CN102684226A - 一种可自并联向电网回馈电能的节能装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可自并联向电网回馈电能的节能装置，该装置采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小。本发明还提供一种可自并联向电网回馈电能的节能方法。实施本发明的节能装置和方法，具有以下有益效果：1、采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小，从而保证在向电网回馈电能时不对电网产生任何影响；2、现场应用组合灵活：在小功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间连接一个节能装置实现电能回馈；在大功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间并联多个节能装置实现电能回馈。

Description

一种可自并联向电网回馈电能的节能装置和方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种可自并联向电网回馈电能的节能装置和方法。

背景技术

起重机是一种通过垂直升降或者垂直升降与水平移动来放取重物的机电设备。随着技术的不断发展，为保障起重机的安全稳定运行，速度控制精确度的需求日益增强，目前现场控制越来越多的采用变频器控制电机运行。而采用变频器控制将会出现一个问题，当重载下降时其负载位能通过电动机转变为电能，储存在直流电容上，以及在起重机制动时转化成的电能储存在直流电容上，这样会导致电容电压上升，如果能量得不到及时释放会导致其电压升的过高，会引起变频器故障。

为了解决上述问题，本领域技术人员采取了以下两种方式：

一、能耗制动方式：采用大功率电阻来释放存储在电容上的能量。这种方式虽然简单易行，但是电阻发热严重，会导致柜内温度升高，影响变频器的工作性能。而且简单能耗制动不能抑制快速制动产生的泵升电压，影响制动效果。

二、利用单环电压控制能量回馈装置：利用单环电压控制方式，当母线电压高于设定值时，进行能量回馈。这种方式虽然对母线电压有较好的控制能力，但对于变频器容量大的起重机行业来说，仅采用单环电压控制方式，而不对回馈过程中的电流值进行控制，会出现电流波动等现象，从而对电网造成影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的不能将起重机运行过程中产生的电能很好地回馈到电网的缺陷，提供一种可自并联向电网回馈电能的节能装置。

本发明提供一种可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小。

本发明还提供一种可自并联向电网回馈电能的节能系统，其特征在于，小功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间连接上述的节能装置；大功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间并联两个以上上述的节能装置。

优选地，节能装置包括：检测变频器直流母线的电压，并将检测到的电压送入第一比较器的直流母线电压检测单元；

与直流母线电压检测单元连接，将来自于直流母线电压检测单元的电压与给定电压值做比较判定，大于给定电压值时，向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元的第一比较器；

与第一比较器连接，对比较后的差值进行放大比较，生成高频PWM波形并送入第二比较器的直流母线信号采集单元；

与直流母线信号采集单元和电网信号采集单元连接，将电网信号采集单元采集到的电网电压信号和来自于直流母线信号采集单元的电压信号做比较，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形的第二比较器；

与第二比较器和输出电流信号采集单元连接，将来自于第二比较器的三相电流给定波形与输出电流反馈信号采集单元采集到的电流反馈信号做比较，生成PWM波形的第三比较器；

与第三比较器连接，驱动逆变单元工作的驱动电路；

与驱动电流连接，实现能量向电网回馈的逆变单元。

优选地，给定电压值通过可调电阻进行设置。

优选地，回馈电流控制环采用高频斩波控制方式。

优选地，直流母线信号采集单元为P调节器，直流母线电压控制环采用P调节器控制方式。

优选地，第三比较器为滞环比较器。

本发明还提供一种可自并联向电网回馈电能的节能方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、电压检测单元检测变频器直流母线的电压，当检测到故障时，执行步骤S9；若未检测到故障，将检测到的电压送入第一比较器与给定电压值做比较判定，检测到的电压大于给定电压时，执行步骤S2；

S2、第一比较器向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元；

S3、直流母线信号采集单元对比较后的差值进行放大比较，生成高频PWM波形，完成直流母线信号采集后，将采集到的直流母线信号发送至第二比较器；

S4、电网信号采集单元通过对电网电压做电压互感降压、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第一同步信号，完成电网电压信号采集后，将采集到的电网电压信号发送至第二比较器和逆变单元；

