CN104638641B - 用于控制复合供电系统的变流器的能量流动方法和变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制复合供电系统中的变流器的能量流动的方法和变流器，该方法包括：检测负载电机的工况；在负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机，在负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，在负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机。本发明可以解决目前的变流器能量流动方向单一和供电形式单一的问题。

Description

用于控制复合供电系统的变流器的能量流动方法和变流器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种用于控制复合供电系统的变流器的能量流动方法和变流器。

背景技术

目前，变流器的供电形式较为单一，基本上都由电网供电。变流器工作时能量的流动方向也较为单一，不能做到能量的有效利用，造成能源的极大浪费。对于一些特殊场合使用的变流器，对供电电网的依赖性很大，要求变流器长时间处于工作状态，不能停机。如果电网发生故障，要求变流器进行停机检修，损失不可估量。同时，目前我国电网的供电形式主要还是由资源有限、对环境有污染的化石能源提供，不利于环保。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于控制复合供电系统的变流器的能量流动方法和变流器，用以解决目前的变流器能量流动方向单一和供电形式单一的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制复合供电系统中的变流器的能量流动方法，其中包括：

检测负载电机的工况；

在所述负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机，

在所述负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，

在所述负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机。

根据本发明的一个实施例，所述复合供电系统包括电网供电系统和备用供电系统。

根据本发明的一个实施例，在单独由所述电网供电系统向所述负载电机提供功率时，先对变流器的直流侧的储能元件进行预充电以避免所述电网供电系统上电时强大的冲击电流烧坏变流器的功率器件和直流电容。

根据本发明的一个实施例，如果所述电网供电系统提供的功率小于负载电机所需的功率，则切入备用供电系统以向所述负载电机同时供电。

根据本发明的一个实施例，在单独由备用供电系统向电机提供功率时，如果备用供电系统提供的功率小于所述负载电机所需的功率，则切入电网供电系统以向所述负载电机同时供电，如果备用供电系统提供的功率大于所述负载电机所需的功率，则控制变流器使备用供电系统中提供的多余的功率馈送至电网。

根据本发明的一个实施例，如果备用供电系统提供的功率小于一阈值，从而指示出所述备用供电系统处于亏电的情况的话，则控制变流器将备用供电系统退出，并切入电网供电系统单独给负载电机供电。

根据本发明的一个实施例，当变流器中的功率单元中没有能量流动的情况下，切入斩波单元以对所述储能元件进行放电。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种复合供电系统中的变流器，其包括：

第一功率单元，其与供电电网连接；

第二功率单元，其一端与所述第一功率单元连接，另一端与负载电机连接，

能量流动控制单元，其包括：

检测模块，其用于检测负载电机的工况；

控制模块，其用于在所述负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给负载电机，在所述负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，在所述负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括充电单元，在控制模块将电网供电系统切入变流器时，先通过所述充电单元对变流器的直流侧的储能元件进行预充电，再将电网供电系统切入变流器。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块还包括直流滤波单元，所述直流滤波单元在电网供电系统和/或备用供电系统输出直流电时，避免变流器与供电系统之间的电磁信号干扰。

根据本发明的一个实施例，所述控制模块还包括交流滤波单元，所述交流滤波单元在电网供电系统和/或备用供电系统输出交流电时，避免变流器与供电系统之间的电磁信号干扰。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括斩波单元，当变流器中的功率单元中没有能量流动的情况下，切入所述斩波单元以对所述储能元件进行放电。

根据本发明的一个实施例，所述变流器还包括连接在直流母线侧的绝缘检测单元，所述绝缘检测单元用以检测变流器的中间直流环节和备用供电系统对地的绝缘电阻。

本发明带来了以下有益效果：

本发明采用一个或多个供电系统来向变流器供电，可以解决当前变流器只采用电网的单一供电方式。同时，负载电机制动产生的制动能量可以通过变流器回馈供电系统，进而提高能量的利用率。当负载电机为多个时，处于制动工况的负载电机可直接将制动能量既可以回馈供电系统，也可以用于牵引工况的负载。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的第一个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图2是根据本发明的第二个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图3是根据本发明的第三个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图4是根据本发明的第四个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图5是根据本发明的第五个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图6是根据本发明的第六个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图7是根据本发明的第七个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图8是根据本发明的第八个实施例的一种变流器系统的结构示意图；

