关键词： 能量回馈 功率因数 电流源
一、 引言
在当今能源紧缺的时代里，合理利用能源，有效节约能源，已经成为人们关注的焦点。例如矿用提升机等交-直-交控制系统中电动机运行在发电状态时发出的再生能量，又如柴油机生产厂家对柴油机的出厂测试中以及电动机生产厂家对电动机出厂测试中产生的再生能量，再如城市交通轨道中停车制动状态中发出的再生能量等待。国内许多高校和研究所都把此当作研究热点，查阅近几年信息来看，大多数论文中只谈到实验样机，且样机中几个关键参数与实际产品有较大差距。针对此问题，我们山东新风光电子科技发展有限公司投入大量人力、物力，用几年的时间研发出了兆瓦级的大功率可再生能源回馈并网装置并投入应用。
二、 系统原理与特点
大电流能量回馈装置的单个单元主电路如图1所示。主电路拓扑采用三电平电路。
图1 单元主电路图
当装置功率大时，需要这样几个单元并联，并联时需考虑均流与环流及其相位问题。
大功率再生能源回馈装置的控制系统是电压外环与电流内环的双闭环控制控制。控制系统实时检测系统母线，当高于某一设定值时，系统投入工作，母线检测值与母线设定值之差输入电压调节器经过一定控制运算，完成电压外环的控制功能，电压调节器的输出便是电压外环的输出信号，同时也是电流内环的给定信号，其值与系统检测到的实时电流之差经过电流调节器的控制运算，完成电流内环的控制功能。此方块的输出直接送给PWM信号生成部分，其生成的PWM波送给主功率器件电路，最后多个主功率器件单元电路并联，经过均流与环流抑制电路直接连到交流电网上。整个大电流再生能源回馈装置控制系统就是这样电压外环与电流内环相互作用的双闭环控制系统。
大功率可再生能源回馈并网装置实现了网侧电流正弦化，且能运行于单位功率因数，呈现出电流源特性，容易多单元并联，功率因数高，电流总谐波（THD）小，动态响应快，能在短时间内输出大电流，整体效率高等特点。
三、应用场合
再生能量回馈装置可以用在许多节能场合，本文仅简述几种典型应用类型，以便引起人们合理利用能源，有效节约能源。
1、应用于矿用提升机系统
矿用提升机是再生能量回馈装置与特定功能变频器组合，其工作原理是当系统负载下放或快速减速制动时，电动机进入发电状态，矿用提升机的母线电压快速升高，系统自动检测母线电压，自动判断回馈条件，自动进入回馈状态，回馈电流波形正弦化，谐波小，网侧功率因素高，系统工作快速、稳定、可靠。
应用于单筒、双筒，直井、斜井等各种矿用提升机，可以有效解决目前矿用提升机控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速中大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时也解决了控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大；低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差；启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象；低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升等缺点。其控制系统简述如下：
（1） 配套用变频器系统方案
三相交流电源经自动空气开关接至矿用提升机三相输入端子，矿用提升机三相输出端子接至电机。如图2所示。
图2 配套用变频器主回路接线示意图
电控系统与矿用提升机配套使用，系统已经提供了与矿用提升机的接口，可按照各自的接线说明正确连接。
（2） 改造用矿用提升机系统方案
改造用矿用提升机是在原矿用提升机电控系统的基础上，用矿用提升机调速系统替代原工频调速系统，同时保留工频调速系统，使两套系统互为备用，增加系统运行的可靠性。改造时需要增加工、变频转换功能。系统运行前，将主回路和控制回路各转换开关切换至相应的变频或工频位置。具体接法如下。
增加三个三刀双掷开关（QS1、QS2、QS3）作为主回路切换装置，三相电源、定子线圈、转子线圈分别接至相应开关的刀位置。如图3 （a）、（b）所示
图3 主回路工、变频切换原理图
