CN105226792A - 一种集成能量回馈,能量存储和应急电源功能的变流器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置，所述变流器装置包括：直流平波电容、变流器模块、平波电感器、第一开关元件、第二开关元件、滤波器及储能单元。所述变流器装置的控制模块根据电网电压采样模块、直流母线电压采样模块、储能单元电压采样模块以及电流采样模块的输入，选择变流器装置的工作模式。其中能量回馈模式将电机的制动能量回馈到电网，能量存储模式将电机的制动能量存储到储能单元，应急电源模式保证在电网故障情况下，控制系统和驱动系统能正常工作。这些工作模式使用同一套直流平波电容，变流器模块和平波电感器；控制模块通过控制第一开关元件和第二开关元件的切换，灵活选择工作模式，系统造价低。

Description

一种集成能量回馈,能量存储和应急电源功能的变流器装置

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置与系统。

背景技术

变频器应用电力电子技术，微电子技术和控制技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器能够根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，在国民经济的各个领域如电梯，起重，冶金，水处理等各行业发挥着越来越重要的作用。

当变频器控制电机运行在制动状态时，电机处于再生发电状态，将负载的动能转化为电能，回馈到变频器的直流母线，会造成直流母线电压升高，进而威胁系统安全。

目前变频器系统对再生制动能量吸收利用的主要方式有电阻消耗装置，能量回馈装置，四象限变频器以及储能装置等。

电阻消耗装置采用半导体开关元件和耗能电阻串联的方式。当母线电压升高超过设定值时，半导体开关元器件导通，将多余的能量消耗在耗能电阻上，从而抑制直流母线电压的升高。电阻消耗装置工作原理简单，但是存在能量浪费，效率低，电阻发热严重，影响系统其它部分正常工作。

能量回馈装置作为一个独立的变频器外围设备，与变频器的直流母线并联，将电机制动的再生能量回馈到电网。该方案对于已有的采用不可控整流变频器系统的节能改造具有很大优势。该方案的缺点功能单一，不适合应用在高可靠性的应用场合。

四象限变频器用IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)做为整流桥，采用PWM整流技术，能够实现能量的双向流动。一方面可以调整电网输入的功率因数，改善对电网的谐波污染。另一方面可以将电机制动产生的能量回馈到电网，达到节能的效果。四象限变频器对于具有节能要求和电网谐波要求的新建系统具有很好的应用前景。缺点是成本较高，功能单一，不适合应用在对电网要求不高的应用场合。

储能装置在电动汽车，新能源变流器系统(风能，太阳能等)，机车牵引等具有广泛应用，利用DC/DC(直流/直流变换的简称)变流器技术，将直流母线的能量存储到储能单元里，储能单元可以是储能电池(铅酸电池，锂离子电池，液流电池，钠硫电池等)，也可以是电容储能(比如超级电容)。储能装置能够在母线电压较低时将存储的能量释放到直流母线中，对电网没有影响。在电机制动比较频繁并且制动功率比较大的应用场合，若单独采用储能方式，要求储能单元具有很大的功率和容量，导致体积和成本增加。如果采用储能电池，频繁的充放电还会影响电池的寿命。

在电梯、起重等应用场合，为了避免和降低停电故障带来的损失，一般会配置相应的应急电源系统EPS(EmergencyPowerSystem)，以确保电网停电后，控制系统和驱动系统能正常工作，电梯可以就近平层、开门放人，起重机能够将吊物运到指定的安全地点。应急电源的主要作用是在市电输入正常时，实现对储能单元适时充电，在市电非正常时，将蓄电池组存储的直流电能变换成交流电输出，供给负载设备稳定持续的电力。

发明内容

针对现有技术和设备功能分析的基础上，本发明提供了一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置。

一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置，其特征在于，包括：直流平波电容、变流器模块、平波电感器、第一开关元件、第二开关元件、滤波器和储能单元；还包括：控制模块，电网电压采样模块、直流母线电压采样模块、储能单元电压采样模块以及电流采样模块。

