一種具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及低壓變頻器高低電壓穿越技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高低電壓 穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，它能在電網(wǎng)電壓暫降或暫升的情況下不停機(jī)，確保與其相關(guān)的 整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)際電網(wǎng)中，特高壓交直流線路故障、電網(wǎng)低頻振蕩、大型電機(jī)啟動(dòng)和電網(wǎng)短路故 障等會(huì)引起較大的電壓暫降；而大規(guī)模負(fù)載的突減、大容量電容補(bǔ)償器的投入等又會(huì)引起 電網(wǎng)電壓的暫升。這類電網(wǎng)電壓暫升/暫降的情況，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致工廠變頻器的停機(jī)，如果停 機(jī)發(fā)生在一些關(guān)鍵設(shè)備上，進(jìn)而會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)停止工作，對(duì)企業(yè)乃至社會(huì)造成嚴(yán)重的 經(jīng)濟(jì)損失。這個(gè)安全隱患已引起業(yè)內(nèi)的高度重視，為了解決此類變頻器高低電壓穿越能力 的問題，目前已有多種方案，主要有以下幾種：1)優(yōu)化負(fù)荷控制邏輯；2)交流電源優(yōu)化；3) 直流輔助電源。
[0003]對(duì)于優(yōu)化負(fù)荷的控制邏輯的方案，以發(fā)電廠控制給煤機(jī)的變頻器為例。對(duì)給煤機(jī) 控制器內(nèi)部的控制邏輯進(jìn)行修改，在系統(tǒng)電壓跌落或瞬停切換已實(shí)際跳閘的時(shí)間內(nèi)，對(duì)變 頻器延時(shí)發(fā)送"延時(shí)"信號(hào)，同時(shí)對(duì)給煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的"失速"信號(hào)也相應(yīng)延遲。該方案的優(yōu) 點(diǎn)是需要增設(shè)的裝置少，不足之處在于當(dāng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)過大，超過±15%時(shí)，運(yùn)行中的所有 給煤機(jī)都將經(jīng)歷一個(gè)"跳閘-再啟動(dòng)"的過程，再啟動(dòng)后的輸出對(duì)制粉系統(tǒng)可能產(chǎn)生超調(diào)與 震蕩。
[0004] 交流電源優(yōu)化方案包括：1)變頻器雙回路交流電源供電的方案。兩段供電線路按 照互為備用的方式進(jìn)行配置，其回路間的切換必須保證實(shí)時(shí)性，即在變頻器低電壓或過電 壓保護(hù)前就實(shí)現(xiàn)主供電回路與備用供電回路間的切換。因此回路間的切換只允許極短暫的 延時(shí)。該方案缺點(diǎn)是往往切換時(shí)間不夠快，以及雙電源同時(shí)存在缺陷。2)交流供電回路采 用UPS的方案。不間斷電源（UPS)除了能解決供電中斷問題，也能抑制瞬時(shí)電壓跌落和過壓 的問題，當(dāng)采用在線式UPS時(shí)，電壓跌落和驟升問題就能從本質(zhì)上得到抑制。但是實(shí)際上考 慮到電機(jī)的功率和變頻器的負(fù)載特性，需要更大容量的UPS加以匹配，導(dǎo)致成本成倍提高， 再加上其電力電子環(huán)節(jié)較多，本身的抗高電壓能力等各方面可靠性限制了其在變頻器電壓 穿越領(lǐng)域的應(yīng)用。3)配置動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器（DVR)的方案。其工作原理是將動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器 串聯(lián)在電網(wǎng)和變頻器之間，DVR中的檢測(cè)單元一旦檢測(cè)到電壓暫升或暫降時(shí)，觸發(fā)控制DVR 中的逆變器，將直流電壓變換成合適的交流電壓以補(bǔ)償系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，響應(yīng)時(shí)間為2~ 5ms，進(jìn)而避免系統(tǒng)電壓波動(dòng)給變頻器帶來的影響。但該方案控制復(fù)雜、響應(yīng)時(shí)間較慢且成 本較高。
