 電流源 一、 引言 在當今能源緊缺的時代里，合理利用能源，有效節(jié)約能源，已經(jīng)成為人們關注的焦點。例如礦用提升機等交-直-交控制系統(tǒng)中電動機運行在發(fā)電狀態(tài)時發(fā)出的再生能量，又如柴油機生產(chǎn)廠家對柴油機的出廠測試中以及電動機生產(chǎn)廠家對電動機出廠測試中產(chǎn)生的再生能量，再如城市交通軌道中停車制動狀態(tài)中發(fā)出的再生能量等待。國內許多高校和研究所都把此當作研究熱點，查閱近幾年信息來看，大多數(shù)論文中只談到實驗樣機，且樣機中幾個關鍵參數(shù)與實際產(chǎn)品有較大差距。針對此問題，我們山東新風光電子科技發(fā)展有限公司投入大量人力、物力，用幾年的時間研發(fā)出了兆瓦級的大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置并投入應用。 二、 系統(tǒng)原理與特點 大電流能量回饋裝置的單個單元主電路如圖1所示。主電路拓撲采用三電平電路。 [align=center] 圖1 單元主電路圖[/align] 當裝置功率大時，需要這樣幾個單元并聯(lián)，并聯(lián)時需考慮均流與環(huán)流及其相位問題。 大功率再生能源回饋裝置的控制系統(tǒng)是電壓外環(huán)與電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制控制?？刂葡到y(tǒng)實時檢測系統(tǒng)母線，當高于某一設定值時，系統(tǒng)投入工作，母線檢測值與母線設定值之差輸入電壓調節(jié)器經(jīng)過一定控制運算，完成電壓外環(huán)的控制功能，電壓調節(jié)器的輸出便是電壓外環(huán)的輸出信號，同時也是電流內環(huán)的給定信號，其值與系統(tǒng)檢測到的實時電流之差經(jīng)過電流調節(jié)器的控制運算，完成電流內環(huán)的控制功能。此方塊的輸出直接送給PWM信號生成部分，其生成的PWM波送給主功率器件電路，最后多個主功率器件單元電路并聯(lián)，經(jīng)過均流與環(huán)流抑制電路直接連到交流電網(wǎng)上。整個大電流再生能源回饋裝置控制系統(tǒng)就是這樣電壓外環(huán)與電流內環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置實現(xiàn)了網(wǎng)側電流正弦化，且能運行于單位功率因數(shù)，呈現(xiàn)出電流源特性，容易多單元并聯(lián)，功率因數(shù)高，電流總諧波（THD）小，動態(tài)響應快，能在短時間內輸出大電流，整體效率高等特點。 三、應用場合 再生能量回饋裝置可以用在許多節(jié)能場合，本文僅簡述幾種典型應用類型，以便引起人們合理利用能源，有效節(jié)約能源。 1、應用于礦用提升機系統(tǒng) 礦用提升機是再生能量回饋裝置與特定功能變頻器組合，其工作原理是當系統(tǒng)負載下放或快速減速制動時，電動機進入發(fā)電狀態(tài)，礦用提升機的母線電壓快速升高，系統(tǒng)自動檢測母線電壓，自動判斷回饋條件，自動進入回饋狀態(tài)，回饋電流波形正弦化，諧波小，網(wǎng)側功率因素高，系統(tǒng)工作快速、穩(wěn)定、可靠。 應用于單筒、雙筒，直井、斜井等各種礦用提升機，可以有效解決目前礦用提升機控制系統(tǒng)普遍采用繞線電機轉子串電阻的方式進行調速中大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時也解決了控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大；低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致調速不連續(xù)、速度控制性能較差；啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象；低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升等缺點。其控制系統(tǒng)簡述如下： （1） 配套用變頻器系統(tǒng)方案 三相交流電源經(jīng)自動空氣開關接至礦用提升機三相輸入端子，礦用提升機三相輸出端子接至電機。如圖2所示。 [align=center] 圖2 配套用變頻器主回路接線示意圖 [/align] 電控系統(tǒng)與礦用提升機配套使用，系統(tǒng)已經(jīng)提供了與礦用提升機的接口，可按照各自的接線說明正確連接。 （2） 改造用礦用提升機系統(tǒng)方案 改造用礦用提升機是在原礦用提升機電控系統(tǒng)的基礎上，用礦用提升機調速系統(tǒng)替代原工頻調速系統(tǒng)，同時保留工頻調速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運行的可靠性。改造時需要增加工、變頻轉換功能。系統(tǒng)運行前，將主回路和控制回路各轉換開關切換至相應的變頻或工頻位置。具體接法如下。 增加三個三刀雙擲開關（QS1、QS2、QS3）作為主回路切換裝置，三相電源、定子線圈、轉子線圈分別接至相應開關的刀位置。如圖3 （a）、（b）所示 [align=center] 圖3 主回路工、變頻切換原理圖[/align] 所有開關切換至變頻位置時，三相電源經(jīng)雙擲開關QS1、自動空氣開關QA接至礦用提升機輸入端子（R、S、T）（同時將零線接至變頻器零線端子N），礦用提升機輸出端子（U、V、W）經(jīng)雙擲開關QS2接至電機定子線圈，繞線電機轉子線圈經(jīng)雙擲開關QS3后處于短接狀態(tài)。