图9是根据本发明的第一个实施例的一种变流器系统的能量流动图；

图10是根据本发明的第五个实施例的一种变流器系统的能量流动图；以及

图11是根据本发明的第四个实施例和第八个实施例的一种变流器系统的能量流动图；

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

目前，新能源指的是除传统化石能源之外的各种能源形式，如太阳能、地热能、风能、海洋能、潮汐能、生物质能和核聚变等取之不尽、周而复始的可再生能源。新能源是整个能源供应系统的有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施。新能源作为备用电源，可提供的电能主要分为两种形式：直流和交流。

将新能源电源引入变流器，新能源供电系统和电网供电系统组成复合供电系统，两者提供的能量流动方向由负载电机的具体工作情况决定。

在本发明的一个实施例中，以新能源电源作为备用供电系统和交流电网供电系统作为复合供电系统为例来进行说明。电网供电系统可提供交流电或直流电，在本发明中，以交流电网供电系统为例来进行说明。如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种变流器的结构图，如图5所示为根据本发明的另一个实施例的一种变流器的结构图。其中，图1为引入直流备用供电系统的一种变流器结构图，图5为引入交流备用供电系统的一种变流器结构图。两种形式的备用供电系统引入变流器系统的方式不同，但采用的变流器基本结构相同。首先，对图1和图5所示的变流器结构进行介绍。

如图1和图5所示，该变流器包括第一功率单元4、第二功率单元5和能量流动控制单元。其中，第一功率单元与交流电网连接，第二功率单元一端与第一功率单元4连接，另一端与负载电机连接。第一功率单元4和第二功率单元均为整流逆变单元，均可将交流电整流为直流电或将直流电逆变为交流电。第一功率单元4和第二功率单元5之间的传输环节为中间直流环节。

能量流动控制单元包括检测模块和控制模块，其中，检测模块用于检测负载电机的工况，控制模块基于检测模块输出的负载电机工况信息，协调复合供电系统的变流器中的能量流动方向。该控制模块在负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给负载电机，在负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，在负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机。本发明以三相交流电网供电系统为例来进行说明，对于单相或多相交流电网供电系统同样适用。

在本发明的一个实施例中，该变流器系统还包括充电单元6。如图1和图5所示，该充电单元6一端与交流电网连接，另一端与中间直流环节连接。当通过交流电网向电机输送电能时，控制模块控制交流电网的电能先通过充电单元6直接给变流器直流侧(中间直流环节)的储能元件预充电，用于避免交流电网上电时强大的冲击电流损坏功率单元和储能元件。

在本发明的一个实施例中，在第一功率单元4和交流电网之间的连接支路上设置开关，同时还设置有与该开关并联的充电单元6，如图3和图7所示。控制模块控制该开关的打开或关闭。在该开关打开时，交流电网通过充电单元6和第一功率单元4中的续流元件向中间直流环节的储能元件储存电能，来避免交流电网上电时强大的冲击电流损坏功率单元和储能元件。充电单元6的这种连接方式相对于与中间直流环节的连接方式，由于需要通过第一功率单元4中靠近交流电网端电路元器件，这部分电路元器件对交流电能产生损耗，导致储能元件的充电值低于连接到中间直流环节时的充电值。

如图1所示，当备用供电系统(备用电源)输出直流电时，将该备用供电系统输出的直流电通过变流器中的中间直流环节引入变流器。在本发明的一个实施例中，为避免变流器与直流备用供电系统之间的电磁信号干扰，在备用供电系统的输出和中间直流环节之间设置一直流滤波单元1，如图1所示。直流滤波单元1衰减外部接入的备用供电系统输入的电磁干扰信号，保护整个变流器免受备用供电系统的干扰，同时又能有效地控制变流器本身产生的电磁干扰信号，污染电磁环境和其他设备。

