電動機再生電能并網回饋試驗系統研究

蔣志堅，戚宏博，郭百泉

（北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 100044）

0 引言

電動機作為能耗大戶，在許多特定工況下呈現“發電機”工作狀態，產生大量再生電能[1]。本文從交流電動機變頻調速系統的直流母線入手，將電動機再生電能逆變回饋電網，進而實現了再生電能的回收利用。設計出電動機再生電能并網回饋通用試驗系統，并對試驗系統的硬件和軟件設計進行了深入合理的設計，通過大量再生電能并網回饋試驗，證明了采用該系統進行電動機再生電能回收研究的可行性和有效性。

1 建立通用試驗平臺的必要性

電動機消耗的電能占整個社會總耗電量的60%以上。當電動機拖動勢能性負載下放時或者電動機從高速運行減速時都會伴隨大量再生電能的產生。采用適當的方法對再生電能回收利用，經濟效益將十分可觀。

電動機再生電能回收目前主要有直接逆變回饋電網和通過儲能裝置先存儲再利用兩種技術線路。儲能利用的方法投資較高，裝置體積較大，功率等級受儲能器件性能制約，適用性受到限制，技術很不成熟。再生電能直接逆變回饋電網的方法目前應用較多，但回饋電能諧波含量和并網性能難以滿足電力管理的質量要求急需在理論和實踐兩方面進行大量理論研究和科學試驗，因此建立通用電動機再生電能并網回饋試驗平臺十分必要。

2 再生電能模擬并網回饋試驗線路

再生電能并網回饋技術的研究，最理想的方法是將處于再生電能工況的電動機與再生電能回收裝置直接相連，在線試驗。但是再生電能工況一般周期性出現，持續時間極短，研究不便。因此有必要在實驗室構造電動機再生發電工況，模擬試驗并網回饋能量的實際工作情況。這樣做可以明顯縮短研究周期、節省研究費用。

3 再生電能并網回饋試驗系統總體設計

再生電能并網回饋試驗系統需要實現以下功能：

1)模擬電動機再生發電的工作過程；

2)模擬電動機多變的機械負載力矩；

3)將再生電能逆變回饋電網；

4)各個功能模塊功率傳輸實時監控；

5)保護電路；

如圖1所示，實際再生電能回饋電網試驗系統由以下六部分組成：

1)電動機可變負載模擬環節；

2)電動機發電狀態工作環節；

3)再生電能逆變回饋并網裝置；

4)功率監控與動態顯示環節；

5)制動和保護機構；

6)上位機監控軟件與通訊環節。

圖1 再生電能回饋試驗系統原理框圖

在圖1中，由電動機1、聯軸器和電動機2共同構成了電動機拖動運行系統。其中由電動機2和變頻器2構成模擬裝置，模擬可變機械負載力矩，該模擬負載相當于原動機部分，為電機組合拖動運行提供一個超前力矩；由電動機1和變頻器1模擬再生發電部分；發電機部分因得到原動機提供一個超前的力矩拖動而發電。原動機部分的模擬負載力矩可以進行設置，通過調節負載力矩的大小可以控制發電量的大小。功率監控終端負責對各個環節傳遞的電功率進行動態監控。制動和保護機構用于運轉機械的緊急制動和保護。上位機監控軟件負責與上位機通訊，并對系統測量數據進行匯總和顯示。整個系統實現了再生電能持續可控的模擬過程，并對模擬再生發電進行了實時回饋電網處理。由于可以對各個工作環節的功率進行動態監控，便于核算各個環節的工作效率和能量回收進程。

再生電能并網回收系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 電動機再生電能回收系統硬件結構

試驗系統主要由能量回饋試驗系統、監控系統、上位機通訊接口、兩臺三相異步電動機及其變頻器等構成，試驗平臺如圖3所示。

圖3 再生電能并網回饋模擬試驗平臺

3.1 再生電能并網回饋裝置

再生電能并網回饋裝置作為核心部件，實現再生電能逆變回饋并網的核心功能，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過逆變橋IGBT進行脈寬調制，三相脈寬調制波經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技術要求的三相正弦波電流被并網輸出到三相電網。整個再生電能回饋裝置對于發電側的直流母線而言是一個負載，而對于三相電網來說是一個電源，協助電網供電，減少了電動機對電網的電力索取，因此間接實現了節能。

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，產生六路PWM控制信號，在電動機控制領域具有較廣泛的應用。

電能回饋裝置的硬件設計工作內容較多，其中關鍵在于開關電源、電壓檢測電路、電網檢測電路、電流檢測電路和濾波電抗器等的設計。

3.2 負載力矩控制變頻器硬件的設計

電動機2和變頻器2用于產生可變的電動機負載力矩。負載力矩對于電動機1的再生發電至關重要，負載力矩是與電動機1的旋轉方向相同的，并且領先于電動機1的旋轉力矩，因此造成電動機1處于再生發電狀態，進而模擬電動機實際再生電能狀態。電動機2和變頻器2工作于力矩控制模式，依靠控制變頻器2輸出的驅動電壓和電流來實現力矩可變控制。

3.3 功率監控終端硬件設計

功率監控終端的主要功能是對系統電能回饋時的電壓、電流、功率、功率因數等進行動態監控，并實時通訊到上位機的軟件界面中。它包括以下組成部分：測量功率的測量電路（測量的信號包括實時電壓信號、實時電流信號和實時功率信號）；用于連接現場總線的接口；向執行機構輸出操作指令的輸出電路；以及存儲數據的存儲器等，功率監控終端組成如圖5所示。

