CN102570621A - 一种吸收和释放回馈电能的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能方法和系统，具体地说是涉及一种吸收和释放回馈电能的方法和系统。方法的主要特点是通过实时监测直流母线的电压状态，若该电压高于电网电源的交流输入电压经转换后应得的直流电压，则对对能量储存/释放模块进行充电；若否，则将能量储存/释放模块所储存的电能释放，用于驱动负载电机运行。系统的主要特点是电机控制器包括与电网电源相连接的交流输入电压检测模块、直流母线电压检测模块，并有能量储存/释放模块经由直流母线与所述直流母线电压检测模块相连；本发明的能量储存/释放模块为超级电容。本发明通过超级电容技术和专用控制器的结合运用等先进技术，达到系统的节能、环保、提高系统运行效率和稳定性的有益效果。

Description

一种吸收和释放回馈电能的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种节能方法和系统，具体地说是涉及一种吸收和释放回馈电能的方法和系统。 

背景技术

在一切利用动能使物体提升到一定高度后便产生了势能，当物体在下降阶段如何利用这部分势能，是人们都在考虑的事情，包括矿山提升电梯升降和一些左右摇摆的系统。目前已经有一些有益的探索，例如油田的抽油机通常由普通交流异步电动机直接拖动，其曲柄带以配重平衡块带动抽油杆，驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动，把井下的油送到地面。在一个冲次内，随着抽油杆的上升/下降，而使电机工作在电动/发电状态。上升过程电机从电网吸收能量电动运行；下降过程电机的负载性质为位势负载，加之井下负压等使电动机处于发电状态，对于上述因带有配重而产生的额外能量，通常采用能耗制动方案与电网回馈方案来解决，但以上常规的解决方案在抽油机上的应用却并不令人满意，这是由于抽油杆下降时，系统所具有的势能转换为动能，为电机所吸收并转换为电能，此时，电机处于回馈电能的制动状态，大量能量返至变频器的直流母线，传统变频方案能耗制动方案是采用能耗电阻，白白将这部分能量烧掉，产生很大的浪费。 

于是，新近一代方案是运用变流技术、通过一定的装置或者系统把势能转换成电能回馈到电网以达到充分利用能源。但由于技术水平与系统成本限制，在谐波控制方面鲜有考虑，造成电网谐波污染，影响电网的供电质量，系统控制器在使用寿命与运行稳定性上也有不足。 

发明内容

本发明的目的正是在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种可应用于一切提升时使用电能驱动、下降利用重力势能发电及一切左右摇摆利用重力势能发电的系统或设备的吸收和释放回馈电能的系统，避免了能耗制动方案的浪费与电网回馈方案的谐波污染与不稳定，有效地平衡由于机械系统配重不平引起的周期性释放的势能。 

为实现前述目的，本发明给出如下技术方案： 

一种吸收和释放回馈电能的方法是： 

a)通过直流母线将能量储存/释放模块3连接在一切提升时使用电网电能驱动下降时利用重力势能发电的系统或设备的电机控制器1上； 

b)实时监测上述直流母线的电压状态，判断该电压是否高于电网电源4的交流输入电压经转换后应得的直流电压； 

c)当监测到直流母线电压高于输入的交流电压转换后应得的直流电压时，表明负载电机2处于发电状态，此时将电流导入能量储存/释放模块3，对能量储存/释放模块3进行充电； 

d)当监测到直流母线电压不高于输入的交流电压转换后应得的直流电压时，表明负载电机2处于电动状态，此时将上述能量储存/释放模块3所储存的电能释放，电能反馈回直流母线，用于驱动负载电机2运行。 

为了前述方法的系统，包括用于驱动系统或设备的负载电机2和电机控制器1，所述的电机控制器1包括与电网电源4相连接的交流输入电压检测模块，电机控制器1还包括直流母线电压检测模块，并有能量储存/释放模块3经由直流母线与所述直流母线电压检测模块相连。 

更近一步地，电机控制器1还包括用于控制负载电机2的变频器和能 量储存释放电管理与保护模块；为了便于控制，可在交流输入电压检测模块与电网电源4之间加装断路器5。 

由于某些系统或设备下降时，处于刹车制动状态产生的电能很大。为了储存这部分电能，需要容量足够大的电容；又为了适配不同功率的负载电机，上述的能量储存/释放模块3的容量在0.1F-200000F范围内。 

考虑到能充分利用现有技术，降低制作成本，本发明的能量储存/释放模块3为超级电容，该超级电容包括若干个通过串联或并联的电容片组，所述的电容片组包括若干个正负电极依次相连的市售的单体电容。将市售的电容单体集成为超级电容，达到上述电容容量。具体地说是设计了表面均开有通孔的上板和下板，电容单体的上下两端分别固定于上板和下板的通孔中，并且单体电容下端的管脚正负依次相连，从而构成一个电容片组；再将若干个电容片组彼此串联或并联从而构成的容量可调的集成化的超级电容。 

更具体地，上述电容下端的管脚可以经由下板底部的线路板而正负依次相连，或者上述电容管脚的连接也可采用铜排、铝排、或导线连接。 

为尽可能的容纳更多的电容，可将上板和下板的通孔设置成蜂窝状。 

在上板或下板的四边和中心可以设置与电容单体高度相对应的带有螺栓孔的塑胶减震定位垫块，并用螺栓将上板和下板通过垫块锁紧而将电容单体夹紧在上下板之间，而使电容在使用时更加稳固，克服了在恶劣环境下使用时造成接触不良的情况。 

