摘要：本文從控制原理特點(diǎn)、典型應(yīng)用場(chǎng)合、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等方面簡(jiǎn)明扼要闡述了可再生能源回饋裝置。此裝置具有網(wǎng)側(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，整體效率高等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 能量回饋 功率因數(shù) 電流源 一、 引言 在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代里，合理利用能源，有效節(jié)約能源，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。例如礦用提升機(jī)等交-直-交控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)發(fā)出的再生能量，又如柴油機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)柴油機(jī)的出廠測(cè)試中以及電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)電動(dòng)機(jī)出廠測(cè)試中產(chǎn)生的再生能量，再如城市交通軌道中停車制動(dòng)狀態(tài)中發(fā)出的再生能量等待。國(guó)內(nèi)許多高校和研究所都把此當(dāng)作研究熱點(diǎn)，查閱近幾年信息來(lái)看，大多數(shù)論文中只談到實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，且樣機(jī)中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)際產(chǎn)品有較大差距。針對(duì)此問(wèn)題，我們山東新風(fēng)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(shí)間研發(fā)出了兆瓦級(jí)的大功率可再生能源回饋并網(wǎng)裝置并投入應(yīng)用。 二、 系統(tǒng)原理與特點(diǎn) 大電流能量回饋裝置的單個(gè)單元主電路如圖1所示。主電路拓?fù)洳捎萌娖诫娐贰? [align=center] 圖1 單元主電路圖[/align] 當(dāng)裝置功率大時(shí)，需要這樣幾個(gè)單元并聯(lián)，并聯(lián)時(shí)需考慮均流與環(huán)流及其相位問(wèn)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(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制控制?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)母線，當(dāng)高于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)投入工作，母線檢測(cè)值與母線設(shè)定值之差輸入電壓調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)一定控制運(yùn)算，完成電壓外環(huán)的控制功能，電壓調(diào)節(jié)器的輸出便是電壓外環(huán)的輸出信號(hào)，同時(shí)也是電流內(nèi)環(huán)的給定信號(hào)，其值與系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)電流之差經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的控制運(yùn)算，完成電流內(nèi)環(huán)的控制功能。此方塊的輸出直接送給PWM信號(hào)生成部分，其生成的PWM波送給主功率器件電路，最后多個(gè)主功率器件單元電路并聯(lián)，經(jīng)過(guò)均流與環(huán)流抑制電路直接連到交流電網(wǎng)上。整個(gè)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(nèi)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(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且能運(yùn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流，整體效率高等特點(diǎn)。 三、應(yīng)用場(chǎng)合 再生能量回饋裝置可以用在許多節(jié)能場(chǎng)合，本文僅簡(jiǎn)述幾種典型應(yīng)用類型，以便引起人們合理利用能源，有效節(jié)約能源。 1、應(yīng)用于礦用提升機(jī)系統(tǒng) 礦用提升機(jī)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(dāng)系統(tǒng)負(fù)載下放或快速減速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，礦用提升機(jī)的母線電壓快速升高，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)母線電壓，自動(dòng)判斷回饋條件，自動(dòng)進(jìn)入回饋狀態(tài)，回饋電流波形正弦化，諧波小，網(wǎng)側(cè)功率因素高，系統(tǒng)工作快速、穩(wěn)定、可靠。 應(yīng)用于單筒、雙筒，直井、斜井等各種礦用提升機(jī)，可以有效解決目前礦用提升機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速中大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，同時(shí)也解決了控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大；低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差；啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)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(dòng)力矩小，帶負(fù)載能力差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升等缺點(diǎn)。其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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(dòng)空氣開(kāi)關(guān)接至礦用提升機(jī)三相輸入端子，礦用提升機(jī)三相輸出端子接至電機(jī)。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(jī)配套使用，系統(tǒng)已經(jīng)提供了與礦用提升機(jī)的接口，可按照各自的接線說(shuō)明正確連接。 （2） 改造用礦用提升機(jī)系統(tǒng)方案 改造用礦用提升機(jī)是在原礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用礦用提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)保留工頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。改造時(shí)需要增加工、變頻轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)運(yùn)行前，將主回路和控制回路各轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至相應(yīng)的變頻或工頻位置。具體接法如下。 