基于有源滤波器和飞轮储能的无电解电容器长寿命不间断电源
Itaru Ando, Junji Shibata
Akita National College of Technology
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关键词：
不间断电源（UPS），飞轮储能系统，有源滤波器，同步电动机，转换器控制
摘要：
本文描述了一种带有有源滤波的飞轮储能不间断电源。这个不间断电源包括一个二极管不控整流器，一个单相逆变器，一个由永磁发电机/电动机以及一个三相逆变器组成的飞轮储能系统，没有使用笨重的电解电容器，电池以及滤波反应器。它具有许多优点：体积小，重量轻，并且是免维护的。单相逆变器的开关频率在低频下，即与电源电压同步的时候会更有更高的效率。而且它可以通过负载提供稳定的功率。输入侧的单位输入功率因数控制和正弦电流波控制可以通过基于飞轮的快速充放电的有源滤波器的功能来实现。上述系统额能够在没有LC滤波器的情况下输出正弦电压波。
在本文中，实验是在使用导向飞轮单元以及连接到在飞轮上的永磁电动机/发电机的仿真模型条件下进行的，结果表明，此不间断电源系统需要有源滤波元件并且能够在任何情况下通过负载提供稳定的电力输出。
引言
随着计算机系统和工厂自动化设备的普及，稳定可靠的电源已经成为了一个重要的社会话题。[1]-[4] 防止电压突然下降和完全的电源故障是非常困难的，而不间断电源则是解决这些问题的有效方法之一，而且随着个人电脑的普及，不间断电源的需求也在日益增长。
Fig.1:System configuration of the conventional battery UPS
图1：传统电池不间断电源的系统构成
通常按照功率流的不同，不间断电源可以分为在线不间断电源、备用不间断电源、线路交互式不间断电源等几种。在线不间断电源在任何情况下都能通过逆变器为负载提供稳定的电力供应；对于备用不间断电源来讲，正常情况下，稳定的电源直接为负载提供电力，在意外故障发生时，逆变器工作，备用不间断电源为负载提供电力；线路交互式不间断电源则改进了功率因数和输出电压。
图1所示为传统的不间断电源，它是一种包含电池能量储存单元的在线不间断电源。为了在正常的电力条件下获得单位输入功率因数和正弦波输出电压，传统的不间断电源需要有源滤波器和带有高频PWM的逆变器，同时，为了获得稳定的有源滤波作用和高质量的正弦输出电压波，笨重的电解电容器和LC滤波器也不可或缺。在电源故障失效的条件下，电池中储存的能源能够使得直流母线中的电压维持不变，PWM逆变器能够对负载提供不间断的稳定的电力供应。这也就意味着，传统的不间断电源应该由PWM有源整流器、输出PWM逆变器、电池储能系统、笨重的电解电容器以及输入输出LC滤波器组成。因此，传统的不间断电源有以下一些缺点：
- 电池以及笨重的电解电容器的寿命较短。（普通的铅酸蓄电池的寿命为3~5年，碱性电池和笨重的电解电容器的寿命约为5~8年）
- 对于电池来说，频繁的维护工作是必不可少的；
- 电池过充缠上的氢气会对环境造成污染；
- 电池不适合用于快速的高功率的充电和放电；
- 重复的充放电会导致电池寿命减少；
- 电池、笨重的电解电容器以及反应器会使得元件的体积变大，重量增加。
从上述的原因可以看出，电池、笨重的电解电容器以及反应器对于不间断电源来讲将不再有效。
图2所示的就是本文所提出的不间断电源——一种线路交互式不间断电源。它具有主动过滤能力，这种新型不间断电源包含了带有永磁同步电动/发电机的飞轮储能系统，输入全桥二极管整流器和输出全桥单相逆变器。相较于电池储能单元，飞轮储能单元有许多优越之处：它具有更长的寿命，免维护，而且快速的高功率充放电对于系统本身不会造成损伤。飞轮储能系统的三相逆变器在正常的电力条件下能够实现有源滤波功能。并且，此系统无需输入输出LC滤波器就能够得到单位输入功率因数和正弦波输出电压。因此，本文所提出的不间断电源具有良好的特性：它生产成本低廉，寿命长，免维护，效率高，能够得到单位功率因数以及稳定的正弦波输出电压。
Fig.2:System configuration of the proposed flywheel UPS
图2：文中所提出飞轮储能不间断电源的构成
飞轮储能不间断电源的基本原理
图2所示为提出的飞轮储能不间断电源的系统结构图。[5]这个系统不需要笨重的电解电容器和AC滤波反应器。此系统包含一个具有很大转动惯量的、有永磁同步电动/发电机的飞轮储能单元。三相逆变器控制这储能单元中的电能。此系统采用包含小型薄膜电容器（40微法）的单相二极管整流器与直流母线相接。因此，直流母线的电压波形成输入电压的绝对值。由于直流母线的电压不是恒值，因此系统会有单位输入功率因数和正弦输入电流波形等特性。单相逆变器的开关频率为低频，并且与每种状态下的输出电压极性同步。
本系统具有以下几种特征：
- 本系统不需要笨重的电解电容器，反应器以及电池储能单元，它能够实现长寿命、免维护、轻重量以及很低的生产成本；
- 与直流母线之家跨接的小型薄膜电容器能够实现单位功率因数；
- 低开关频率的输出逆变器能够产生几乎所有种类的正弦波输出电压，这使得系统具有高可靠性以及高效率。
在一般的电力条件下，文中所提出不间断电源中的三相逆变器可以实现有源滤波器的功能。它有两种工作模式，由直流电流的参考极性给出。如果为正值，则通过三相逆变器工作使得永磁同步电动机对飞轮储能系统进行能量储存；反之，如果为负值，则飞轮可以当作发电机，飞轮储能系统通过三相变流器进行放电。由于飞轮具有很大的转动惯量，系统瞬间的充/放电作用不会改变飞轮的转速。由于直流母线上的小电容的作用，母线上的电压波形形成输入电压的绝对值。全桥逆变器的开关频率和输出电压的极性同步，这样就可以提供几乎所有的正弦输出电压波形。并且，由于整流器和低频单相逆变器的设计简单化，这使得系统的高效率和高可靠性成为可能。
在电源发生故障失效时，系统的控制转换成备用模式。三相变流器工作释放飞轮系统中的能量，传递给负载。这就使得直流母线上的正弦电压波形的绝对值保持稳定。
Fig.3:Pilot flywheel energy storage unit
图3：导向飞轮单元