直流平波电容与变频器的直流母线电容并联

优选的，变流器模块包括三相桥臂，所述三相桥臂由六个功率开关元件组成，每个功率开关元件包括一个半导体开关器件和一个与之反并联的功率二极管组成。

优选的，变流器模块采用IGBT桥臂。

变流器模块的直流侧与直流平波电容相并联，同时与变频器的直流母线电容相并联。

变流器模块的输出侧与平波电感器的一端相连。

优选的，平波电感器采用三个独立的单相电感。

优选的，平波电感器采用三相电感。

平波电感器的另一端与第一开关元件的一端相连，并且与第二开关元件的一端相连。

第一开关元件的另一端与电网的输入端相连。当第一开关元件闭合，第二开关元件断开时，变流器模块能够工作在逆变状态，经过平波电感和第一开关元件，将直流平波电容电压逆变成电网的交流电压。

优选的，第一开关元件采用三相开关。

第二开关元件的另一端与滤波器的一端相连。当第二开关元件闭合，第一开关元件断开时，变流器能够工作在DC/DC状态，能够将直流平波电容里的能量，经过平波电感，第二开关元件，滤波器，储存到储能单元里；也能够将储能单元里的能量，经过滤波器，第二开关元件，平波电感，释放到直流平波电容。

优选的，第二开关元件采用三相开关。第二开关元件也可以有单个单相开关，或者两个单相开关组成。第二开关元件与滤波器相连一端的所有端子连接在一起。

滤波器的另一端与储能单元相连。

优选的，滤波器可以由共模滤波器和差模滤波器组成；滤波器也可以共模滤波器或差模滤波器的一种组成；在某些应用场合，也可以不采用滤波器。

优选的，储能单元由化学电池组成。化学电池包括铅酸电池，锂离子电池，液流电池，钠硫电池等；储能单元也可以由超级电容组成；储能单元也可以由化学电池和超级电容并联组成；储能单元也可以由化学电池和薄膜电容的并联组成。

电网电压采样模块用于对电网电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

电流采样模块用于对变流器输出电流进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

直流母线电压用于对直流平波电容上的母线电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

储能单元电压采样模块用于对储能单元的电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

控制模块根据直流母线电压采样模块、储能单元电压采样模块以及电网电压采样模块的输入，选择变流器装置的工作模式。

一种基于上述的变流器装置的工作模式选择方法，其特征在于，包括：能量回馈模式，能量存储模式和应急电源模式。

当直流母线电容的采样电压大于设定的限值并且储能单元两端的采样电压高于设定的限值时，控制模块选择变流器装置工作在能量回馈模式，将直流母线电容多余的能量回馈到电网。

当直流母线电容的采样电压大于设定的限值并且储能单元两端的采样电压低于设定的限值时，控制模块选择变流器模块工作在能量存储模式，将直流母线电容里的能量存储到储能单元。

当电网的采样电压低于设定的限值或者当直流母线电容的采样电压低于设定的限值时，控制模块选择变流器装置工作在应急电源模式，将储能单元里的能量释放到变频器直流母线电容，进而驱动电机。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的变流器装置具有能量回馈的功能，能够将电机的再生制动能量回馈到电网，可以减少或避免使用耗能电阻，减少能源浪费，具有绿色节能功能。

本发明提供的变流器装置具有能量存储的功能，能够将电机的再生制动能量存储到储能单元，可以减少使用耗能电阻，减少能源浪费，具有绿色节能功能。同时，储能单元存储的能量能够释放到变频器直流母线电容中，进而驱动电机。

本发明提供的变流器系统具有应急电源的功能，当电网在故障情况下，储能单元存储的能量能够释放到变频器直流母线电容中，以确保电网故障后，控制系统和驱动系统能正常工作，增强系统的安全性能。

