应用于矿井提升机系统的超级电容储能型MMC
中文关键词: 超级电容储能 模块化多电平变换器 矿井提升 荷电状态 再生制动能量
作者 单位
杨晓峰 北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
陶海波 北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
游小杰 北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
郑琼林 北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
中文摘要:
提出一种应用于矿井提升电气传动系统的超级电容储能型模块化多电平变换器MMC-SCES（super capacitor energy storage based modular multilevel converter），采用分布式超级电容组作为子模块的直流支撑电容，用于吸收提升机的再生制动能量，并在牵引工况合理释放，以提高能量的利用效率。首先分析了MMC-SCES的拓扑和工作原理；在此基础上研究了系统的关键控制策略；并通过仿真算例对所提MMC-SCES拓扑进行了验证。结果表明，MMC-SCES能够适应提升机的变频调速工况，提高了系统能量复用率，在中高压矿井提升电气传动领域中具有良好的工程应用前景。
内容节选：
矿井提升电气传动系统是煤矿生产中的主要设备之一，其装机容量大、可靠性要求高。作为井上与井下的唯一输送通道，矿井提升电传动系统的运行性能，不仅直接影响到矿山的正常生产，还与设备及人身安全密切相关[1-2]。我国煤矿普遍采用6~10kV电压等级，鉴于功率开关器件的耐压限制，适用于矿井提升机电气传动系统的大容量变流器解决方案主要包括院采用功率开关器件直接串联的传统两电平变换器拓扑及多电平变换器拓扑。前者是提高应用电压等级和系统容量的有效途径[3]，但由于输出电压谐波含量大，往往需要体积庞大的无源滤波器，且对功率开关器件开关的一致性、动态均压特性要求较高[4-6]；而多电平变换器拓扑以其独特的结构特点，在高压大功率场合受到广泛关注[7]。传统多电平拓扑大致可分为箝位型和单元级联型两大类，箝位型多电平拓扑随着电平数增大，所需功率器件的数量急剧增加，且各个电容电压不容易平衡，使得传统多电平拓扑在实际应用中受到一定的限制[8]；基于移相变压器的多重化拓扑是级联型拓扑在大功率传动系统中应用的一种典型实现方案，然而多绕组隔离工频变压器的引入，无疑将增加系统的复杂程度和成本[9]。
与传统多电平变换器相比，模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)具有高度模块化特点和优良的输出特性，且在滤波装置/变压器需求等方面均具有显著优势，不仅在柔性直流输电应用领域取得了长足进展[10-12]，还向电能质量治理、中高压电力传动等领域拓展，展现出良好的应用前景[13-15]。然而，基于MMC的交流传动装置仅适用于工业风机和泵类等调速范围小且接近额定转速的应用场合。为改善传统MMC电传动系统的低频转矩脉动问题，各国学者开展了广泛深入的研究，提出了共模电压/电流分量注入和脉冲优化等控制方法[16-18]，但并未从根本上解决限制MMC变频调速的问题。
另一方面，近年来国内矿井事故频发，如果断电状态下高压变流器仍然具备短时间的应急运行能力，则可显著提高矿井提升机无电状态下的危机救生能力。矿井提升机制动时，在重力作用下电传动系统进入发电机工况，再生能量将对高压变流器的直流母线电容充电[19]；为避免母线电压超过器件额定值进而影响系统用电安全，必须把这部分能量迅速转移。储能型MMC被视作解决上述问题的理想方案，与传统电池相比，超级电容具有更佳的功率密度和使用寿命，且对环境无害，因此基于超级电容的储能型MMC更适合于矿井提升机等瞬时大功率应用场合。然而，已发表技术论文主要集中在配电网中基于电池储能型MMC的拓扑及控制技术研究，而储能型MMC在电传动领域内的相关研究较少[20-22]。
为此，本文提出一种基于超级电容储能型MMC即MMC-SCES(super capacitor energy storage based MMC)的矿井提升电气传动装置，一方面将提升机工作制动状态的电能临时储存在超级电容中，而在启动时该能量释放并转化为提升机的牵引能量；另一方面发生断电事故时能够为矿井提升机提供短时运行动力。此外，模块化的结构所带来的系统冗余运行特性和故障保护特性，进一步增强了矿井提升机电气传动系统的安全性能。本文将在分析MMC-SCES拓扑的基础上，研究其关键控制策略，并通过仿真验证本文提出理论的正确性。
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