表1：电机参数
TableⅠ：Motor parameter
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额定功率 |
1[kW] |
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额定转速 |
10000[rpm] |
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额定相电压 |
20.5[V] |
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额定线电流 |
20[A] |
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额定电气频率 |
1.33[kHz] |
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极对数 |
8 |
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转动惯量 |
42.1[kg·] |
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额定储能 |
23.1[kJ] |
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相电阻 |
33[m] |
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相电感 |
2.7[ |
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短路容量 |
513[A] |
飞轮储能单元
图3所示为导向飞轮储能单元，表1所示为导向飞轮储能单元的参数。[6]导向单元使用的是具有径向间隙的永磁同步电机。此电机通过定子中的4匝集中绕组线圈中的18个元件固定在无核心结构上，并且通过加厚永磁体和使用SPM结构使得有效气隙在16毫米以上。带动飞轮的永磁电机需要具有较小的电气参数，这样才能实现飞轮能量的高速和重复的充放电操作。除此之外，高电角频率还降低了绕组电阻的百分比。此飞轮储能单元的额定功率为1kW，额定转速为10000rpm，在额定转速下的短路容量为513A，并且飞轮的尺寸为2000(mm)200(mm)，值得注意的是，导向飞轮单元是由大转动惯量的永磁电动/发电机驱动，并且此电机具有许多适合充放电的特性，比如内部阻抗小，短路电流容量大等。
此外，化学反应器所提供的电池能量会受到温度以及其他环境因素的影响，但是这些因素对于飞轮储能单元的影响可以忽略不计。
飞轮储能不间断电源的控制框图
图4向我们展示了文中所提出的不间断电源的控制框图。在正常的电力状态下，三相逆变器具有有源滤波器的功能，并且能过够对驱动飞轮的永磁同步电动/发电机的速度进行控制。
FIg.4:Main circuit and control block diagram of the proposed UPS
图4：飞轮储能不间断电源的控制框图和主电路
输入电流幅值的参考值是由电机输出转速的PI调节器和之和计算而来，而则表示由瞬时输出功率计算的输出电流有效值。[7]｜｜则由和两者的乘积决定。
电动机的电流由基于ｄ－ｑ轴系的坐标系统控制。飞轮单元充放电的动作则由ｑ轴电流参考值的极性决定，在正常的电力状态下，q轴的电机电流参考值由图4(d)中所示的PI2调节器中获得。d轴电流则会影响到电动机的铁损，因此，本文中所用的基本控制策略将控制为0。和则由PI3调节器以及无干扰控制算法计算而来。三相逆变器根据和的值来输出合适的电压值，并且能够实现清洁的输入特性。
文中所提及的系统不能将直流母线的电压降低到低于永磁同步电机的反电动势，因此，驶入电流的波形会存在一定的失真。弱磁控制将能够有效的改善电流的波形。输出单相全桥逆变器将由简单的门控制器操作（图4（b）），而控制单相全桥逆变器的门控制信号将由输入电压的极性决定。
Fig.5:Block diagram of the proposed UPS with PM motor/generator driving simulator and main circuit
图５：所提出带有永磁同步电机的不间断电源的驱动仿真框图和主电路
图4(c)所示为电力故障条件下的控制框图，在此框图中，三相逆变器将会控制切换到三相有源整流器状态。有源整流器使得直流母线的电压值成为整形波形的绝对值。由电容电流调节控制，电容电流的参考值则由计算而来，如果电容的电容值因长期的地磁变化而变化，则直流母线电压将不能实现精确控制。因此，该系统通过调节来实现的稳定，而是使用直流母线电压反馈以及PI4调剂器所得。
在本文中，实验结果证明了所提出的使用导向飞轮单元的不间断电源的有效性。值得注意的是，为了安全，一些实验是通过“永磁同步电动/发电机驱动仿真”进行的，这些模拟在后文中会详细说明。
永磁同步电动/发电机驱动仿真
图5所示为永磁同步电动/发电机驱动仿真及其控制框图。永磁同步电机驱动仿真模型通过使用PWM开关单相全桥变流器来控制，电机的电流和由基于同步电机的方程的电压参考值和计算而来，并且补偿电流参考值由下式(1)计算而来：
(1)
永磁同步电动/发电机的仿真驱动模型能够调节，此与三相逆变器驱动的永磁同步电动/发电机中的是同一个电流值。
永磁同步电机的电流是在d-q坐标系统中计算而来的。永磁同步电机的d-q坐标系统中的电流方程如下式（2）所示；
(2)
上式中的、、以及分别表示转子的电压和电流，和表示额定条件下的电阻和电感，则是转子的电磁角速度，电磁角速度与机械角速度之间存在以下的关系：，其中为转子的极对数。P为微分算子，T为采样时间，为转子的动生电动势。以及由式(3)计算而来：
(3)
为了能够使用数字离散系统，式(3)可以转换成式(4)和式(5)：
(4)
(5)
电机的运动方程由式(6)获得：
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