CN104836246A - 一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，通过利用高压管输流动介质的流动压力能来驱动发电机以恒定输出功率工作，后级接入整流模块，逆变模块，储能模块以及能量平衡电阻组模块。供电装置启动后，当储能模块能量不足时可以利用储能模块来保证系统的功率平衡；当储能模块能量充满，供电装置需要利用能量平衡电阻组的投切来维持系统的输入、输出功率匹配，保证离网系统的稳定运行。

Description

一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置

技术领域

本发明属于变流器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置。

背景技术

目前,我国管输天然气的输送,主要采用的是高压管输的方式。在输送过程中需要为天然气施加很高的压力，这其中蕴含着巨大的压力能量,这部分能量在经调压站调压后大量流失。发明专利申请号：201210459706.5和实用新型专利申请号201220602987.0的压力驱动器，利用压力管道内被控介质(天然气、压缩气、水或其它非腐蚀性流体)的流动压力能作为动力，带动发电机旋转产生交流电。此时发电机输出的交流电不能直接接入负载使用，需要一个变流系统对发电机输出的交流电进行能量转换及处理才能接入负载。离网系统需要引入储能模块对系统进行能量平衡管理。在论文(廖志凌,阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报.2009(21):46-51.)中提出的能量管理控制策略维持了直流母线电压的稳定，通过蓄电池储能单元的补充与吸收来弥补太阳能光伏电池输出功率与实际负载消耗功率的差额，但是蓄电池的充放电循环次数增加，减小了蓄电池的使用寿命。由于太阳能光伏电池的输出功率随着光照变化是不稳定的，而压力驱动发电的输出功率是恒定的，这种能量管理控制策略不能应用于本供电装置中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，对通过压力驱动发电产生的交流电进行处理，并提出一种能量平衡控制策略实现供电装置输入输出的能量平衡。

为实现上述发明目的，本发明一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，包括：

一管输流动介质压力驱动器，利用压力输送管道内被控介质的流动压力能，将未利用的流动压力能作为动力驱动发电机运行；

一发电机，由管输流动介质压力驱动器带动发电机旋转产生交流电能，且发电机的输出功率是恒定的；

一三相不可控整流电路，其输入端与发电机的输出端连接，输出端与直流母线电容连接；三相不可控整流电路将发电机输出的三相交流电整流处理成直流电，通过向直流母线电容充电来存储电能，以供后级电路使用；

一双向Buck/Boost变换器，在Buck方向的输出端与蓄电池组连接，在Boost方向的输出端与直流母线电容连接；双向Buck/Boost变换器作为直流母线电容与蓄电池组的能量传输桥梁，当蓄电池组电量不足时，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向向蓄电池组充电；当供电装置启动时，压力发电机未投入工作或发生故障，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向向直流母线电容充电；

一三相逆变电路，包括三相半桥逆变电路，LC滤波器和三相变压器；三相半桥逆变电路输入端与直流母线电容连接，并将逆变电路输入端的直流电逆变处理为三相交流电，再经过LC滤波器的滤波和三相变压器的升压，输出符号负载使用的三相交流电；

一蓄电池组，包括充电、放电两种工作模式；当蓄电池组工作在充电模式时，通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向，利用直流母线电容中缓存的能量向蓄电池组充电；当蓄电池组工作在放电模式时，通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向，利用蓄电池组存储的能量为直流母线电容充电，再通过三相逆变电路为负载供电；

一主控制器，与负载和PWM驱动模块相连接，用于实时监控负载功率，并根据负载功率的变化，生成控制信号来启动PWM驱动模块；

一PWM驱动模块，用于接收主控制器发送的控制信号，并根据该控制信号生成PWM控制信号，发送给能量平衡电阻组；

一能量平衡电阻组，与发电机的输出端连接；根据PWM驱动模块发送的PWM控制信号，将能量平衡电阻组断开或接入到发电机，从而保持供电装置的功率平衡。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，通过利用高压管输流动介质的流动压力能来驱动发电机以恒定输出功率工作，后级接入整流模块，逆变模块，储能模块以及能量平衡电阻组模块。供电装置启动后，当储能模块能量不足时可以利用储能模块来保证系统的功率平衡；当储能模块能量充满，供电装置需要利用能量平衡电阻组的投切来维持系统的输入、输出功率匹配，保证离网系统的稳定运行。