所有开关切换至变频位置时，三相电源经双掷开关QS1、自动空气开关QA接至矿用提升机输入端子（R、S、T）（同时将零线接至变频器零线端子N），矿用提升机输出端子（U、V、W）经双掷开关QS2接至电机定子线圈，绕线电机转子线圈经双掷开关QS3后处于短接状态。所有开关切换至工频位置时，三相电源经双掷开关QS1、QS2接至定子线圈，绕线电机转子线圈经QS3接至原调速电阻装置。
2、应用于电动机测试系统
众所周知，各种电动机在出厂前都需要进行出厂检测，测试电动机的各种性能。目前国外发达国家已有专用电动机测试系统装置，使能量回馈到电网中，这样在整个测试系统中，只有少部分能量被系统中的各种热能等损耗消耗掉。但是此装置价格昂贵，技术支持不便，而再生能量回馈装置完全可以应用在电动机测试系统中，并且使绝大多数能量回馈并网，只有少部分热能等损耗，系统框图如图4所示。
图4：用于电动机测试结构图
被测电动机由调压器和变频器拖动，调压器可以变换电压，变频器可以改变转速。测量系统可以测量各种电压、电流、输入功率、功率因数等物理量。测速换档可以检测速度和改变发电机的转速，通过控制发电机的励磁可以控制发电机的电压，发电机发出的再生能量不必像目前国内大部分电动机生产厂均用纯电阻消耗掉，而是通过再生能量回馈装置回到电网中去，这样就节省了大量的电能。同时在柴油机生产厂家也可用此类似方案解决柴油机出厂检测中发出的再生能量回馈问题。
3、应用于城市轨道交通系统
国内许多大中城市都在进行城市交通轨道建设，城市轨道系统一般采用直流电源供电，如DC750V、DC1500V等。在新建项目中多采用DC1500V系统，恰好我们公司生产的大功率再生能量回馈装置采用三电平主电路拓扑，可以很好的解决电压匹配问题，又由于回馈装置呈电流源特性，可以很方便的多单元并联，这样就可以解决DC1500V等级大功率的问题，很容易做到兆瓦级功率等级，系统结构简图如图5所示：
图5：用于城市交通轨道系统连接图
再生能量回馈装置只是简单的把输入正、负接好，输出三相可以随意连接电网，不用判断相序，其控制系统具有输入正、负极性判断保护功能，输出相序自检索功能，如输入正、负接反，系统将不能接通输入，主电路不投入工作。整个系统既可以独立工作，也可以与其它系统用串行通信进行网络配合工作，具有给定接通主回路和给定回馈开始工作功能，可以限定最大回馈能量等技术难点。
四、实验结果分析
再生能量回馈装置经铁道部产品质量监督检验中心检验证明：具有输出功率大、网侧电流波形好、整体效率高等特点。表1是功率因数、直流侧输入电压、网侧交流电流及整体效率的简表。
从表1中可以看出，随网侧电流的增大，其功率因数越来越接近于1，也就是说其网侧电流的总谐波（THD）越来越小，其整体效率有减少的趋势。这也符合现代电力电子器件的特性，电流增大，器件的损耗增加，整体效率也就减少了。
表2是接表1的网侧各相电流的谐波含量表。
从表2中可以看出，随着大功率可再生能源回馈并网装置网侧输出电流的增大，其网侧电流谐波是越来越小的，在输出网侧电流265.4A以上时，其各相电流总谐波（THD）远小于5%，同时表2内容趋势是与表1也是相符的。
再生能量回馈装置单个单元的电压、电流波形如图6所示：通道1为网侧相电压波形，通道2为同相电流波形，此时电流为120A左右。从图中可以看出电流波形的谐波非常小且功率因数高，如果多单元并联，采用载波移相技术其电流波形会更好。
图6 单元电压、电流波形
五、结论
再生能量回馈并网装置是一种“绿色”电力电子变换控制系统，是电压外环和电流内环相互作用的双闭环控制系统，其网侧功率因数高，波形正弦化，呈现电流环特性，容易做多单元并联等特点，在矿用提升机、电动机柴油机出厂测试、城市轨道交通中可以有效节约能源，同时在静止无功补偿器、有源电力滤波器、统一潮流控制器、超导储能、高压直流输电以及电气传动、太阳能、风能等可再生能源的并网发电等领域中也可以合理应用。可以预言，在当今能源紧缺的时代里，此项技术将越来越被同行业人士重视起来。
参考文献：
1、 张崇巍，张兴. PWM整流器及其控制.机械工业出版社,2003（10）:21-23
2、 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社,2005（4）:144-148
3、 姚为正，王兆安.三相大功率PWM整流电路的研究.湖南工程学院学报，2000年，VOL.11,NO.1,1-4
4、 铁道部产品质量监督检验中检验报告.（2006）JL字第W-088号，2006，4
