CN107658893A - 一种起重机组能量回收利用系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种起重机组能量回收利用系统及控制方法，方法通过对储能电池的电能中值、电网用电量峰值、双向逆变器能量双向流动时效率，起重机组下降时变频器回流发电功率之和，起重机组上升时变频器输入功率之和，起重机回收功率之和，储能电池额定充电功率的参数进行数据融合分析后控制储能电池和双向逆变器连接开关的开通和关断，并约束电能分配，实现起重机组能量回收与循环利用，并设计了该方法所对应的一种基本的起重机组系统结构。

Description

一种起重机组能量回收利用系统及控制方法

技术领域

本发明涉及起重机领域，尤其涉及一种起重机组能量回收与循环利用系统及智能控制算法。

背景技术

现在港口，建筑工地等场合一般都配有多台起重机，当某台起重机下降时，会把重力势能变为电能，驱动电机此时处于发电运行状态，有效回收这部分电能有利于提高起重机的节能效果。目前采取的方法主要有两种：一种是把起重机的发电的电能回馈到电网；另外一种是把电能储存到储能电池中去，起重机进行起重作业时优先使用储能电池中的电能。第一种方法由于起重机通过变频器进行回流，对电网的冲击比较大，也会给电网带来额外的污染；第二种方法会导致储能电池反复进行充放电操作，影响储能电池的寿命。

对配有多台起重机的场合，有效利用起重机下行发电对其它上行起重机充电，可以有效减少储能电池的充放电次数，有利于提高电池使用寿命，有效合理分配起重机回收电能对电网也可以起到消峰填谷的作用。

发明内容

本发明公开一种起重机组能量回收利用系统及控制方法，该发明应用于电网中集中装备的多台起重机频繁工作的场合，当某台起重机下降发电时，通过连接在起重机变频器直流母线电容上的双向DC/DC模块把电能输送到正在需要消耗电能处于上升阶段的起重机驱动电机变频器的输入端的直流母线上去，如果此时没有起重机在做上行运动，则多于电能储存在储能电池或回馈到电网中。

本发明设计的一种起重机组能量回收与循环利用系统，其特征在于：每台起重机驱动前级与市电连接整流单元模块，把三相交流市电整流为直流电；整流单元模块后级连接直流母线电容；直流母线电容后面接入变频器把直流电逆变为设定频率的交流电，再连接对应的起重机驱动电机；每台起重机直流母线电容上也连接一个能量可以双向流动的DC/DC模块，DC/DC模块输出端连接公共的储能电池；直流母线电容上也连接开关及一个发热功率电阻。

一种起重机组能量回收利用控制方法，其特征在于：

步骤1：设定储能电池的电能中值、电网用电量峰值、双向逆变器能量双向流动时效率η₀；

步骤2：计算起重机组下降时变频器回流发电功率之和为∑P_r，起重机组上升时变频器输入功率之和为∑P_o；

步骤3：将判断电网当前用电量T是否大于等于电网用电量峰值T_f，以及储能电池当前储存的电能E_NOW是否大于等于设定的电能中值E_MED，和起重机回收功率之和∑η₁P_r是否大于等于变频器输入功率之和∑P_o，上述3种判断的真假结果组成8种处理分支，8种处理分支的选择条件表见表1；

表1：8种处理分支的选择条件表

T≥Tf	ENOW≥EMED	∑η1Pr≥∑Po	分支
				0	0	0	1
0	0	1	2
				0	1	0	3
0	1	1	4
				1	0	0	5
1	0	1	6
				1	1	0	7
1	1	1	8

步骤4：根据分支选择对控制储能电池和双向逆变器连接的开关K进行打开和关闭，并约束电能分配方法，分支对应的开关K的开闭选择以及电能分配方法见表2：

表2：分支对应的开关K的开闭选择以及电能分配方法

作为一种优选：直流母线电压正常时，K1、K2到Kn都是断开的，当第i组起重机直流母线电压超过设定值20％时，智能控制器会发出指令闭合Ki，通过发热功率电阻对其放电，让直流母线电压回归到设定值后再断开Ki。

本发明有益效果：本发明利用起重机下降时驱动电机产生的回馈到直流母线的电能，利用双向DC/DC模块将回收电能输送到正在处于上行阶段需要消耗电能的其它变频器的直流母线中去，可以直接替代部分市电电网能源，从而直接提升起重机的节能、环保效果，并根据是否处于用电高峰，智能控制器控制回收电流的流向，对电网起到削峰填谷的作用。