如图5所示，当备用供电系统(备用电源)输出交流电时，将该备用供电系统输出的交流电到交流电网与变流器的连接支路上。当充电单元6一端与交流电网连接，另一端与中间直流环节连接时，备用电源输出的交流电引入到交流电网与变流器的连接支路上，如图5所示。当在第一功率单元4和交流电网之间的连接支路上设置开关和与该开关并联的充电单元6时，备用电源输出的交流电引入到该开关远离交流电网一侧的连接支路上，如图7所示。

通过将交流或直流形式的备用供电系统引入变流器系统，可以减轻电网的供电压力，解决变流器只有电网单一供电的形式。在电网断电时，备用供电系统还可以提供电能来保证变流器正常工作，避免不必要的经济损失。在本发明中，新能源电源提供的备用供电系统引入变流器，节省了将新能源接入变流器系统的稳压设备，降低了变流器的制造成本，提高了变流器的可靠性。

在本发明的一个实施例中，该变流器还包括绝缘检测单元3，如图1和图5所示。该绝缘检测单元3与中间直流环节并联，用以检测变流器的中间直流环节的对地绝缘电阻。当备用供电系统引入变流器时，该绝缘检测单元3还可以同时检测备用供电系统电源的对地绝缘电阻。该绝缘检测单元3检测直流母线以及各支路正负极对地的绝缘电阻，当绝缘电阻低于预设值后报警。由于备用供电系统的引入，检测单元检测到的各部分的对地电阻发生变化，因此，针对备用供电系统引入与否，绝缘检测单元3的绝缘检测电阻需发生变化。这就要求绝缘检测单元3内部能够进行分级设定不同的绝缘电阻检测阈值。

在本发明的一个实施例中，该变流器还包括交流滤波单元2。该交流滤波单元2设置于第一功率单元4靠近交流电网一侧，用以避免变流器与交流电网之间的电磁信号干扰，如图1和图5所示。当对中间直流环节的储能元件充电完成后，交流电网才能同交流滤波单元2接通。交流滤波单元2衰减外部接入交流电网电源的电磁干扰信号，保护整个变流器免受外界的干扰，同时又能有效地控制变流器本身产生的电磁干扰信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。当能量回馈至电网时，交流滤波单元2可以滤除高次谐波，可以将高质量电能稳定地回馈给电网，使动静态性能稳定，能够显著的提高并网电流质量。

在本发明的一个实施例中，为防止在第一功率单元4和第二功率单元5均没有工作的情况下的变流器系统安全，可以配置斩波单元7来对中间直流环节的储能元件进行放电，如图2和图6所示。通过不同的斩波控制形式实现对中间直流储能元件的放电，保证系统的安全。

由于第一功率单元4和第二功率单元5均能实现整流和逆变功能，在本发明的一个实施例中，第一功率单元4和第二功率单元5设置为相同的结构，即两者位置可以互换。这样，就可以免去匹配两个功率单元的问题，有利于变流器的制造。

该变流器系统可以设置多个并联的与负载电机一一对应的第二功率单元5，如图4和图8所示。当电机制动时，制动电机产生的制动能量通过与其对应的第二功率单元5整流为直流电，并输出给中间直流环节。中间直流环节将该直流电再输送给处于驱动工况的电机。这样，处于制动工况的电机可将制动能量直接反馈给处于牵引工况的电机。这样，在变流器系统前部分故障的情况下，还能使牵引负载维持一定时间的运行。

在变流器系统包括多个并联的与电机一一对应的第二功率单元5时，由于需要通过第一功率单元4与多个第二功率单元5配合，此时，要求第一功率单元4的容量大于第二功率单元5的容量。第一功率单元4与第二功率单元5之间的容量关系，与两者的数量及负载驱动、制动能量有关。

以下参考图1和图5的变流器结构来对变流器中的能量流动控制方法进行详细说明。

首先，检测负载电机的工作情况。负载电机的工作情况分为牵引工况和制动工况，具体分为负载电机全部处于牵引工况、负载电机全部处于制动工况和负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况。

