基于超级电容器的具有制动和不间断运行能力的可控电力驱动器概述和分析文档格式.docx
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第一组包含了连续的双向驱动,而第二组包括直接的(矩阵式的)转换器。
当驱动器处于运行(加速)模式时,这样的双向驱动器主要从电源获得能量;
当驱动器处于制动(减速)模式时,驱动器向电源注入能量。
这些解决方案的主要缺点是驱动的功能与电源质量和可靠性密切相关。
简单地讲,任何供能网络的中断都体现在驱动器。
当中断时间比电源周期长时,驱动器是丧失功能的。
此外,这种驱动器在加速和减速时有一个高功率的需求。
这种高功率的峰值会调整驱动器的输入功率并在供应网络疲软的情况下产生额外的干扰和损失。
图1显示了一个装备有能量存储装置的(二极管前端)驱动转换器的传统框图。
最近,由于电子双电层电容器(EDLCs)的高速发展(即所谓的超级电容器),再生电能驱动器被高度关注。
当制动时,能源存储到超级电容器;
在接下来的电动运行阶段,能量从超级电容器获取。
起初,这个概念商业应用是牵引驱动的混合动力汽车。
具有节能概念的通用可控电动驱动器可以被应用于起重机的提升应用程序、对启动/制动有快速要求的机床和许多其他有密集制动要求的应用程序。
此外,超级电容器为不间断功能模块和关键工业应用中驱动器连续运行能力的扩展提供能量,在这种情况下电力系统的中断是非常昂贵。
图1.装备有储能装置的可控能量驱动器系统
超级电容器是一种拥有很高能源和功率密度的电子双电层电容器。
现在的超级电容器是由两个浸渍在电解质溶剂里的多孔膜电极构成,这就是所谓的分离器。
这种电极是由多孔导电材料构成,例如,活性炭。
这种典型电极的表面积高达2000m2/g。
如此大的表面积和纳米级薄的导电层使电容值高达250F/g。
超级电容单元的额定电压由电解液的分解电压决定。
取决于电解液技术的典型的电池电压是1-2.8V。
为了获得更高的工作电压,依据确定的应用程序,细胞单元被连接成一个电容器模块。
由于带有储能设备的超级电容器与传统电容器相比具有优势以及电化学电池的特性:
较高的能量和功率密度、高效率、高循环性能和较长寿命,因此它被广泛应用于功率转换方面。
为了实现驱动系统的灵活性和高效率,超级电容器通过直流-直流电源转换器连接到驱动器的直流母线上。
这个转换器系统控制取决于系统的需求:
直流母线电压的控制,电容的电荷状态控制和驱动器与电容之间能量分配的控制。
图2.基于能量储存装置的再生变速驱动器。
除了一些讨论基于超级电容器的再生可控电力驱动器基础概念的出版物以外,还没有一篇系统的分析这个概念的文章。
此外,系统的设计准则还仅限于论述理想情况。
本文解决和讨论了上文的两个问题。
此外,提出了一个简单的控制策略。
在第二部分,提出了基于超级电容器可控电力驱动器并详细分析了不同运作模式。
在第三部分,考虑用一个三桥臂双向直流-直流电能转换器作为超级电容器和驱动器母线电压之间的接口。
简要地描述了这种转换器与两级拓扑结构相比的突出优势。
在第四部分,给出了一些超级电容器的详细设计。
在第五部分,简要分析了一个新颖的控制算法。
当驱动器运行在制动和连续运行模式时,直流母线电压需要被控制到所需范围。
超级电容器的电压和电流也需要控制。
所提出的可控再生驱动器已在5.5kW的通用无级变速驱动器上被实验应用。
这项研究成果已经被发表和讨论。
Ⅱ.基于超级电容器的再生电力驱动器
图2显示了一个简化的再生可控电力驱动器的电路图。
这个驱动系统包括一个普通的变速驱动转换器(输入二极管整流器、电压直流环节和输出逆变器)和一个并行连接的能量存储设备。
这个能量存储设备由一个超级电容器CC0和一个双向直流-直流电源转换器构成。
在本节的开始只是一般性的分析,我们将考虑把直流-直流能量转换器作为一个可控双向直流-直流能量转换器,这种转换器具有一个输入(
)和一个输出(
)。
例如,它可以作为一个非隔离的二级或三级转换器,一个多相隔行扫描的转换器或一个孤立的直流-直流变换器。
根据变换器的拓扑,这个转换器被控制变量m所控制,这个变量包括运行周期、相移或开关频率。
在本节的第二部分将给出直流-直流能量转换器的详细设计。