本发明提供的变流器系统兼具能量回馈、能量存储和应急电源工作模式，这些工作模式使用同一套直流平波电容，变流器模块，平波电感器；控制模块通过控制第一开关元件和第二开关元件进行功能切换，灵活选择工作模式，系统造价低。

附图说明

图1为该发明装置的系统结构示意图

图2为该发明装置工作在能量回馈模式下的能量关系示意图

图3为该发明装置工作在能量存储模式1下的能量关系示意图

图4为该发明装置工作在能量存储模式2下的能量关系示意图

图5为该发明装置工作在储能释放模式以及应急电源模式下的能量关系示意图

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的一个具体实施方式。除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置。参见附图1，为本发明实施例100与变频器系统的系统结构示意图。变频器系统主要包括不可控二极管整流桥111，直流母线电容112，电阻耗能单元113，半导体开关元器件组成的变频器逆变桥114。电网110与不可控二极管整流桥111的输入端相连接，电机115与变频器逆变桥的输出端相连接。

当电机115处于电动运行状态时，电网110的能量，经过不可控二极管整流桥111，直流母线电容112以及变频器逆变桥114向电机115提供电能。当电机115处于制动运行状态时，电机115的制动再生能量灌入变频器直流母线电容112，造成直流母线电压升高。当直流母线电压高于设定的限值时，电阻耗能单元113开始工作，将多余的能量通过电阻发热消耗掉，从而防止母线电压进一步升高危害整个系统安全。

附图1中给出了本发明装置100的一种具体实施方式，主要包括直流平波电容单元121、变流器模块122、平波电感器123、第一开关元件124、第二开关元件125、滤波器126以及储能单元127。还包括：控制模块141，直流母线电压采样模块131、电流采样模块132、电网电压采样模块133以及储能单元电压采样模块134。控制模块141根据直流母线电压采样模块131、电流采样模块132、电网电压采样模块133以及储能单元电压采样模块134的输入，按照既定的控制策略，决定第一开关元器件124和第二开关元器件125的开关状态，控制变流器模块122的斩波工作状态，从而选择变流器装置运行在能量回馈模式、储能模式、储能能量释放模式以及应急电源模式中的一种运行模式。

所述直流平波电容单元121与变频器的直流母线电容112相并联。直流平波电容单元121可以由单只电容、两只电容串联，多只电容串并联组成。在本具体实例中，直流平波电容单元121由电容C21和电容C22两只电容串联组成。

变流器模块122可采用两电平三相桥电路、三电平三相桥电路、三个单相桥电路等方式。在本具体实例中，变流器模块122包括三相桥臂，所述三相桥臂由六个功率开关元件组成，每个功率开关元件包括一个半导体开关器件和一个与之反并联的功率二极管组成。在本具体实例中半导体开关器件采用IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)。

平波电感器123的一端与变流器模块122的输出端相连，另一端分别于第一开关元件124和第二开关元件125相连。平波电感器123可以由三个独立的单相电感器组成，也可以由一个共用磁芯的三相电抗器组成。第一开关元件124和第二开关元件125所述的开关元件可以是接触器、断路器、空气开关等的一种，其连接形式可以是三相开关或者三个独立的单相开关。其中第二开关元件125在某些应用实例中可以是一个单相开关或者是两个独立的单相开关。在本具体实例中，平波电感器123由三个独立的单相电感组成，第一开关元件124和第二开关元件125由三相开关元件组成。第一开关元件124的另一端与电网110相连，第二开关元件125的另一端的端子并联后与滤波器126相连。

滤波器126可以由共模滤波器和差模滤波器组成，滤波器也可以共模滤波器或差模滤波器的一种组成；在某些应用实例中也可以不采用滤波器。滤波器的拓扑形式可以采用L型，LC型，CLC型(L是电感的简称，C是电容的简称)等。