S5、第二比较器对接收到的直流母线信号和电网电压信号做比较处理，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形，然后将所形成的三相电流给定波形发送至第三比较器；

S6、输出电流反馈信号采集单元对反馈输出的三相电流做电流互感降流、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第二同步信号，完成电流反馈信号采集后，将采集到的电流反馈信号发送至第三比较器；

S7、第三比较器对接收到的三相电流给定波形与电流反馈信号做比较运算，生成PWM波形，并将所生成的PWM波形发送至驱动电路；

S8、驱动电路对来自电网信号采集单元的电网电压信号做比较处理，生成同步方波信号，并将生成的同步方波信号与来自第三比较器的PWM波形进行运算，生成各项开关管的开关信号驱动逆变单元执行能量回馈；

S9、输出故障信号，同时切断装置接入电源，启动备用制动电阻。

实施本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置和方法，具有以下有益效果：1、采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小，从而保证在向电网回馈电能时不对电网产生任何影响；2、现场应用组合灵活：在小功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间连接一个节能装置实现电能回馈；在大功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间并联多个节能装置实现电能回馈。

附图说明

图1是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的结构示意图；

图2是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的一实施例的结构示意图；

图3是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的工作流程图；

图4是本发明的多个节能装置并联的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种可自并联向电网回馈电能的节能装置，图1是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的结构示意图。如图所示，所述装置包括交流接触器、直流母线电压检测单元、第一比较器、直流母线信号采集单元、电网信号采集单元、第二比较器、输出电流反馈信号采集单元、第三比较器、驱动电路和逆变单元。电压检测单元，用于检测变频器直流母线的电压，并将检测到的电压送入第一比较器与给定电压值做比较判定，当满足条件时，向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元；第二比较器，用于将直流母线信号采集单元采集到的直流母线信号和电网信号采集单元采集到的电网电压信号做比较，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形；第三比较器，用于将在第二比较器中的三相电流给定波形与输出电流反馈信号采集单元采集到的电流反馈信号做比较，生成PWM波形；驱动电路连接第三比较器和逆变单元，驱动逆变单元工作，实现能量向电网回馈。该节能装置采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制结构，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小，保证电能回馈的稳定性。

本发明采用电压外环设计：主要控制作用在于稳定三相逆变器的直流电压。为保证系统具有较快的动态响应，直流母线信号采集单元采用P调节器，直流母线电压控制环采用P调节器控制方式。

在本发明的电流内环设计中，为保证系统有较快的响应速度，系统采用滞环SPWM控制。

上述节能装置实现节能的步骤如下：S1、电压检测单元检测变频器直流母线的电压，当检测到故障时，执行步骤S8；当将检测到的电压送入第一比较器与给定电压值做比较判定，满足条件时，执行步骤S2，不满足条件时，执行步骤S9；S2、第一比较器向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元；S3、直流母线信号采集单元对比较后的差值进行放大比较，生成高频PWM波形，完成直流母线信号采集后，将采集到的直流母线信号发送至第二比较器；S4、电网信号采集单元通过对电网电压做电压互感降压、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第一同步信号，完成电网电压信号采集后，将采集到的电网电压信号发送至第二比较器和逆变单元；S5、第二比较器对接收到的直流母线信号和电网电压信号做比较处理，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形，然后将所形成的三相电流给定波形发送至第三比较器；S6、输出电流反馈信号采集单元对反馈输出的三相电流做电流互感降流、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第二同步信号，完成电流反馈信号采集后，将采集到的电流反馈信号发送至第三比较器；S7、第三比较器对接收到的三相电流给定波形与电流反馈信号做比较运算，生成PWM波形，并将所生成的PWM波形发送至驱动电路；S8、驱动电路对来自电网信号采集单元的电网电压信号做比较处理，生成同步方波信号，并将生成的同步方波信号与来自第三比较器的PWM波形进行运算，生成各项开关管的开关信号驱动逆变单元执行能量回馈；S9、输出故障信号，同时切断装置接入电源，启动备用制动电阻。