图3.不同操作模式的能量流动。
(a)电源运行模式,驱动器从电源获得能量;
(b)制动模式,驱动能量被存储在超级电容器中;
(c)待机模式;
(d)超级电容
器运行模式,驱动器从超级电容器获得能量;
(e)连续运行模式,电源断开,
驱动器从超级电容器获得能量;
(f)超级电容器充电模式
A.运作模式的描述
驱动系统可能运行在如图3所示的几个不同模式。
这个驱动系统包括整流模块、逆变器模块和带有超级电容器的直流-直流变换器模块。
直流母线的滤波电感器LBUS对这一分析是没有关联的,因此,它在电路中整流器和逆变器之间的自感应。
这一部分提出的控制策略将在第五部分详细讨论。
图4.不同运行模式下的波形
图4显示了不同运行模式下相关波形。
图4中所显示的电压VBUSmax、VBUSmin、UC0max、UC0inM和UC0min将在下文讨论。
电源运行(MM):
在运行模式下驱动器从电源获得能量。
直流母线电压vBUS略低于输入相间峰值电压。
为了防止超级电容器和驱动器直流总线间的能量流动,直流-直流变换器的控制超级电容器的电压在UC0inM。
在这种模式下,整流电压vREC取决于电源电压和整流二极管的导电状态,这里的二极管的状态由直流母线滤波电容器、电感器和负载所决定的。
制动储能模式(B):
驱动器运行在制动模式。
随着直流母线负载是制动的(驱动器的能量回馈),直流母线电容器充电,因此,直流总线电压vBUS提升。
一旦母线电压达到VBUSmax,直流-直流变换器开始维持直流母线电压在VBUSmax,控制超级电容器的电流在iC0。
超级电容器的电流是正向,随着超级电容器电压增大;
制动能量被储存到超级电容器中。
直流-直流变换器维持直流母线电压VBUSmax大于输入相间峰值电压,驱动整流器被阻断。
因此,驱动器的输入电流为零,整流电压vREC等于直流母线电压vBUS。
超级电容器被设计来存储制动阶段产生的能量。
因此,在制动阶段结束时,超级电容器的电压一定低于最大额定电压UC0max。
待机模式(STB):
在驱动器、电源、超级电容器之间没有能量流动。
超级电容器的电压是位于UC0max和UC0inM之间的任何值。
这个控制系统的设计是为了在超级电容器电压大于UC0inM时来维持直流母线电压在VBUSmax。
因此,在待机模式的情况下,直流母线电压会保持VBUSmax不变。
运行能量回收模式(MC0):
驱动器工作在运行模式下时从超级电容器获得能量。
超级电容器的电压大于UC0inM。
以维持直流母线电压恒定(VBUSmax),直流母线电压控制器作用于直流-直流变换器。
超级电容器放电,其电压下降到中间水平UC0inM,能量从超级电容器中得到恢复。
一旦超级电容器放电到中级水平UC0inM,直流母线电压下降到额定电压并且驱动整流二极管开始进行。
驱动器再次从电源获得能量。
连续运行模式(RT):
电源供能中断并且直流母线电压开始下降。
一旦电压下降到最低电压VBUSmin,超级电容器通过直流-直流转换器开始放电并维持直流母线电压在这一水平。
驱动器从超级电容器获得能量。
超级电容器放电到中级水平UC0inM,更深的达到最低水平UC0min。
超级电容器充电模式(MM-CH):
电源供能恢复,然后,电容充电到中级水平UC0inM。
现在让我们来解释参考电压VBUSmax、VBUSmin、UC0max、UC0inM和UC0min的意义。
图5(a)显示了参考电压VBUSmax和VBUSmin的意义。
OBF表示减速过压故障,USF表示供能不足。
当系统处于电源运行模式时,直流母线电压处于最小和最大输入电压间的一个值。
为了避免超级电容器的不必要的充、放电,如图5(a)所示的直流母线电压参考VBUSmin和VBUSmax必须保持在正常操作范围之外。
另一方面,为了防止系统故障,无论是OBF还是USF,直流母线电压参考值不得位于禁止区域内。
因此,当参考VBUSmax位于在[最大输入电压,OBF]区间时,参考VBUSmin位于[USF、最小输入电压]区间。
如图5(b)所示,超级电容器的电压值位于[UC0max,UC0min]区间。
最大电压UC0max是由超级电容器的额定电压确定的。
这一限制在任何情况下都不得超过,否则,超级电容器会损坏甚至完全摧毁。
