CN204886684U - 一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，该变频器除具有常规变频器的整流单元和逆变单元外，还具有储能单元，储能单元并联于变频器的直流环节上。本实用新型的具有高低电压穿越能力的储能型变频器，具有控制简单、运行可靠、经济实用等优点。通过MATLAB/Simulink仿真的结果表明，在变频器的直流环节并联可控储能单元的方案能够有效地解决变频器高低电压穿越问题，满足工矿企业变频器高低电压穿越的技术要求，具有工程应用价值。

Description

一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器

技术领域

本实用新型涉及低压变频器高低电压穿越技术领域，具体涉及一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，它能在电网电压暂降或暂升的情况下不停机，确保与其相关的整个生产系统连续工作。

背景技术

实际电网中，特高压交直流线路故障、电网低频振荡、大型电机启动和电网短路故障等会引起较大的电压暂降；而大规模负载的突减、大容量电容补偿器的投入等又会引起电网电压的暂升。这类电网电压暂升/暂降的情况，经常会导致工厂变频器的停机，如果停机发生在一些关键设备上，进而会使整个生产系统停止工作，对企业乃至社会造成严重的经济损失。这个安全隐患已引起业内的高度重视，为了解决此类变频器高低电压穿越能力的问题，目前已有多种方案，主要有以下几种：1)优化负荷控制逻辑；2)交流电源优化；3)直流辅助电源。

对于优化负荷的控制逻辑的方案，以发电厂控制给煤机的变频器为例。对给煤机控制器内部的控制逻辑进行修改，在系统电压跌落或瞬停切换已实际跳闸的时间内，对变频器延时发送“延时”信号，同时对给煤机电动机的“失速”信号也相应延迟。该方案的优点是需要增设的装置少，不足之处在于当系统电压波动过大，超过±15％时，运行中的所有给煤机都将经历一个“跳闸-再启动”的过程，再启动后的输出对制粉系统可能产生超调与震荡。

交流电源优化方案包括：1)变频器双回路交流电源供电的方案。两段供电线路按照互为备用的方式进行配置，其回路间的切换必须保证实时性，即在变频器低电压或过电压保护前就实现主供电回路与备用供电回路间的切换。因此回路间的切换只允许极短暂的延时。该方案缺点是往往切换时间不够快，以及双电源同时存在缺陷。2)交流供电回路采用UPS的方案。不间断电源(UPS)除了能解决供电中断问题，也能抑制瞬时电压跌落和过压的问题，当采用在线式UPS时，电压跌落和骤升问题就能从本质上得到抑制。但是实际上考虑到电机的功率和变频器的负载特性，需要更大容量的UPS加以匹配，导致成本成倍提高，再加上其电力电子环节较多，本身的抗高电压能力等各方面可靠性限制了其在变频器电压穿越领域的应用。3)配置动态电压补偿器(DVR)的方案。其工作原理是将动态电压补偿器串联在电网和变频器之间，DVR中的检测单元一旦检测到电压暂升或暂降时，触发控制DVR中的逆变器，将直流电压变换成合适的交流电压以补偿系统电压的波动，响应时间为2～5ms，进而避免系统电压波动给变频器带来的影响。但该方案控制复杂、响应时间较慢且成本较高。

对于采用辅助直流电源供电的方案，具体是在变频器的直流环节上并联辅助的直流电源，常有如下方案：1)利用交流残压整流和IGBT构成的BOOST型式的升压斩波电路。直流电能变换为电压等级更高的直流电能储存于电容，送入变频器的直流输入端子。由于低电压时必然导致电流增加，因此该方案对于低电压支持时的容量配置效率较低，尤其是要满足20％电压下的穿越能力时，电力电子器件回路需要增加5倍的额定运行能力。同时，这种方式只能起到支撑电压的作用，原理上难以解决高电压穿越问题。2)在变频器直流端以蓄电池支持是一种比较可靠的方法。蓄电池经二极管给逆变器供电，最终确保了逆变器工作的连续性和稳定性，但支持系统需要为蓄电池配置专用的充电器，需要对蓄电池进行定期维护，这种方式已有少量投运的系统，但未做系统的安全性和经济性评估。3)在变频器直流端并联大容量电容储能。经计算几千瓦的变频器在几秒内的低电压穿越需要法拉级的电容，因此解决方案是采用超级电容，由此又带来了超级电容充电和串联均压等实际问题。