当检测到负载电机全部处于牵引状况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机。以图2为例来进行说明，直流备用电源通过第一功率单元4和第二功率单元5之间的中间直流环节引入变流器。中间直流环节的电压值与负载电机的功率有关。直流备用电源通过该直流环节引入该变流器时，直流备用电源的输出电压与该中间直流环节的电压值有关，该直流备用电压的直流电压输出值需要在该中间直流环节的预定范围内。

当检测模块检测到备用电源提供的功率满足全部负载电机的牵引功率要求时，则可只要备用电源向负载电机提供能量，交流电网不需提供。此时，控制单元控制第二功率单元5将备用电源提供的直流电逆变为交流电输出给负载电机。

当检测模块检测到备用电源提供的功率大于全部负载电机的牵引功率要求时，备用电源的一部分能量通过第二功率单元5逆变为交流电后传输给负载电机，用于满足全部牵引电机的功率要求，多余的能量可经过第一功率单元4逆变为交流电后回馈至交流电网。

当检测模块检测到备用电源提供的功率小于全部负载电机的牵引功率要求时，控制模块控制备用电源提供的全部能量通过第二功率单元5逆变为交流电后传输给负载电机。其余不足部分的能量通过交流电网提供，通过充电单元6向中间直流环节的储能元件充电后，交流电网提供的交流电经交流滤波单元2滤波后到达第一功率单元4。第一功率单元4将交流电整流为直流电到达中间直流环节，该直流电经第二功率单元5逆变为交流电后输出给负载电机。

当检测到备用供电系统提供的功率小于一阈值，指示出备用供电系统处于亏电的情况的话，则控制备用供电系统退出，并切入到电网供电系统单独给负载电机供电。

当单独由电网供电系统向负载电机提供能量时，交流电网通过充电单元6向中间直流环节的储能元件充电后，交流电网提供的交流电经交流滤波单元2滤波后到达第一功率单元4。第一功率单元4将交流电整流为直流电到达中间直流环节，该直流电经第二功率单元5逆变为交流电后输出给负载电机。

当交流电网提供的功率小于负载电机所需的功率，则切入备用供电系统，由交流电网和备用供电系统同时向负载电机供电。

当检测到负载电机全部处于制动工况时，电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统。当负载电机全部处于制动工况时，其制动产生的能量由交流电形式经第二功率单元5整流为直流电。该直流电经第一功率单元4逆变为交流电后，再经交流滤波单元2滤波后回馈给交流电网。或者，该直流电经直流滤波单元1滤波后回馈给备用供电系统。通常，将该制动能量反馈回交流电网。如图9所示为备用供电系统提供直流电能时的能量流动示意图，如图所示，电网和负载之间的能量可以双向流动，备用电源提供的能量可以通过第一功率单元4和第二功率单元5之间的直流环节引入变流器。备用电源提供的能量可以通过第一功率单元4逆变后回馈给电网，或通过第二功率单元5逆变后输出给负载电机。

如图10所示为备用供电系统提供直流电能时的能量流动示意图，如图所示，电网和负载之间的能量可以双向流动，备用电源提供的能量可以通过电网和第一功率单元4之间的交流环节引入变流器。备用电源提供的能量可以直接反馈回交流电网，还可以经第一功率单元4整流后到达中间直流环节，然后再经第二功率单元5逆变为交流电之后输出给负载电机。

当检测到负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机。

此时，负载电机中的一部分电机处于牵引工况需要牵引能量，另一部分电机处于制动工况输出制动能量。制动能量通过对应的第二功率单元5整流为直流电后输出到中间直流环节。该直流电到达直流环节后，当制动能量大于牵引电机需要的能量时，制动能量一部分可以通过第一功率单元4逆变为交流电后经交流滤波单元2滤波后反馈回交流电网，另一部分可以通过其他第二功率单元5逆变为交流电后输出给处于牵引工况的负载电机。或者，当制动能量不能满足牵引电机所需的能量时，全部制动能量通过其他第二功率单元5逆变为交流电后输出给处于牵引工况的负载电机，如图11所示。牵引电机所需能量不足的部分可以通过电网或备用电源提供。