所有開關切換至工頻位置時，三相電源經(jīng)雙擲開關QS1、QS2接至定子線圈，繞線電機轉子線圈經(jīng)QS3接至原調速電阻裝置。 2、應用于電動機測試系統(tǒng) 眾所周知，各種電動機在出廠前都需要進行出廠檢測，測試電動機的各種性能。目前國外發(fā)達國家已有專用電動機測試系統(tǒng)裝置，使能量回饋到電網(wǎng)中，這樣在整個測試系統(tǒng)中，只有少部分能量被系統(tǒng)中的各種熱能等損耗消耗掉。但是此裝置價格昂貴，技術支持不便，而再生能量回饋裝置完全可以應用在電動機測試系統(tǒng)中，并且使絕大多數(shù)能量回饋并網(wǎng)，只有少部分熱能等損耗，系統(tǒng)框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4：用于電動機測試結構圖[/align] 被測電動機由調壓器和變頻器拖動，調壓器可以變換電壓，變頻器可以改變轉速。測量系統(tǒng)可以測量各種電壓、電流、輸入功率、功率因數(shù)等物理量。測速換檔可以檢測速度和改變發(fā)電機的轉速，通過控制發(fā)電機的勵磁可以控制發(fā)電機的電壓，發(fā)電機發(fā)出的再生能量不必像目前國內大部分電動機生產(chǎn)廠均用純電阻消耗掉，而是通過再生能量回饋裝置回到電網(wǎng)中去，這樣就節(jié)省了大量的電能。同時在柴油機生產(chǎn)廠家也可用此類似方案解決柴油機出廠檢測中發(fā)出的再生能量回饋問題。 3、應用于城市軌道交通系統(tǒng) 國內許多大中城市都在進行城市交通軌道建設，城市軌道系統(tǒng)一般采用直流電源供電，如DC750V、DC1500V等。在新建項目中多采用DC1500V系統(tǒng)，恰好我們公司生產(chǎn)的大功率再生能量回饋裝置采用三電平主電路拓撲，可以很好的解決電壓匹配問題，又由于回饋裝置呈電流源特性，可以很方便的多單元并聯(lián)，這樣就可以解決DC1500V等級大功率的問題，很容易做到兆瓦級功率等級，系統(tǒng)結構簡圖如圖5所示： [align=center] 圖5：用于城市交通軌道系統(tǒng)連接圖[/align] 再生能量回饋裝置只是簡單的把輸入正、負接好，輸出三相可以隨意連接電網(wǎng)，不用判斷相序，其控制系統(tǒng)具有輸入正、負極性判斷保護功能，輸出相序自檢索功能，如輸入正、負接反，系統(tǒng)將不能接通輸入，主電路不投入工作。整個系統(tǒng)既可以獨立工作，也可以與其它系統(tǒng)用串行通信進行網(wǎng)絡配合工作，具有給定接通主回路和給定回饋開始工作功能，可以限定最大回饋能量等技術難點。 四、實驗結果分析 再生能量回饋裝置經(jīng)鐵道部產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心檢驗證明：具有輸出功率大、網(wǎng)側電流波形好、整體效率高等特點。表1是功率因數(shù)、直流側輸入電壓、網(wǎng)側交流電流及整體效率的簡表。 [align=center] 表1 電壓、電流、效率、功率因數(shù)表 [/align] 從表1中可以看出，隨網(wǎng)側電流的增大，其功率因數(shù)越來越接近于1，也就是說其網(wǎng)側電流的總諧波（THD）越來越小，其整體效率有減少的趨勢。這也符合現(xiàn)代電力電子器件的特性，電流增大，器件的損耗增加，整體效率也就減少了。 表2是接表1的網(wǎng)側各相電流的諧波含量表。 [align=center]表2各相電流諧波 [/align] 從表2中可以看出，隨著大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置網(wǎng)側輸出電流的增大，其網(wǎng)側電流諧波是越來越小的，在輸出網(wǎng)側電流265.4A以上時，其各相電流總諧波（THD）遠小于5%，同時表2內容趨勢是與表1也是相符的。 再生能量回饋裝置單個單元的電壓、電流波形如圖6所示：通道1為網(wǎng)側相電壓波形，通道2為同相電流波形，此時電流為120A左右。從圖中可以看出電流波形的諧波非常小且功率因數(shù)高，如果多單元并聯(lián)，采用載波移相技術其電流波形會更好。 [align=center] 圖6 單元電壓、電流波形[/align] 五、結論 再生能量回饋并網(wǎng)裝置是一種“綠色”電力電子變換控制系統(tǒng)，是電壓外環(huán)和電流內環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其網(wǎng)側功率因數(shù)高，波形正弦化，呈現(xiàn)電流環(huán)特性，容易做多單元并聯(lián)等特點，在礦用提升機、電動機柴油機出廠測試、城市軌道交通中可以有效節(jié)約能源，同時在靜止無功補償器、有源電力濾波器、統(tǒng)一潮流控制器、超導儲能、高壓直流輸電以及電氣傳動、太陽能、風能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領域中也可以合理應用?？梢灶A言，在當今能源緊缺的時代里，此項技術將越來越被同行業(yè)人士重視起來。 參考文獻： 1、 張崇巍，張興. PWM整流器及其控制.機械工業(yè)出版社,2003（10）:21-23 2、 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統(tǒng).機械工業(yè)出版社,2005（4）:144-148 3、 姚為正，王兆安.三相大功率PWM整流電路的研究.湖南工程學院學報，2000年，VOL.11,NO.1,1-4 4、 鐵道部產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中檢驗報告.（2006）JL字第W-088號，2006，4