为了便于搬运、安装并起到保护效果，可在电容装置外面设置壳体。 

上述电容单体是容量在法拉级别的任意一款市售电容。 

本发明利用超级电容充当的能量储存/释放模块将负载电机发电运行 时的电能存储起来，不回馈电网，待负载电机以电能驱动时，超级电容充当的能量储存/释放模块放电，这样通过能量储存/释放模块的充、放电，不仅使电动机制动时产生的电能储存起来并再次利用，避免造成电网谐波污染，而且也提高了系统的功率因数，起到节能降耗的目的。通过超级电容技术和专用控制器的结合运用等先进技术，达到系统的节能、环保、提高系统运行效率和稳定性。 

本发明将单体电容串并联以后集成为超级电容，既提高了耐压可达上千伏，又增加了容量可达到法拉级别。采用超级电容和变频调速技术。除了可以动态改变系统或设备的冲程频次之外，还可以根据实际需要地分别调整每一冲程上下行程的速度，使系统或设备工作在最佳运行状态。例如在油田抽油机的在每一冲程中，适当降低下行程的速度，可以提高原油在泵内的充满度，而适当提高上行程的速度，则可减少在提升中的漏失系数，有效地提高单位时间内的原油产量。 

同时通过动态调速也可大大节省电能的消耗。而采用超级电容储能方式则简化了结构，提高整个系统的可靠性，减少电网污染，既节能又绿色环保，满足国家对节能减排的要求 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。 

具体实施方式

参照附图，以在油田抽油机上的应用来进一步阐述和理解本发明的技术方案：由包括与电网电源4相连接的交流输入电压检测模块、直流母线电压检测模块、控制电机的变频器、电容充放电管理与保护模块制成电机 控制器1；电机控制器1连接驱动油田抽油杆的负载电机2；在交流输入电压检测模块与电网电源4之间加装断路器5。 

表面开有800个蜂窝状通孔的上板和下板，800个电容单体的上下两端分别固定于上板和下板的蜂窝状通孔中，并且200单体电容下端的管脚正负依次采用铜排相连，从而构成4个电容片组；再将2个电容片组彼此串联后再并联从而构成的容量为1F的超级电容。在上板或下板的四边和中心可以设置与电容单体高度相对应的带有螺栓通孔的塑胶减震定位垫块(也可使用中性玻璃胶或其他中性有减震定位特性的材料填充，还可以以专用硅橡胶减震定位板代替定位垫块)，并用螺栓将上板和下板通过该垫块锁紧而将电容单体夹紧在上下板之间，而使电容在使用时更加稳固，克服了在油田恶劣环境下使用时造成接触不良的情况，外面设置壳体以作保护。并将该超级电容经由直流母线与直流母线电压检测模块相连。 

至此，当监测到直流母线电压高于输入的交流电压所对应直流电压时，表明负载电机2处于发电状态，此时将电流导入超级电容，对超级电容进行充电；当监测到直流母线电压不高于输入的交流电压所对应直流电压时，表明负载电机2处于电动状态，此时将上述超级电容所储存的电能释放，电能反馈回直流母线，用于驱动负载电机2运行。 

Claims (5)

1.一种吸收和释放回馈电能的方法，其特征在于该方法是：

a)通过直流母线将电能储存/释放模块(3)连接在一切提升时使用电网电能驱动下降时利用重力势能发电的系统或设备的电机控制器(1)上；

b)实时监测上述直流母线的电压状态，判断该电压是否高于电网电源(4)的交流输入电压经转换后应得的直流电压；

c)当监测到直流母线电压高于输入的交流电压转换后应得的直流电压时，表明负载电机(2)处于发电状态，此时将电流导入能量储存/释放模块(3)，对能量储存/释放模块(3)进行充电；

d)当监测到直流母线电压不高于输入的交流电压转换后应得的直流电压时，表明负载电机(2)处于电动状态，此时将上述能量储存/释放模块(3)所储存的电能释放，电能反馈回直流母线，用于驱动负载电机(2)运行。

2.实现权利要求1一种吸收和释放回馈电能方法的系统，包括用于驱动系统或设备的负载电机(2)和电机控制器(1)，所述的电机控制器(1)包括与电网电源(4)相连接的交流输入电压检测模块，其特征在于所述的电机控制器(1)还包括直流母线电压检测模块，并有能量储存/释放模块(3)经由直流母线与所述直流母线电压检测模块相连。

3.根据权利要求2所述的一种吸收和释放回馈电能的系统，其特征在于电机控制器(1)还包括用于控制负载电机(2)的变频器和能量储存释放管理与保护模块；在交流输入电压检测模块与电网电源(4)之间加装断路器(5)。

4.根据权利要求2所述的一种吸收和释放回馈电能的系统，其特征在于所述的能量储存/释放模块(3)的容量在0.1F-200000F范围内。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种吸收和释放回馈电能的系统，其特征在于所述的能量储存/释放模块(3)为超级电容，其包括若干个通过串联或并联的电容片组，所述的电容片组包括若干个正负电极依次相连的市售的单体电容。

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