同时，本发明基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置还具有以下有益效果：

(1)、本发明能够对大量流失的管输压力能进行回收利用；

(2)、本发明通过配备蓄电池组来充电储能模块，这样可以保证供电装置能够自启动；

(3)、通过控制信号对能量平衡电阻组进行投切，以维持供电装置的输入输出的功率平衡，解决离网系统工作时的能量不平衡的问题。

附图说明

图1是本发明基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置结构图；

图2是本发明提供的供电装置在启动过程时的仿真图；

图3是本发明提供的供电装置在运行过程中能量平衡控制仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，包括：

管输流动介质压力驱动器，利用压力输送管道内被控介质的流动压力能，将未利用的流动压力能作为动力驱动发电机运行；

发电机由管输流动介质压力驱动器带动发电机旋转产生交流电能，管输流动介质压力驱动器的输出压力是恒定的，因此发电机的输出功率为恒定的；

三相不可控整流电路选用三相桥式结构，其输入端与压力发电机的输出端连接，输出端与直流母线电容连接；三相不可控整流电路将发电机输出的三相交流电整流处理成直流电，通过向直流母线电容充电来存储电能，以供后级电路使用；

双向Buck/Boost变换器，在Buck方向的输出端与蓄电池组连接，在Boost方向的输出端与直流母线电容连接；双向Buck/Boost变换器作为直流母线电容与蓄电池组的能量传输桥梁，当蓄电池组电量不足时，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向，将直流母线电容中缓存的直流电输入到蓄电池组，从而为蓄电池组充电；当供电装置启动时，压力发电机未投入工作或发生故障，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向，将蓄电池组中的直流电输入到直流母线电容，从而为后级电路供电；

三相逆变电路，包括三相半桥逆变电路，LC滤波器和三相变压器；三相半桥逆变电路与直流母线电容连接，并将直流母线电容中存储的直流电逆变为三相交流电，再经过LC滤波器的滤波和三相变压器的升压，输出符合负载使用的三相交流电；

蓄电池组，包括充电、放电两种工作模式；当蓄电池组工作在充电模式时，通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向，利用直流母线电容中缓存的能量向蓄电池组充电；当供电装置启动时，压力发电机未投入工作或发生故障，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向，将蓄电池组中的直流电输入到直流母线电容，从而为后级电路供电；

主控制器，与负载和PWM驱动模块相连接，用于实时监控负载功率，并根据负载功率的变化，生成控制信号来启动PWM驱动模块；

PWM驱动模块，用于接收主控制器发送的控制信号，并根据该控制信号生成PWM控制信号，发送给能量平衡电阻组；

能量平衡电阻组，与压力发电机的输出端连接；据PWM驱动模块发送的PWM控制信号，将能量平衡电阻组断开或接入到压力发电机，从而调整供电装置的功率平衡。

在本实施例中，能量平衡电阻组采用多组三相平衡电阻，由于管输流动介质压力驱动器的管输压力是恒定的，导致发电机以恒功率输出，而负载的变化是不可控的，为了保持系统能量的平衡，防止发电机轻载导致输出线电压升高，因此，需要设计能量平衡策略保证系统功率平衡，下面对其进行详细说明：

在本实施例中，设发电机额定输出电压为380V，额定输出功率P_G＝5kW；主控制器实时监测的负载功率为P_L，P_L是一个可变值，变化范围为0～5kW；设计功率阀值P_n为5级，即n＝0,1,2,3,4，根据功率阀值P_n的计算公式分别得到功率阀值 $P_0=\frac{0}{5}\·P_G=0,P_1=\frac{1}{5}\·P_G=\frac{1}{5}\·5000=1\mathrm{kW},P_2=\frac{2}{5}\·P_G=\frac{2}{5}\·5000=2\mathrm{kW},$ $P_3=\frac{3}{5}\·P_G=\frac{3}{5}\·5000=3\mathrm{kW},P_4=\frac{4}{5}\·P_G=\frac{4}{5}\·5000=4\mathrm{kW};$