增加三個(gè)三刀雙擲開(kāi)關(guān)（QS1、QS2、QS3）作為主回路切換裝置，三相電源、定子線圈、轉(zhuǎn)子線圈分別接至相應(yīng)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)切換至變頻位置時(shí)，三相電源經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)QS1、自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)QA接至礦用提升機(jī)輸入端子（R、S、T）（同時(shí)將零線接至變頻器零線端子N），礦用提升機(jī)輸出端子（U、V、W）經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)QS2接至電機(jī)定子線圈，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)QS3后處于短接狀態(tài)。所有開(kāi)關(guān)切換至工頻位置時(shí)，三相電源經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)QS1、QS2接至定子線圈，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)QS3接至原調(diào)速電阻裝置。 2、應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng) 眾所周知，各種電動(dòng)機(jī)在出廠前都需要進(jìn)行出廠檢測(cè)，測(cè)試電動(dòng)機(jī)的各種性能。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已有專用電動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)裝置，使能量回饋到電網(wǎng)中，這樣在整個(gè)測(cè)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(jià)格昂貴，技術(shù)支持不便，而再生能量回饋裝置完全可以應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)測(cè)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(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖[/align] 被測(cè)電動(dòng)機(jī)由調(diào)壓器和變頻器拖動(dòng)，調(diào)壓器可以變換電壓，變頻器可以改變轉(zhuǎn)速。測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量各種電壓、電流、輸入功率、功率因數(shù)等物理量。測(cè)速換檔可以檢測(cè)速度和改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁可以控制發(fā)電機(jī)的電壓，發(fā)電機(jī)發(fā)出的再生能量不必像目前國(guó)內(nèi)大部分電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠均用純電阻消耗掉，而是通過(guò)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(shí)在柴油機(jī)生產(chǎn)廠家也可用此類似方案解決柴油機(jī)出廠檢測(cè)中發(fā)出的再生能量回饋問(wèn)題。 3、應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng) 國(guó)內(nèi)許多大中城市都在進(jìn)行城市交通軌道建設(shè)，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(xiàng)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?fù)洌梢院芎玫慕鉀Q電壓匹配問(wèn)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(jí)大功率的問(wèn)題，很容易做到兆瓦級(jí)功率等級(jí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)單的把輸入正、負(fù)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(fù)極性判斷保護(hù)功能，輸出相序自檢索功能，如輸入正、負(fù)接反，系統(tǒng)將不能接通輸入，主電路不投入工作。整個(gè)系統(tǒng)既可以獨(dú)立工作，也可以與其它系統(tǒng)用串行通信進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配合工作，具有給定接通主回路和給定回饋開(kāi)始工作功能，可以限定最大回饋能量等技術(shù)難點(diǎn)。 四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 再生能量回饋裝置經(jīng)鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)證明：具有輸出功率大、網(wǎng)側(cè)電流波形好、整體效率高等特點(diǎn)。表1是功率因數(shù)、直流側(cè)輸入電壓、網(wǎng)側(cè)交流電流及整體效率的簡(jiǎn)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(cè)電流的增大，其功率因數(shù)越來(lái)越接近于1，也就是說(shuō)其網(wǎng)側(cè)電流的總諧波（THD）越來(lái)越小，其整體效率有減少的趨勢(shì)。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(cè)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(cè)輸出電流的增大，其網(wǎng)側(cè)電流諧波是越來(lái)越小的，在輸出網(wǎng)側(cè)電流265.4A以上時(shí)，其各相電流總諧波（THD）遠(yuǎn)小于5%，同時(shí)表2內(nèi)容趨勢(shì)是與表1也是相符的。 再生能量回饋裝置單個(gè)單元的電壓、電流波形如圖6所示：通道1為網(wǎng)側(cè)相電壓波形，通道2為同相電流波形，此時(shí)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(shù)其電流波形會(huì)更好。 [align=center] 圖6 單元電壓、電流波形[/align] 五、結(jié)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(nèi)環(huán)相互作用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其網(wǎng)側(cè)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(diǎn)，在礦用提升機(jī)、電動(dòng)機(jī)柴油機(jī)出廠測(cè)試、城市軌道交通中可以有效節(jié)約能源，同時(shí)在靜止無(wú)功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、統(tǒng)一潮流控制器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、高壓直流輸電以及電氣傳動(dòng)、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域中也可以合理應(yīng)用?？梢灶A(yù)言，在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代里，此項(xiàng)技術(shù)將越來(lái)越被同行業(yè)人士重視起來(lái)。 參考文獻(xiàn)： 1、 張崇巍，張興. PWM整流器及其控制.機(jī)械工業(yè)出版社,2003（10）:21-23 2、 陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng).機(jī)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(xué)院學(xué)報(bào)，2000年，VOL.11,NO.1,1-4 4、 鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中檢驗(yàn)報(bào)告.（2006）JL字第W-088號(hào)，2006，4