最低电压UC0min是由电源转换器和超级电容器的电流能力确定的;
电压越低,电流能力越强,反之亦然。
根据不同的设计标准(制动储能能力和连续运行时能量可用率之间的比特率),中间电压UC0inM可以是最大值和最小值之间的任何值。
图5.参考电压的定义:
(a)VBUSmax和VBUSmin,(b)UC0max、UC0inM和UC0min
Ⅲ.三级拓扑结构的直流-直流转换器
图6(a)展示了一个用作接口电源转换器的三级双向转换器的电路图。
这个转换器是由四个电流双向开关SW1A、SW1B、SW2A和SW2B,滤波电感LC0,和两个输入滤波电容C1和C2构成。
这些开关是伴有续流二极管的绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)或MOSFET。
输入滤波电容器实现电容分压器的功能,将母线电压vBUS分成vC1和vC2两个相等的电压。
这个电容器的中点连接到开关单元的中点。
开关SW1A和SW1B通过开关函数s1和互补函数被控制,而开关SW2B和SW2A通过开关函数s2和互补函数被控制。
开关函数s1和s2由脉冲调节器PWM1和PWM2产生。
图6.双向三级升降压直流-直流变换器。
(a)电路图
(b)当d<
0.5时的波形(c)当d>
0.5的波形
如图6(b)和(c)所示是三级直流-直流变换器的波形。
运行在同频率fSW1=fSW2=1/TSW的载波vT1和vT2是以π来变化的三角波信号。
图6(b)显示的是当占空比d1=d2=d并且0<
d<
0.5时的波形。
输出电压vOUT为零或vBUS/2的离散值。
图6(c)显示的是当占空比d位于0.5<
1的范围时的波形。
在这种情况下,输出电压vOUT为vBUS/2或vBUS的离散值。
变换器输出电压vOUT的计算公式为:
(1)
这里的开关函数s1和s2由以下公式来确定:
(2)
这里的整数k
假设d1=d2=d并且vC1=vC2=vBUS/2(这种情况下转换器容易被设计和控制),它遵循图6(b)和(c)公式
(1)、
(2)与图6(b)和(c):
(3)
从公式(3)可以看出,输出电压vOUT是以为TSW/2周期的周期函数。
这意味着有效开关频率是一个双开关频率,fSW-E=2fSW。
因此,这将显著影响输出纹波电流ΔiC0和滤波电感LC0的大小。
输出纹波电流ΔiC0的最大值为
ΔiC0max
(4)
从(4)的计算中得知滤波电感LC0与最大纹波电流ΔiC0max和最大直流母线电压VBUSmax有关
(5)
A.对比三级拓扑结构与两级拓扑结构
与传统的两级直流-直流转换器相比三级直流-直流转换器有两个显著的优点:
滤波电感LC0的大小和开关的额定电压。
公式(5)中的电感是同样纹波电流条件下两级直流-直流转换器所需电感的25%。
换句话说,电感的体积仅有传统方式使得四分之一。
当电感的尺寸比传统的小四倍,损耗也会更小。
如果我们认为单位体积的损耗是相同的,与此可以得出总的损耗将远远小于传统的两级转换器的损耗。
另一个优势是开关的额定电压仅有传统的两级转换器的一半。
这将直接影响有功成分的损耗。
这是显著地切换损耗中的一种。
例如,一半开关额定电压的情况下3到4次的切换损耗相当于额定电压下一次的切换损耗。
这就意味着总的切换损耗仅为两级转换器的50%-75%。
根据开关技术,传导损耗也可以降低。
例如,如果使用高电压的MOSFET,一半额定电压下两个开关时总的阻值低于额定电压下一个开关时的阻值。
直流母线上的电容器通常由两个电解电容器串联构成。
在传统设计中,这个电容器的电压是用来平衡大体积、高损耗的被动电阻电路的电压的。
如果使用三级拓扑结构,就不需要这个平衡电路。
电磁兼容性也是一个重要的方面。
相对于二级拓扑情况下输出电压以全额母线电压波动,在三级拓扑结构中输出电压波动仅是直流母线电压的1/2。
这会影响导电的和辐射的电磁特性,尤其是超级电容器从转换器电路中断开时。
Ⅳ.超级电容器的设计指导方针
超级电容器的设计和选择依据3个参数:
1)超级电容器模块的额定电压;
2)超级电容器的额定电容值;
3)超级电容器的损耗。
图7.超级电容器的简单RC模型
A.额定电压