[0005]對(duì)于采用輔助直流電源供電的方案，具體是在變頻器的直流環(huán)節(jié)上并聯(lián)輔助的直 流電源，常有如下方案：1)利用交流殘壓整流和IGBT構(gòu)成的BOOST型式的升壓斬波電路。 直流電能變換為電壓等級(jí)更高的直流電能儲(chǔ)存于電容，送入變頻器的直流輸入端子。由于 低電壓時(shí)必然導(dǎo)致電流增加，因此該方案對(duì)于低電壓支持時(shí)的容量配置效率較低，尤其是 要滿足20%電壓下的穿越能力時(shí)，電力電子器件回路需要增加5倍的額定運(yùn)行能力。同時(shí)， 這種方式只能起到支撐電壓的作用，原理上難以解決高電壓穿越問題。2)在變頻器直流端 以蓄電池支持是一種比較可靠的方法。蓄電池經(jīng)二極管給逆變器供電，最終確保了逆變器 工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性，但支持系統(tǒng)需要為蓄電池配置專用的充電器，需要對(duì)蓄電池進(jìn)行 定期維護(hù)，這種方式已有少量投運(yùn)的系統(tǒng)，但未做系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。3)在變頻器 直流端并聯(lián)大容量電容儲(chǔ)能。經(jīng)計(jì)算幾千瓦的變頻器在幾秒內(nèi)的低電壓穿越需要法拉級(jí)的 電容，因此解決方案是采用超級(jí)電容，由此又帶來了超級(jí)電容充電和串聯(lián)均壓等實(shí)際問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型旨在有別于以上技術(shù)方案，提出一種具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型 變頻器，解決其高低電壓穿越的技術(shù)問題。
[0007] -種具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，該變頻器除具有常規(guī)變頻器的整流 單元和逆變單元外，還具有儲(chǔ)能單元，儲(chǔ)能單元并聯(lián)于變頻器的直流環(huán)節(jié)上。
[0008] 所述的儲(chǔ)能單元由儲(chǔ)能蓄電池電路與過壓斬波卸能電路組成；儲(chǔ)能蓄電池電路中 蓄電池充電通過變頻器整流輸出、電子開關(guān)控制和限流電阻完成；蓄電池的浮充和放電回 路是經(jīng)雙向電子開關(guān)控制并聯(lián)至變頻器的直流環(huán)節(jié)，支持低電壓穿越；所述的過壓卸能斬 波電路，由電子開關(guān)控制和放電耗能電阻串聯(lián)后并聯(lián)至變頻器的直流環(huán)節(jié)，支持高電壓穿 越。
[0009] 儲(chǔ)能單元包括儲(chǔ)能蓄電池電路與過壓斬波卸能電路，儲(chǔ)能蓄電池電路中蓄電池輸 出側(cè)經(jīng)過熔斷器Fl后分為兩路，一路是經(jīng)電子開關(guān)Sl控制的浮充和放電回路，另一路是經(jīng) 電子開關(guān)S2和電阻Rl的限流充電回路，最后兩路并聯(lián)后與直流環(huán)節(jié)相連；過壓斬波卸能電 路是由電子開關(guān)S3和放電耗能電阻R3串聯(lián)后與直流環(huán)節(jié)并聯(lián)并與蓄電池輸入側(cè)連接。
[0010] 所述的電子開關(guān)Sl是基于IGBT的雙向電力電子開關(guān)，電子開關(guān)S2和S3是基于 IGBT的單向電力電子開關(guān)。
[0011] 本實(shí)用新型的工作過程是：通電后，首先通過變頻整流電路，經(jīng)限流充電電路向蓄 電池充電；充電完成后，電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下，蓄電池切換至浮充回路；變頻器根據(jù)負(fù)載特 性，調(diào)節(jié)輸出波形，調(diào)制策略采用直流電壓利用率最高的SVPffM調(diào)制；一旦電網(wǎng)發(fā)生電壓 暫降，通過蓄電池提供能量，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，避免逆變器發(fā)生低電壓保護(hù)。當(dāng)交流電壓發(fā) 生暫時(shí)過電壓時(shí)，斷開儲(chǔ)能蓄電池回路，通過直流斬波開關(guān)電路的控制，能量經(jīng)耗能電阻釋 放，使直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)。通過采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，?chǔ)能模塊能有效的 穩(wěn)定住變頻器直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)變頻器的高低電壓穿越。
[0012] 本實(shí)用新型的具有高低電壓穿越能力的儲(chǔ)能型變頻器，具有控制簡單、運(yùn)行可靠、 經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。通過MATLAB/Simulink仿真的結(jié)果表明，在變頻器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)可控 儲(chǔ)能單元的方案能夠有效地解決變頻器高低電壓穿越問題，滿足工礦企業(yè)變頻器高低電壓 穿越的技術(shù)要求，具有工程應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本實(shí)用新型裝置的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2a為本實(shí)用新型裝置中電力電子開關(guān)Sl的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2b為本實(shí)用新型裝置中電力電子開關(guān)S2、S3的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3為本實(shí)用新型裝置中蓄電池充電階段等效電路圖；
[0017] 圖4為本實(shí)用新型裝置高電壓穿越控制策略；
[0018] 圖5為本實(shí)用新