发明内容

本实用新型旨在有别于以上技术方案，提出一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，解决其高低电压穿越的技术问题。

一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，该变频器除具有常规变频器的整流单元和逆变单元外，还具有储能单元，储能单元并联于变频器的直流环节上。

所述的储能单元由储能蓄电池电路与过压斩波卸能电路组成；储能蓄电池电路中蓄电池充电通过变频器整流输出、电子开关控制和限流电阻完成；蓄电池的浮充和放电回路是经双向电子开关控制并联至变频器的直流环节，支持低电压穿越；所述的过压卸能斩波电路，由电子开关控制和放电耗能电阻串联后并联至变频器的直流环节，支持高电压穿越。

储能单元包括储能蓄电池电路与过压斩波卸能电路，储能蓄电池电路中蓄电池输出侧经过熔断器F1后分为两路，一路是经电子开关S1控制的浮充和放电回路，另一路是经电子开关S2和电阻R1的限流充电回路，最后两路并联后与直流环节相连；过压斩波卸能电路是由电子开关S3和放电耗能电阻R3串联后与直流环节并联并与蓄电池输入侧连接。

所述的电子开关S1是基于IGBT的双向电力电子开关，电子开关S2和S3是基于IGBT的单向电力电子开关。

本实用新型的工作过程是：通电后，首先通过变频整流电路，经限流充电电路向蓄电池充电；充电完成后，电网正常运行情况下，蓄电池切换至浮充回路；变频器根据负载特性，调节输出波形，调制策略采用直流电压利用率最高的SVPWM调制；一旦电网发生电压暂降，通过蓄电池提供能量，稳定直流侧电压，避免逆变器发生低电压保护。当交流电压发生暂时过电压时，断开储能蓄电池回路，通过直流斩波开关电路的控制，能量经耗能电阻释放，使直流环节的电压稳定在要求的范围内。通过采取适当的控制策略，储能模块能有效的稳定住变频器直流侧电压，实现变频器的高低电压穿越。

本实用新型的具有高低电压穿越能力的储能型变频器，具有控制简单、运行可靠、经济实用等优点。通过MATLAB/Simulink仿真的结果表明，在变频器的直流环节并联可控储能单元的方案能够有效地解决变频器高低电压穿越问题，满足工矿企业变频器高低电压穿越的技术要求，具有工程应用价值。

附图说明

图1为本实用新型装置的电路拓扑结构示意图；

图2a为本实用新型装置中电力电子开关S1的电路结构示意图；

图2b为本实用新型装置中电力电子开关S2、S3的电路结构示意图；

图3为本实用新型装置中蓄电池充电阶段等效电路图；

图4为本实用新型装置高电压穿越控制策略；

图5为本实用新型装置在高电压穿越时等效电路；

图6a为本实用新型在电压跌落至额定值20％、持续时间5s时的电网电压波形；

图6b为本实用新型在电压跌落至额定值20％、持续5s时的直流环节电压波形；

图7a为本实用新型在电压升高至额定值135％、持续5s时的电网电压波形；

图7b为本实用新型在电压升高至额定值135％、持续5s时的直流环节电压波形；

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。

参照图1，本实用新型的具有高低电压穿越能力的储能型变频器包括常规变频器的整流单元、逆变单元、电能转换直流环节与储能单元。其中储能单元包括储能蓄电池电路与过压斩波卸能电路，储能蓄电池电路中蓄电池输出侧经过熔断器F1后分为两路，一路是经电子开关S1控制的浮充和放电回路，另一路是经电子开关S2和电阻R1的限流充电回路，最后两路并联后与直流环节相连；过压斩波卸能电路是由电子开关S3和放电耗能电阻R3串联后与直流环节并联。电子开关S1是基于IGBT的双向电力电子开关，电子开关S2和S3是基于IGBT的单向电力电子开关，电路结构示意图参见图2a、图2b。这些无触点的电力电子开关，具有控制速度快、无火花燃弧和开关寿命长等优点。

