中國儲能網(wǎng)訊：針對薄膜行業(yè)對電壓暫降治理裝置的需求，本文介紹了超級電容儲能型直流支撐裝置的工作原理，以及主電路和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。超級電容儲能型直流支撐裝置可以解決困擾薄膜企業(yè)因暫降導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)的問題，滿足薄膜行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的要求。
隨著高比例新能源的大量接入，電力系統(tǒng)的抗擾動能力大幅度下降，電能質(zhì)量問題愈發(fā)嚴(yán)重，電壓暫降問題已經(jīng)成為世界主要電能質(zhì)量問題。據(jù)美國 EPRI 報道：92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降和暫升。我國海南省也對電壓暫降進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，5個城市，17個變電站共記錄 2786 條暫降，其中具有危害性的電壓暫降約占電壓暫降總數(shù)的10%左右，平均每個變電站17次危害性電壓暫降。電壓暫降已經(jīng)嚴(yán)重影響了高精度、連續(xù)運(yùn)行產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益。截止目前，直流電壓支撐裝置已經(jīng)在制氫工業(yè)、石油石化、發(fā)電行業(yè)有了大量應(yīng)用。
工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
BOPET薄膜生產(chǎn)線采用大量變頻器連續(xù)調(diào)速實(shí)現(xiàn)工藝要求。其生產(chǎn)工藝各個流程均需要變頻器的參與，變頻調(diào)速系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)常采用共直流母線的方式。
圖1 共直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)電路
共直流母線方案與傳統(tǒng)單機(jī)方案相比具有吸收回饋能量，節(jié)能降耗，減小設(shè)備配線開關(guān)和柜內(nèi)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，由于系統(tǒng)耗能大，直流母線下降快，很容易觸發(fā)變頻器低電壓報警。由于薄膜生產(chǎn)具有連續(xù)性的特點(diǎn)，需要進(jìn)行縱向拉伸（MDO）和橫向拉伸（TDO）以及收卷分切的工藝，對變頻器的工作精度和可靠性要求相當(dāng)高。以縱拉工藝為例，縱向拉伸比（指快拉輥與慢拉輥線速度之比）的大小將會影響薄膜的縱向機(jī)械性能。在一定的拉伸溫度和拉伸比的條件下拉伸比越大，PET分子的取向則越大，于是薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度提高，斷裂伸長率降低，沖擊強(qiáng)度、透明度和透氣性變佳。但是，拉伸比過大，結(jié)晶度、取向度過大，會增加薄膜橫拉時的破膜率。普通聚酯薄膜的拉伸信數(shù)一般為 3.3-3.5 倍，強(qiáng)化膜的拉伸倍數(shù)可達(dá)4倍左右。
電壓暫降導(dǎo)致變頻器低電壓故障時，將造成整卷的薄膜報廢，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)損失。以某光學(xué)薄膜廠為例，一次電壓暫降將造成 15 萬元的損失。因此對薄膜行業(yè)電壓暫降治理顯得尤為重要。
針對具有共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以采用加裝補(bǔ)償裝置的方式，一般采用不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器或動態(tài)電壓恢復(fù)器等補(bǔ)償裝置。其中 AVC 和 DVR 都是通過對交流系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償來抑制電壓暫降的方式，串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載之間，其控制復(fù)雜、設(shè)備造價成本較高；由于 UPS 放電電流小，充電時間長，故其性價比較低。而超級電容儲能型直流支撐裝置就是可以彌補(bǔ)以上各種補(bǔ)償裝置的不足。圖2 為薄膜生產(chǎn)工藝現(xiàn)場圖。
圖2 薄膜生產(chǎn)工藝現(xiàn)場圖
如 圖3 所示，當(dāng)輸入到變頻器的交流市電發(fā)生電壓暫降或停電時，由直流支撐裝置進(jìn)行直流供電；待交流市電恢復(fù)正常后，變頻器的供電電源主動切換到交流市電供電。從而保證在整個市電發(fā)生暫降或停電過程中，變頻器不跳停，進(jìn)而保證負(fù)載安全可靠工作。直流電壓支撐裝置的工作運(yùn)行模式可分為兩個工作過程：
運(yùn)行模式 1：正常情況下，市電先經(jīng)過交流配電系統(tǒng)，再經(jīng)過變頻器后驅(qū)動電機(jī)正常運(yùn)行。支撐裝置與變頻器的直流母線并聯(lián)，作為變頻器的直流在線備用電源。
運(yùn)行模式 2：當(dāng)輸入到變頻器的交流市電發(fā)生暫降或停電時，變頻器的直流供電由支撐裝置毫秒切換至超級電容儲能系統(tǒng)提供；待交流電源恢復(fù)正常后，變頻器的供電主動切換到交流市電供電，支撐裝置進(jìn)入充電在線備份狀態(tài)。從而保證在整個市電發(fā)生晃電或停電過程中，變頻器不跳停，進(jìn)而保證負(fù)載安全可靠工作。
圖3 直流支撐裝置系統(tǒng)圖
如 圖3 所示，直流支撐裝置主要由輸入、輸出斷路器、熔斷器、AC/DC 充電單元、超級電容、 DC/DC 單元、控制系統(tǒng)和監(jiān)測單元等組成，與用戶的變頻器直流母線并聯(lián)。其中，為了獲得更高的性能和更小的尺寸，儲能器件使用了超級電容作為儲能介質(zhì)。超級電容是一種介于靜電電容器和電池之間的新型儲能元件，具有優(yōu)良的大電流充放電性能和大容量儲能性能。其具有電容密度和能量密度高、充放電快、壽命長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得系統(tǒng)功率密度得到較大的提升。