储能单元127可以由化学电池，超级电容等组成。化学电池包括铅酸电池，锂离子电池，液流电池，钠硫电池等。储能单元也可以由化学电池和超级电容并联组成；储能单元也可以由化学电池和薄膜电容的并联组成。在本具体实例中，储能单元127有化学电池和薄膜电容的并联组成。

本发明装置还进一步包括：

直流母线电压采样模块131，并联在直流平波电容单元121的两端，对直流平波电容上的母线电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

电流采样模块132，可以连接在变流器模块122和平波电感器123之间，也可以连接在平波电感器123与开关元件之间，用于对变流器输出电流进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。在本具体实例中，电流采样模块132连接在变流器模块122和平波电感器123之间。

电网电压采样模块133，与电网110并联，用于对电网电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块。

储能单元电压采样模块134，并联在储能单元127的两端，对储能单元的电压进行采样，并进行信号处理后，传送给控制模块

以下将结合附图详细描述本发明的变流器装置100如何实现能量回馈，能量存储，储能释放和应急电源功能的一个具体实施方式。

能量回馈模式：将电机115制动再生能量回馈到电网110。

当电机115处于制动状态时，其产生的制动再生能量经过变频器逆变桥114灌入到直流母线电容112，当直流母线电容电压大于设定的限值时，控制模块141控制变流器模块122工作在能量回馈模式，将直流母线电容112里多余的能量回馈到电网110。在能量回馈模式，第一开关元件124闭合，第二开关元件125断开，电机115的制动再生能量经过变频器逆变桥114，变频器直流母线电容112以及与其并联的直流平波电容121，变流器模块122，平波电感器123，第一开关元件124，流入电网110。其能量流动关系如附图2中带箭头的虚线所示。

能量存储模式1：将电机115制动再生能量或变频器直流母线电容112里的能量存储到储能单元127。

当电机115处于制动状态时，其产生的制动再生能量经过变频器逆变桥114灌入到直流母线电容112，当直流母线电容电压大于设定的限值并且储能单元127两端的电压低于设定的限值时，控制模块141可以控制变流器模块122工作在能量存储模式1，将直流母线电容112里多余的能量存储到储能单元127。在能量存储模式1，第一开关元件124断开，第二开关元件125闭合，电机115制动再生能量经过变频器逆变桥114，变频器直流母线电容112以及与其并联的直流平波电容121，变流器模块122，平波电感器123，第二开关元件125，滤波器126，存储到储能单元127。其能量流动关系如附图3中带箭头的虚线所示。

能量存储模式2：将电网110的能量存储到储能单元127。

当储能单元127两端的电压低于设定值时，控制模块141可以控制变流器模块122工作在能量存储模式2，将直流母线电容112里的能量存储到储能单元127。在能量存储模式2，第一开关元件124断开，第二开关元件125闭合，电网110的能量经过不可控二极管整流桥111，变频器直流母线电容112以及与其并联的直流平波电容121，变流器模块122，平波电感器123，第二开关元件125，滤波器126，存储到储能单元127。其能量流动关系如附图4中带箭头的虚线所示。

储能释放模式：将储能单元127里的能量释放到变频器直流母线电容112，进而驱动电机115。

当直流母线电容112两端的电压低于设定的限值时，控制模块141可以控制变流器模块122工作在储能释放模式，将储能单元127里的能量释放到变频器直流母线电容112，进而驱动电机115。在储能释放模式，第一开关元件124断开，第二开关元件125闭合，储能单元127的能量经过滤波器126，第二开关元件125，平波电感器123，变流器模块122，直流平波电容121以及与其并联的变频器直流母线电容112，经过变频器逆变桥114驱动电机115.其能量流动关系如附图5中带箭头的虚线所示。