超级电容器必须尽可能选择额定电压接近直流母线电压的。
当驱动器的直流母线电压为最大值时超级电容器充电(驱动器制动),超级电容器的额定电压UC0max为
(6a)
超级电容器的最小运行电压由直流-直流转换器的不间断运行电流IC0max和功率P0决定
(6b)
通常,最小电压值被限制在额定电压的40%-50%(UC0min=0.4~0.5UC0max)。
B.电容值的选择
目前所提出的超级电容器考虑的是非线性(压敏电阻器)传递函数和梯形RC网络。
为了分析简单起见,传输函数的影响被忽略,使用一阶非线性模型。
图7显示了超级电容器的一个简单模型。
内部等效电阻RC0是恒定的、不随频率变化的电阻。
超级电容器总的电容值是由一个电压控制的。
(7)
其中C0是代表电容器静电电容的最初线性电容,KC是代表超级电容器扩散层间相互影响的系数。
能量存储能力:
超级电容的能量存储能力可以按如下公式计算
(8)
这里的UC0max是被公式(6)定义的超级电容器的最大工作电压,UC0是超级电容器的最初电压。
从公式(8)可以看出,最初的电容值C0可以通过给定的能量EB和参数KC来计算
(9)
这里的超级电容器的电压UC0inM是图5(b)中定义的中间电压。
制动能量EB为
(10)
这里的
是整个转换系统的效率,整个系统的效率包括电动机、驱动转换器、直流-直流转换器和超级电容器的效率。
驱动轴能量,tB为制动时间。
超级电容器可以不间断有效运行所需能量为
(11)
这里的UC0min是图5(b)中定义的超级电容器的最小电压值。
不间断运行能量ERT是在电源中断期间超级电容器必须提供给驱动系统的能量
(12)
这里的tRT不间断运行时间。
是整个转换系统的效率,它依靠于驱动器轴的能量
和超级电容器组的内部电阻。
超级电容器的中间电压UC0inM通过公式(10)中的制动能量EB和可不间断有效运行ERT的应用来选择。
通过公式(10)和(11),超级电容器的中间电压UC0inM可被计算如下
(13)
。
图8.所设计变换器的控制框图
C.电容电流应力和损耗
通常情况下,超级电容器的电流可以被分解为两个频率完全不同的范围:
1)非常低的频率和2)高频开关频率电流。
在制动和驱动都来自于超级电容器的情况下,非常低的频率电流对应的能量在驱动器直流母线和超级电容器间转换。
考虑到是超级电容器是一个线性电容(
)并且忽视内部电阻RC0,可以找到一个计算超级电容器充电电流的公式如下
(14a)
这里超级电容器的最初电压为UC0min。
其放电电流有相似的公式
(14b)
这里的电压UC0是超级电容器的最初电压。
超级电容器的充放电能量PC0是恒定的。
从公式(14)可以计算超级电容器的损耗
(15)
因为纹波电流通常比平均电流小的多,所以高频纹波电流ΔiC0可以被忽略。
如果不是这种情况,额外的高频损失必须被考虑
(16)
这里的
是超级电容器的高频电阻值。
Ⅴ.控制算法简要分析
图8显示了所设计控制系统的框图。
这个控制系统的结构由两个内部控制器和三个外部控制器组成。
第一个内部控制器GiC0控制超级电容器的电流iC0。
而第二个内部控制器GvC1是用来控制(消除)电压vC1和vC2间差异的电压平衡控制器。
工作周期d1和d2被定义如下
(17)
这里的d是被电流控制器GiC0产生的主要工作周期,而Δd是被电压平衡控制器GvC1控制的校正工作周期。
外部控制器GuC0控制超级电容器的电压uC0。
这个控制器产生超级电容器的电流参考iC0ref。
直流母线电压vBUS被外部控制器GvBUSmax和GvBUSmin控制。
当驱动器运行在来自超级电容器的制动和驱动模式时(图3中MM和MC0阶段),控制器GvBUSmax控制直流母线电压;
而当系统运行在不间断运行模式时(图3中RT阶段),控制器GvBUSmin控制直流母线电压。
超级电容器的电压参考值uCOref控制器GvBUSmax和GvBUSmin输出信号的总和。
简要描述其控制算法,从控制角度考虑3个重要运行模式:
1)电源驱动模式;
2)超级电容器制动和驱动模式;
3)不间断运行模式。
图9.电源运行模式下的框图。
直流母线电压控
制器处于饱和状态并且不影响控制系统
电源运行模式(MM):