圖5 功率監控終端的組成

3.4 電動機轉速檢測和保護機構的設計

在大多數交流電動機控制中，速度閉環控制必須具備精確檢測的反饋量。本試驗系統采用歐姆龍公司生產的E6HZ-CWZ6C系列光電式增量編碼器對電動機轉速進行動態測量。為防止電動機軸旋轉造成不安全因素，設計了制動和保護機構，本系統采用直流能耗制動。當電動機尚在旋轉時，接入直流勵磁，鼠籠轉子切割磁力線，產生感應電流，感應電流所產生的電磁力矩阻礙電動機旋轉，從而制動電動機逐漸停止轉動。

4 再生電能回饋試驗系統的軟件設計

本系統采用了嵌入式控制軟件、工業組態軟件以及相關先進技術和理論。

4.1 電能回饋試驗系統的軟件構架

電能回饋試驗系統從邏輯上分為：轉速控制、力矩控制、發電量的回饋、功率監控、上位機顯示等部分，分別有相應的軟件，各部分的邏輯關系如圖6所示。

圖6 軟件模塊之間的邏輯關系

其中電動機1用于再生發電，它的控制模式是轉速控制，它模擬的是電動機系統在指定的速度下運轉，其變頻器采用的是轉速控制軟件。電動機2用于產生電動機模擬負載力矩，它的控制模式是力矩控制，產生指定的負載力矩。電能回饋裝置內置回饋控制軟件，用于控制電能回饋按照規定的工作電壓將所發出的電能逆變并網，實現發電量和輸出電量的平衡，同時保持變頻器的直流母線電壓穩定。功率監控終端采用功率計算軟件對功率進行在線監控計算，并采用MODBUS RTU通訊協議軟件實現與上位機的通訊。上位機為工業組態軟件，在其基礎上構造的監控畫面通訊獲得各個參數，并實時顯示在屏幕上。各部分軟件是相互獨立的，各自獨立運行，通過統一的RS485總線進行數據的交互。

4.2 電能回饋裝置軟件設計

電能回饋裝置用于從發電變頻器的直流母線取出直流電能，并將其轉換為與電網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計算。基準值選擇在570V～670V直流電之間，電壓控制PID算法應將直流母線電壓穩定在設定值附近運行，此時能夠實現發電量和耗電量相平衡，直流母線電壓處于穩定狀態。

2)計算輸出電流的相位和幅值。先將電網檢測的三相電壓單位化，其中含有電網的瞬時相位。電能回饋的輸出電流應與電網電壓同頻同相，因此輸出電流的瞬時給定值等于單位化之后的電網電壓信號乘以輸出電流的理論幅值，將輸出電流的瞬時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)實現電流控制PID算法。根據輸出電流的瞬時給定值和三相真實電流檢測值之間的誤差進行PID計算，輸出的控制量為三相PWM輸出電壓。如果真實電流小于給定電流則增大輸出電壓；如果真實電流大于給定電流則降低輸出電壓。

4)SVPWM調制模塊。根據所需輸出的PWM電壓，進行空間矢量脈寬調制SVPWM計算，并轉化成為六只IGBT的導通時間，并發出相應的SVPWM觸發波形。

4.3 變頻器軟件的設計

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

4.4 功率監控終端軟件設計

功率監控終端的軟件設計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，得到瞬時功率，根據電壓、電流信號計算它們的均方根（有效值），并將相應的數據通過MODBUS RTU協議通訊傳遞到上位機。

本系統通過編程實現了兩路MODBUS RTU通訊，可以分別為本地顯示屏和遠程上位機提供通訊接口，實現了數據的實時傳輸，功率監控終端所采集的電壓、電流、功率信號都可以在上位機軟件上顯示。

4.5 試驗系統上位機通訊軟件

試驗系統采用標準的組態軟件設計上位機通訊軟件。在組態軟件的基礎上設計的流程為：站參數定義、數據點定義、畫面制作、調試等步驟。系統的上位機軟件界面截圖如圖8所示。

圖8 上位機軟件界面

5 試驗與分析

電動機處于再生發電狀態時，電能回饋逆變器直流母線電壓Udc(CH3)、網側電壓ea（CH1)、網側相電流ia(CH2)的動態瞬時波形如圖9所示。

圖9 電動機再生發電電壓電流波形

由圖9試驗波形可知，系統處于再生發電狀態時，電能回饋逆變器工作于逆變狀態，再生電能經回饋逆變裝置返回電網，并能使直流母線的電壓相對地穩定。并網側電流和電壓的畸變小、正弦度較好，有較高的輸入功率因數。

通過模擬負載的電動機2給電動機1施加一個恒定的轉矩，來觀察再生電能回饋電網的穩態工作情況。通過模擬負載電動機2給處于再生發電的電動機1分別施加其額定負載的20%和80%，記錄電能回饋系統在兩種不同負載情況下的試驗數據。

1)模擬加載20%

再生電能并網發電電流波形、功率波形和直流母線電壓如圖10所示。

圖10 負載率為20%時并網發電試驗

圖11 發電動機負載率為80%時并網發電

圖10中，電動機再生電能并網回饋系統輸入功率因數為0.94，電流的波形較好，直流母線電壓比較穩定。

2)模擬加載80%

再生電能并網回饋電流波形、功率波形和直流母線電壓如圖11所示。

圖11中，電動機系統回饋系統并網功率因數為0.98，電流的波形較好，直流母線電壓比較平穩。

6 結論

綜上所述，所設計的試驗平臺能將再生電能并網回饋電網，同時有效地穩定直流母線電壓。同時并網側電流畸變小，并網功率穩定，具有較高的輸入功率因數和電能質量。

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