每一组能量平衡电阻对应于一级功率阀值，因此，能量平衡电阻组为5组，根据能量平衡电阻阻值计算公式分别得到 $R_1=\frac{U_G^2}{P_G-P_1}=\frac{{380}^2}{5000-1000}=36\mathrm{\Ω},R_2=\frac{U_G^2}{P_G-P_2}=\frac{{380}^2}{5000-2000}=48\mathrm{\Ω},$ $R_3=\frac{U_G^2}{P_G-P_3}=\frac{{380}^2}{5000-3000}=72\mathrm{\Ω},R_4=\frac{U_G^2}{P_G-P_4}=\frac{{380}^2}{5000-4000}=144\mathrm{\Ω};$

在本实施例中，功率滞环环宽取经验值为：P_Δ＝0.1(P₁-P₀)＝100W；

根据电阻并联法则，只需要使用3组平衡电阻组的组合即能实现5组平衡电阻组的阻值，即将R₂＝48Ω，R₃＝72Ω，R₄＝144Ω三组平衡电阻组合即可实现；

以R₀为例，平衡电阻组R₀可以由平衡电阻组R₁和R₄并联组合得到，即 $R_0=R_1//R_4=\frac{R_1{R}_4}{R_1+R_4}=\frac{36\×144}{36\×144}=28.9\mathrm{\Ω}.$

将负载功率P_L与每一级功率阀值P_n及功率滞环环宽P_Δ进行比较，如果如果检测到P_L＜P_n时，PWM控制信号将控制此级功率阀值P_n对应的能量平衡电阻组R_n接入到发电机；如果P_L＞P_n+P_Δ时，PWM控制信号将控制此级功率阀值P_n对应的能量平衡电阻组R_n与发电机断开。

图2是本发明提供的供电装置在启动过程时的仿真图。

本实施例中，如图2所示，供电装置在启动过程时，实线线代表蓄电池侧输出功率，虚线代表发电机侧输出功率。供电装置先启动蓄电池侧放电，从而为直流母线电容充电，再通过三相逆变电路为负载供电；当发电机接入供电装置时，蓄电池侧停止放电，，利用发电机作为整个供电装置的能量来源，从而使整个供电装置正常工作。

图3是本发明提供的供电装置在运行过程中能量平衡控制仿真图。

在本实施例中，如图3所示，对能量平衡控制策略进行仿真，上半部分显示的是实时直流母线电压波形，中间部分显示的是负载侧的输出电压波形，下半部分显示的是实时负载功率。

供电装置启动时5kW满载运行，当运行至0.2s时，负载功率由5kW突变为2.9kW，发电机输出线电压上升引起直流母线电压上升，此时供电装置实时负载总功率为2.9kW，即实时负载P_L＝2.9kW小于功率阀值P₃＝3kW，供电装置通过控制信号投入平衡电阻组R₃，使供电装置总功率维持在4.9kW，直流母线电压下降；到0.4s时，负载功率变为1.1kW，直流母线电压上升，此时供电装置实时负载总功率为3.1kW，即实时负载P_L＝1.1kW小于功率阀值P₂＝2kW，供电装置通过控制信号投入平衡电阻组R₂，使供电装置总功率维持在4.1kW，直流母线电压下降；到0.6s时，负载功率上升为3.2kW，直流母线电压下降，此时供电装置实时负载总功率为6.2kW，即实时负载P_L＝3.2kW小于功率阀值P₄＝4kW，大于功率阀值P₃＝3kW与P_Δ＝100W的和，供电装置通过控制信号断开平衡电阻组R₃，投入平衡电阻组R₄，使供电装置总功率变为4.2kW，直流母线电压上升；到0.8s时，负载功率变为5kW满载，直流母线电压下降，此时供电装置实时负载总功率为6kW，即实时负载P_L＝5kW大于功率阀值P₄＝4kW与功率阀值环宽P_Δ＝100W的和，供电装置通过控制信号断开平衡电阻组R₄且不投入平衡电阻组，供电装置正常满载运行，直流母线电压趋于稳定。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，包括：