图9所示为该模式下的控制框图。
驱动器由电源供能。
直流母线电压是
(由电源电压决定),这里的VIN是母线相间电压有效值。
如之前所述,在图5(a)中,直流母线电压位于参考电压GBUSmax和GBUSmin之间。
因此,控制器GvBUSmax在UC0inM处饱和,而控制器GvBUSmin在零处饱和。
此时,我们必须设计控制器GvBUSmax和GvBUSmin处于如此方式下,如果error>
0,out↓,如果error>
0,out↑,这里的out是控制器的输出并且error是控制器的输入(直流母线电压控制误差)。
符号↑和↓分别意味着变量的增加和减少。
超级电容器的参考电压如下
(18)
为了防止能量在超级电容器和驱动器之间的流动,控制器GuC0维持超级电容器的电压与中间水平UC0inM。
超级电容器的制动和驱动(B和MC0):
驱动负载是负值(制动模式)。
因为整流器是一种单向整流器,直流母线电容器CBUS被充电并且直流母线电压vBUS上升。
一旦它达到参考电压VBUSmax,直流母线电压控制器GvBUSmax处于不饱和状态,而控制器GvBUSmin处于零饱和状态。
因此,超级电容器的电压参考uC0ref开始从UC0inM增加到UC0max
(19)
超级电容器的电流被控制器GuC0设计在维持直流母线电压
恒定的水平。
如果制动能量大于超级电容器的能力,在制动阶段结束之前超级电容器将被完全充电到最大电压UC0max。
直流母线电压控制器GvBUSmax将在UC0max处达到饱和,并且超级电容器的电压参考值将停止增加。
超级电容器的电压保持恒定,而其电流iC0将下降到零;
超级电容器充电结束。
然后,直流总线电压将开始增加直到激活的制动电阻器或驱动器过电压(OBF)保护。
当驱动器运行在驱动模式时,为了给下一个制动阶段做好准备,超级电容器必须放电到中间水平UC0inM。
直流母线电压控制器GvBUSmax维持直流母线电压于VBUSmax。
控制器GvBUSmax的输出将减小,因此,超级电容器的参考电压将减小到UC0inM
(20)
超级电容器被放电来为驱动器负载提供能量。
一旦超级电容器放电到中间水平UC0inM,直流母线电压GvBUSmax在参考值UC0inM处达到饱和。
超级电容器参考电压值如下
(21)
超级电容器电压值维持恒定,
超级电容器的电流降到零,放电结束。
直流母线电容器是被放电,电压降低直到驱动输入整流器开始进行。
然后,驱动器再次从电源获得能量。
图10.直流-直流控制器实物图
不间断运行模式(RT):
当网络供能中断时,直流母线电压开始下降直到它达到最小值VBUSmin。
控制器GvBUSmin此时处于非饱和状态,输出以
的趋势开始减小到零。
由于控制器GvBUSmin在UC0inM处达到饱和状态,超级电容器的打压参考值开始从UC0inM下降到UC0min
(22)
超级电容是深度放电,直流母线电压被维持在最低水平
一旦电源恢复,直流母线电压增加到额定电压(由电源电压决定)。
控制器GvBUSmin在零处达到饱和,因此,超级电容器的电压参考值上升到UC0inM。
为了给下阶段的电力中断做好准备,超级电容器被充电到中间水平UC0inM。
如果电源中断时间太长,将放电到最低水平UC0min。
这时,超级电容器电流下降到零,并且直流母线电压开始下降直到它达到USF水平。
控制器下降到USF并且整个系统停止工作。
A.控制器合成过程
控制器的合成标准或多或少地与串级控制结构设计程序相关。
第一步是超级电容器电流控制器GiC0和电压平衡器GvC1的合成。
第二步是超级电容器电压控制器GuC0的合成。
第三步是直流母线电压控制器GvBUSmax和GvBUSmin的合成。
超级电容器的电流控制器GiC0是带有前馈补偿和线性化的超级电容器电压uC0和直流母线电压vBUS的比例-积分(PI)控制器。
其它的控制器都是传统的线性PI控制器,例如,电压平衡控制器、超级电容器电压和直流母线电压控制器。
系统的建模和控制器的拟合构成了本文的主体。
它将在未来的论文中进一步讨论。
图11.驱动系统的启动序列
Ⅵ.实验结
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