图2是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的一实施例的结构示意图。如图所示，所述装置包括交流接触器、LCL滤波单元、第一电压检测单元、第一比较器、判断单元、P调节单元、第二比较器、第二电压检测单元、电压同步单元、标准正弦波单元、输出电流检测单元、第三比较器、隔离驱动单元和逆变单元。第一电压检测单元，检测变频器直流母线的电压，若此过程中检测到故障，则输出故障信号，同时切断装置接入电网，启动备用制动电阻；如未检测到故障，则将检测到的电压送入第一比较器。第一比较器，将来自于第一电压检测单元的电压与给定电压值做比较判定，当来自于第一电压检测单元的电压值大于给定电压值时，向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值电压发送至判断单元。其中，给定电压值通过设定可调电阻进行设置。判断单元和P调节单元，对来自于第一比较器的差值电压做信号放大处理，通过调节动态响应速度对差值进行限定，生成高频PWM波形并送入第二比较器。第二电压检测单元，在交流接触器将节能装置接入电网后，检测电网电压，并将检测到的电网电压发送至电压同步单元。经电压同步单元和标准正弦波单元处理后生成与电网信号同步的标准正弦波，将该标准正弦波送入第二比较器。第二比较器用于将来自于P调节单元的直流母线电压与来自于标准正弦波单元的电网电压做比较处理，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形。第三比较器，用于将在第二比较器中的三相电流给定波形与输出电流反馈信号采集单元采集到的电流反馈信号做比较，生成PWM波形。隔离驱动单元连接第三比较器和逆变单元，驱动逆变单元工作，实现能量向电网回馈。LCL滤波单元处理反馈给电网的信号，降低对电网干扰。

图3是本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置的工作流程图，如图所示。根据实际情况，同过调节电阻设定母线电压定值U₀。母线电压检测单元检测到变频器母线电压U_dc后，将该电压U_dc送入第一比较器，第一比较器对U_dc与U₀做比较处理，当U_dc大于U₀时，向交流接触器发送接入电网信号，交流接触器动作，节能装置接入电网。同时，第一比较器将U_dc与U₀的差值电压发送至P调节控制器，调节放电电压信号后，由整流单元处理获得直流电压控制信号，然后将母线电压信号送入第二比较器。当交流接触器动作，将节能装置接入电网后，电网信号采集单元开始采集电网电压信号，并将该信号做同步处理获取电网电压同步信号后，送入第二比较器。第二比较器对母线电压信号和电网电压信号进行比较处理，获得三相交流给定波形后，送入第三比较器，第三比较器为滞环比较器，滞环比较器反馈电流滞后进入比较，先逆变回馈产生电流在进行反馈比较调节。当交流接触器动作，将节能装置接入电网后，输出电流检测单元检测三相输出回馈电流信号，并送入电流互感器进行处理和信号放大处理，然后将输出反馈电流信号送入滞环比较器。滞环比较器对来自于第二比较器的三相交流给定波形与输出反馈电流信号做比较处理，获取PWM波形后，送入隔离驱动IGBT中。隔离驱动IGBT驱动逆变单元，实现电能回馈。

本发明还提供一种可自并联向电网回馈电能的节能系统，在电网和多个变频器直流母线之间并联一个或两个以上的可自并联向电网回馈电能的节能装置。小功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间连接一个所述的节能装置实现电能回馈；大功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间并联两个以上所述的节能装置实现电能回馈。图4是本发明的多个节能装置并联的结构示意图。如图所示，多个节能装置并联于多个变频器直流母线（变频器直流母线一、变频器直流母线二……变频器直流母线N）与3相380V电网之间。当现场变频器为大功率，单个节能装置不能满足其功率要求时，本装置可实现自并联使用，同时接入多个节能装置（装置一、装置二……装置N），保证变频器直流母线上的能量迅速反馈回电网，降低母线电压，保证变频器正常运行，同时增加了装置的工作可靠性。为了保证变频器的安全稳定，在节能装置与变频器直流母线间设置并联保护单元。