实用新型的储能型变频器除了常规的变频器控制策略以外，设计了启动控制、低电压穿越控制和高电压穿越控制策略。具体：1)启动控制，控制策略是S1关断，S2导通，S3关断，交流电源经变频器整流电路、电子开关S2和限流电阻R1向蓄电池充电；充电完成后，电网正常运行情况下，蓄电池切换至浮充回路，S1双向导通，S2关断，S3任然关断；变频器根据负载特性，调节输出波形，调制策略采用直流电压利用率最高的SVPWM调制；2)低电压穿越控制，一旦电网发生电压暂降，蓄电池通过双向电力电子开关S1向逆变器提供能量，稳定直流侧电压，避免逆变器发生低电压跳闸。3)高电压穿越控制，当系统电压暂升至变频器过压保护限定值时，关断电力电子开关S1、S2，转入恒直流电压控制，控制策略参照图4，通过实时监测直流电压U_dc，通过PI控制得到如上所述直流斩波电路的占空比，进而控制单向电力电子开关S3的通断。

启动时，充电等效电路参照图3，系统通过整流单元得到等效直流输入电压为1.35U_S，r是等效直流电阻，R1是充电回路的限流电阻。启动充电过程最大电流如式(1)所示，其中U_B0是蓄电池初始电压。r的值如式(2)所示，其中L为交流侧的等效交流电感值。根据式(1)可以推导得出限流电阻如式(3)所示，通过给定的最大充电电流可确定限流电阻的阻值。

$I_{max}=\frac{1.35U_S-U_{B0}}{r+R_1}---\left(1\right)$

$r=\frac{3\mathrm{\ω}L}{\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

$R_1=\frac{1.35U_S-U_{B0}}{I_{max}}-r---\left(3\right)$

如上所述的储能型变频器在高电压穿越时的等效电路参照图5，其中为等效直流电源,为耗能电阻的等效阻值，其值变动范围为R2～∞，为了满足过电压保护的要求，需要合理选取R2的值。当电压过高需要R2调整时，等效电阻的值与r为同一个数量级，远远小于负载电阻，所以U_dc可以近似看成在回路的分压，于是有如下关系式，

$U_d^{*}\frac{R_2^{*}}{r+R_2^{*}}=U_{dc}---\left(4\right)$

经推导可得，

$R_2^{*}=\frac{{\mathrm{rU}}_{dc}}{U_d^{*}-U_{dc}}---\left(5\right)$

由于，的最小值为R2，通过给定系统电压升高所导致的最高过电压值，可求得放电耗能电阻R2的阻值。

选取5.5kW电机负载，配置7AH蓄电池，进行MALAB仿真。

1)低电压穿越仿真：进线电压跌落至额定电压20％，持续时间为5s时，仿真结果见图6a、图6b，蓄电池浮充电压为540V，初始放电电压522V，到5s末期尚有电压490V，约为额定电压的90％，可以保证变频器不跳机，成功实现变频器的低电压穿越。

2)高电压穿越仿真：进线电压升高至额定电压135％，持续时间0.5s时，仿真结果见图7a、图7b，曲线1为电子开关S3断开，耗能电阻未起作用时的变频器直流母线电压波形，其实际电压上升至约730V，为额定电压的1.35倍；曲线2为电子开关S3闭合，耗能电阻起作用时的变频器直流母线电压波形，搭建的仿真模型中耗能电阻R2取15Ω，其实际电压上升至695V，为额定的1.29倍，起到了抑制过电压的目的，可以保证变频器实现高电压穿越。

Claims (4)

1.一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，其特征在于：该变频器除具有常规变频器的整流单元和逆变单元外，还具有储能单元，储能单元并联于变频器的直流环节上。

2.如权利要求1所述的一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，其特征在于：所述的储能单元由储能蓄电池电路与过压斩波卸能电路组成；储能蓄电池电路中蓄电池充电通过变频器整流输出、电子开关控制和限流电阻完成；蓄电池的浮充和放电回路是经双向电子开关控制并联至变频器的直流环节，支持低电压穿越；所述的过压卸能斩波电路，由电子开关控制和放电耗能电阻串联后并联至变频器的直流环节，支持高电压穿越。

3.如权利要求1所述的所述的一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，其特征在于：储能单元包括储能蓄电池电路与过压斩波卸能电路，储能蓄电池电路中蓄电池输出侧经过熔断器F1后分为两路，一路是经电子开关S1控制的浮充和放电回路，另一路是经电子开关S2和电阻R1的限流充电回路，最后两路并联后与直流环节相连；过压斩波卸能电路是由电子开关S3和放电耗能电阻R3串联后与直流环节并联并与蓄电池输入侧连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有高低电压穿越能力的储能型变频器，其特征在于：所述的电子开关S1是基于IGBT的双向电力电子开关，电子开关S2和S3是基于IGBT的单向电力电子开关。