应急电源模式：是储能释放模式的一个特例，电网110在失电的情况下，储能单元127里的能量释放到变频器直流母线电容112，进而驱动电机115

当电网110的电压低于设定的值时，控制模块141可以控制变流器模块122工作在应急电源模式，将储能单元127里的能量释放到变频器直流母线电容112，进而驱动电机115。在应急电源模式，第一开关元件124断开，第二开关元件125闭合，储能单元127的能量经过滤波器126，第二开关元件125，平波电感器123，变流器模块122，直流平波电容121以及与其并联的变频器直流母线电容112，经过变频器逆变桥114驱动电机115.其能量流动关系如附图5中带箭头的虚线所示。

以上具体实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受该具体实施例的限制。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不应以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成能量回馈，能量存储和应急电源功能的变流器装置，其特征在于，包括：直流平波电容、变流器模块、平波电感器、第一开关元件、第二开关元件、滤波器和储能单元；还包括：控制模块，电网电压采样模块、直流母线电压采样模块、储能单元电压采样模块以及电流采样模块。

2.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述的直流平波电容与变频器的直流母线电容并联；其中所述的变流器模块包括三相桥臂，其直流侧与所述的直流平波电容相连，其输出侧与所述的平波电感器的一端相连。

3.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述的平波电感器的一端与所述的变流器模块的输出端相连，另一端与所述的第一开关元件的一端相连，并且与所述的第二开关元件的一端相连。

4.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述的第一开关元件的另一端与电网的输入端相连。当所述的第一开关元件闭合，所述第二开关元件断开时，所述的变流器模块能够工作在逆变状态，经过所述的平波电感器和所述的第一开关元件，将直流平波电容上的直流电压逆变成电网的交流电压，将能量回馈到电网中。

5.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述的第二开关元件的另一端与所述的滤波器一端相连；所述的滤波器的另一端与所述的储能单元相连；当所述的第二开关元件闭合，所述的第一开关元件断开时，变流器装置能够工作在DC/DC(直流/直流变换的简称)状态，将直流平波电容里的能量，经过平波电感器，第二开关元件，滤波器，储存到储能单元里；也能够将储能单元里的能量，经过滤波器，第二开关元件，平波电感器，释放到直流平波电容里。

6.根据权利要求1所述的变流器装置，其特征在于：其中所述的直流母线电压采样模块并联在所述的直流平波电容两端，对直流平波电容上的母线电压进行采样，并进行信号处理后，传送给所述的控制模块；其中所述的电流采样模块用于对变流器装置输出电流进行采样，并进行信号处理后，传送给所述的控制模块；其中所述的储能单元电压采样模块，并联在所述的储能单元两端，对储能单元的电压进行采样，并进行信号处理后，传送给所述的控制模块；其中所述的控制模块能够根据直流母线电压采样模块、储能单元电压采样模块以及电网电压采样模块的输入，选择变流器装置的工作模式。

7.一种基于权利要求1所述的变流器装置的工作模式选择方法，其特征在于，包括：能量回馈模式，能量存储模式和应急电源模式。

8.根据权利要求7所述的变流器装置的工作模式选择方法，其中所述的能量回馈模式，其特征在于，当所述的直流母线电容的采样电压大于设定的限值并且所述的储能单元两端的采样电压高于设定的限值时，所述的控制模块选择变流器装置工作在能量回馈模式，将直流母线电容多余的能量回馈到电网。

9.根据权利要求7所述的变流器装置的工作模式选择方法，其中所述的能量存储模式，其特征在于，当所述的直流母线电容的采样电压大于设定的限值并且所述的储能单元两端的采样电压低于设定的限值时，所述的控制模块选择变流器模块工作在能量存储模式，将直流母线电容里的能量存储到储能单元。

10.根据权利要求7所述的变流器装置的工作模式选择方法，其中所述的应急电源模式，其特征在于，当电网的采样电压低于设定的限值或者当所述的直流母线电容的采样电压低于设定的限值时，所述的控制模块选择变流器装置工作在应急电源模式，将储能单元里的能量释放到变频器直流母线电容，进而驱动电机。