通过软件控制，该变流器系统存在如下八种工作模式，并可自由切换。多模式的自由切换提升了变流器系统效率和新能源电源的利用率。这八种工作模式包括：单电网供电模式；单新能源电源供电模式；新能源电源供电并入电网模式；负载需求较少、新能源电源发电一部分反馈电网模式；负载需求较大、新能源电源发电不足，新能源电源与电网共同供电模式；新能源电源不工作，电机处于制动工况，可将制动能量反馈电网模式；电机处于制动工况，可将制动能量与新能源电源发电共同反馈电网模式；负载为多台电机时，处于制动工况的电机可直接将制动能量反馈用于牵引工况的电机模式。综上所述，变流器具有多工作模式，能实现系统能量有序调度，做到并、离网，发、用电工作模式的无缝切换。

本发明所述的变流器系统功能单元齐全，集成度高，成本低，并可减少系统使用所需的空间。本发明中的变流器系统还能充分利用节能、环保的新能源，产生良好的社会效益。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于控制复合供电系统中的变流器的能量流动方法，其中包括：

检测负载电机的工况；

在所述负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机，

在所述负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，

在所述负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机，

所述复合供电系统包括电网供电系统和备用供电系统，

在单独由备用供电系统向电机提供功率时，如果备用供电系统提供的功率小于所述负载电机所需的功率，则切入电网供电系统以向所述负载电机同时供电，如果备用供电系统提供的功率大于所述负载电机所需的功率，则控制变流器使备用供电系统中提供的多余的功率馈送至电网，

在单独由所述电网供电系统向所述负载电机提供功率时，先对变流器的直流侧的储能元件进行预充电以避免所述电网供电系统上电时强大的冲击电流烧坏变流器的功率器件和直流电容，

当变流器中的功率单元中没有能量流动的情况下，切入斩波单元以对所述储能元件进行放电。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述电网供电系统提供的功率小于负载电机所需的功率，则切入备用供电系统以向所述负载电机同时供电。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果备用供电系统提供的功率小于一阈值，从而指示出所述备用供电系统处于亏电的情况的话，则控制变流器将备用供电系统退出，并切入电网供电系统单独给负载电机供电。

4.一种复合供电系统中的变流器，其包括：

第一功率单元，其与供电电网连接；

第二功率单元，其一端与所述第一功率单元连接，另一端与负载电机连接，

能量流动控制单元，其包括：

检测模块，其用于检测负载电机的工况；

控制模块，其用于在所述负载电机全部处于牵引工况时，控制变流器将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给负载电机，在所述负载电机全部处于制动工况时，控制变流器将电机制动时产生的功率提供给复合供电系统中的一个或多个供电系统，在所述负载电机中的一部分电机处于牵引工况，另一部分电机处于制动工况时，控制变流器除了将复合供电系统中的一个或多个供电系统的功率提供给电机之外，还将处于制动工况的电机产生的功率提供给处于牵引工况的电机，

所述复合供电系统包括电网供电系统和备用供电系统，

在单独由备用供电系统向电机提供功率时，如果备用供电系统提供的功率小于所述负载电机所需的功率，则切入电网供电系统以向所述负载电机同时供电，如果备用供电系统提供的功率大于所述负载电机所需的功率，则控制变流器使备用供电系统中提供的多余的功率馈送至电网，

所述变流器还包括充电单元，在控制模块将电网供电系统切入变流器时，先通过所述充电单元对变流器的直流侧的储能元件进行预充电，再将电网供电系统切入变流器，

所述变流器还包括斩波单元，当变流器中的功率单元中没有能量流动的情况下，切入所述斩波单元以对所述储能元件进行放电。

5.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述控制模块还包括直流滤波单元，所述直流滤波单元在电网供电系统和/或备用供电系统输出直流电时，避免变流器与供电系统之间的电磁信号干扰。

6.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述控制模块还包括交流滤波单元，所述交流滤波单元在电网供电系统和/或备用供电系统输出交流电时，避免变流器与供电系统之间的电磁信号干扰。

7.如权利要求4所述的变流器，其特征在于，所述变流器还包括连接在直流母线侧的绝缘检测单元，所述绝缘检测单元用以检测变流器的中间直流环节和备用供电系统对地的绝缘电阻。