实施本发明的可自并联向电网回馈电能的节能装置和方法，具有以下有益效果：1、采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小，从而保证在向电网回馈电能时不对电网产生任何影响；2、现场应用组合灵活：在小功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间连接一个节能装置实现电能回馈；在大功率场合下，可采用在电网和一台或多台变频器之间并联多个节能装置实现电能回馈。

本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，采用直流母线电压控制环和回馈电流控制环的双闭环控制，根据直流母线电压控制环的输出调整回馈电流的大小。

2.根据权利要求1所述的可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，包括：

检测变频器直流母线的电压，并将检测到的电压送入第一比较器的直流母线电压检测单元；

与直流母线电压检测单元连接，将来自于直流母线电压检测单元的电压与给定电压值做比较判定，大于给定电压值时，向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元的第一比较器；

与第一比较器连接，对比较后的差值进行放大比较，生成高频PWM波形并送入第二比较器的直流母线信号采集单元；

与直流母线信号采集单元和电网信号采集单元连接，将电网信号采集单元采集到的电网电压信号和来自于直流母线信号采集单元的电压信号做比较，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形的第二比较器；

与第二比较器和输出电流信号采集单元连接，将来自于第二比较器的三相电流给定波形与输出电流反馈信号采集单元采集到的电流反馈信号做比较，生成PWM波形的第三比较器；

与第三比较器连接，驱动逆变单元工作的驱动电路；

与驱动电流连接，实现能量向电网回馈的逆变单元。

3.根据权利要求2所述的可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，给定电压值通过可调电阻进行设置。

4.根据权利要求1所述的可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，回馈电流控制环采用高频斩波控制方式。

5.根据权利要求1所述的可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，直流母线信号采集单元为P调节器，直流母线电压控制环采用P调节器控制方式。

6.根据权利要求2或3所述的可自并联向电网回馈电能的节能装置，其特征在于，第三比较器为滞环比较器。

7.一种可自并联向电网回馈电能的节能系统，其特征在于，小功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间连接一个权利要求1所述的节能装置；大功率场合下，在电网和一台或多台变频器之间并联两个以上权利要求1所述的节能装置。

8.一种可自并联向电网回馈电能的节能方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、电压检测单元检测变频器直流母线的电压，当检测到故障时，执行步骤S9；若未检测到故障，将检测到的电压送入第一比较器与给定电压值做比较判定，检测到的电压大于给定电压时，执行步骤S2；

S2、第一比较器向交流接触器发出接入电网信号，同时将比较后的差值发送至直流母线信号采集单元；

S3、直流母线信号采集单元对比较后的差值进行放大比较，生成高频PWM波形，完成直流母线信号采集后，将采集到的直流母线信号发送至第二比较器；

S4、电网信号采集单元通过对电网电压做电压互感降压、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第一同步信号，完成电网电压信号采集后，将采集到的电网电压信号发送至第二比较器和逆变单元；

S5、第二比较器对接收到的直流母线信号和电网电压信号做比较处理，形成相位与电网电压相同，幅值与直流电压控制电路输出信号成正比的三相电流给定波形，然后将所形成的三相电流给定波形发送至第三比较器；

S6、输出电流反馈信号采集单元对反馈输出的三相电流做电流互感降流、滤波、光耦隔离、信号放大处理，得到控制输出的第二同步信号，完成电流反馈信号采集后，将采集到的电流反馈信号发送至第三比较器；

S7、第三比较器对接收到的三相电流给定波形与电流反馈信号做比较运算，生成PWM波形，并将所生成的PWM波形发送至驱动电路；

S8、驱动电路对来自电网信号采集单元的电网电压信号做比较处理，生成同步方波信号，并将生成的同步方波信号与来自第三比较器的PWM波形进行运算，生成各项开关管的开关信号驱动逆变单元执行能量回馈；

S9、输出故障信号，同时切断装置接入电源，启动备用制动电阻。

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