一管输流动介质压力驱动器，利用压力输送管道内被控介质的流动压力能，将未利用的流动压力能作为动力驱动发电机运行；

一发电机，由管输流动介质压力驱动器带动发电机旋转产生交流电能，且发电机的输出功率是恒定的；

一三相可控整流电路，其输入端与发电机的输出端连接，输出端与直流母线电容连接；三相不可控整流电路将发电机输出的三相交流电整流处理成直流电，通过向直流母线电容充电来存储电能，以供后级电路使用；

一双向Buck/Boost变换器，在Buck方向的输出端与蓄电池组连接，在Boost方向的输出端与直流母线电容连接；双向Buck/Boost变换器作为直流母线电容与蓄电池组的能量传输桥梁，当蓄电池组电量不足时，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向向蓄电池组充电；当供电装置启动时，压力发电机未投入工作或发生故障，供电装置通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向向直流母线电容充电；

一三相逆变电路，包括三相半桥变电路，LC滤波器和三相变压器；三相半桥逆变电路输入端与直流母线电容连接，并将逆变电路输入端的直流电逆变处理为三相交流电，再经过LC滤波器的滤波和三相变压器的升压，输出符号负载使用的三相交流电；

一蓄电池组，包括充电、放电两种工作模式；当蓄电池组工作在充电模式时，通过双向Buck/Boost变换器的Buck方向，利用直流母线电容中缓存的能量向蓄电池组充电；当蓄电池组工作在放电模式时，通过双向Buck/Boost变换器的Boost方向，利用蓄电池组存储的能量为直直流母线电容充电，再通过三相逆变电路为负载供电；

一主控制器，与负载和PWM驱动模块相连接，用于实时监控负载功率，并根据负载功率的变化，生成控制信号来启动PWM驱动模块；

一PWM驱动模块，用于接收主控制器发送的控制信号，并根据该控制信号生成PWM控制信号，发送给能量平衡电阻组；

一能量平衡电阻组，与发电机的输出端连接；根据PWM驱动模块发送的PWM控制信号，将能量平衡电阻组断开或接入到发电机，从而保持供电装置的功率平衡。

2.根据权利要求1所述的基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，所述的保持供电装置功率平衡的方法为：

2.1、统计主控制器实时监测的负载功率P_L；

2.2、将负载功率P_L与功率阀值P_n，n＝0,1,2,…,N-1，N为能量平衡电阻组的个数，以及功率滞环环宽P_Δ进行比较，如果检测到P_L＜P_n时，PWM控制信号将控制此级功率阀值P_n对应的能量平衡电阻组R_n接入到发电机；如果P_L＞P_n+P_Δ时，PWM控制信号将控制此级功率阀值P_n对应的的能量平衡电阻组R_n与发电机断开。

3.根据权利要求2所述的基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，所述的功率阀值P_n是根据发电机额定输出功率P_G的大小计算得到多级功率阀值，其计算方法为：

$P_n=\frac{n}{N}\·P_G.$

4.根据权利要求2所述的基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，所述的功率滞环环宽P_Δ可取值为：P_Δ＝0.01～0.5(P_n-P_n-1)。

5.根据权利要求2所述的基于管输流动介质压力驱动器的独立供电装置，其特征在于，所述的所述能量平衡电阻组R_n为三相平衡电阻，每一组能量平衡电阻对应于一级功率阀值P_n，且每一组的阻值大小为：

$R_n=\frac{U_G^2}{P_G-P_n}$

其中，U_G为发电机额定输出电压，P_G为发电机额定输出功率。