附图说明

图1：一种起重机组能量回收与循环利用系统

附图1中整流单元1、整流单元2、……、整流单元n分别为l到n台起重机电机输入的整流模块，它们可以把电网交流电整流为直流电；C1、C2、……、Cn为分别连接在第1台起重机直流母线电容、第2台起重机直流母线电容、……、第n台起重机直流母线电容，作为小容量直流储能电容使用；双向DC/DC整流模块1、双向DC/DC整流模块2、……、双向DC/DC整流模块n为分别接在C1、C2、……、Cn上用于各个直流母线上多余电能的传输；K1、K2、……、Kn表示可控开关或继电器；发热功率电阻1、发热功率电阻2、……、发热功率电阻n为分别通过K1、K2、……、Kn各自连接在C1、C2、……、Cn上用于在双向DC/DC模块故障时通过电阻直接放电保护直流母线电容不过压；变频器1、变频器2、……、变频器n输入侧分别连接第1台起重机直流母线电容C1、第2台起重机直流母线电容C2、……、第n台起重机直流母线电容Cn上，输出侧连接第1台起重机驱动电机1、第2台起重机驱动电机2、……、第n台起重机驱动电机n上；储能电池通过开关K与所有的双向DC/DC模块相连接；双向逆变器输入端与所有的双向DC/DC另一侧的直流母线连接，输出端与三相电网连接，该双向逆变器能量可以实现双向流动，可以把储能电池的直流电变为交流电输送到电网中去，也可以电网中的三相交流电整流为直流电给储能电池充电。起重机能量回收智能逻辑控制器作为起重机能量回收充放电系统的控制单元采集双向逆变器、每台电机整流模块、双向DC/DC模块及变频器的输入输出侧的电压和电流蓄电池电压及剩余容量进行实时功率计算及智能逻辑判断，控制每个模块的电流流向及功率大小，异常时会控制开关闭合，避免出现直流母线过压等情况。

图2：一种起重机组能量回收利用系统的智能控制算法控制框图

附图2给出了图1中的起重机能量回收智能逻辑控制器的控制逻辑流程图。设定双向逆变器能量双向流动时效率都为η₀(双向逆变器把直流电转化为电网交流电时，输出到交流电网的有功功率除以直流侧输出功率为η₀，双向逆变器把电网交流电转化为直流电时，直流侧输出功率除以交流电网输出功率也为η₀)；设定双向DC/DC1模块、DC/DC2模块、……、DC/DCn模块充电效率和放电效率也一致，为η₁；设定整流单元1、整流单元2、……、整流单元n整流效率为η₂(整流直流侧输出功率除以交流侧输入功率值为η₂)；设定起重机组下降时通过各自DC/DC模块收集的变频器回流发电功率之和为∑P_r(r为从1到n的自然数，只有起重机下降发电时才可以进行计算，例如当前时刻只有第1台，第r台和第n台起重机在下降发电，各自发电功率分别为P_l、P_r和P_n，那么变频器回流发电功率之和为∑(P_l+P_r+P_n))，起重机组上升时变频器输入功率之和为∑P_o(o也为从l到n的自然数，只有起重机上升消耗电能时才可以进行计算，例如当前时刻只有第2台，第4台，第5台和第o台起重机在上升消耗电能，各自耗电功率分别为P₂、P₄、P₅和P₀，那么变频器输入耗电功率之和为∑(P₂+P₄+P₅+P_o))。

具体实施方式

设定本发明中每台起重机上双向DC/DC模块功率都不低于每台变频器的额定功率。

智能控制器采集每台起重机的整流单元和变频器的输入、输出电压和电流数据进行功率计算，根据图2的控制逻辑流程进行下列操作步骤：

1.当处于用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值(≥50％，下同)时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r不小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r≥∑P_o，K断开，多余的电能η₀(∑η₁P_r-∑P_o)通过双向逆变器回馈到电网。

2.当处于用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r＜∑P_o，K闭合，储能电池提供差额电能，储能电池输出功率为(∑P_o-∑η₁P_r)/η₁；

3.当处于用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去储能电池额定充电功率P_bat后不小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r-∑P_o≥P_bat，K闭合，储能电池吸收功率为P_bat，逆变器向电网输出的功率为η₀(∑η₁P_r-∑P_o-P_bat)；

4.当处于用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去储能电池额定充电功率P_bat后小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r-ΣP_o＜P_bat，K闭合，储能电池吸收功率为∑η₁P_r-∑P_o；

5.当处于用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r＜∑P_o，K断开，整流器从电网吸收功率为(∑P_o-η₁∑P_r)/η₂；

6.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去变频器输入功率之和∑P_o还不小于储能电池额定充电功率p_bat，即∑η₁P_r-∑P_o≥P_bat，且储能电池没有储满电能时，K闭合，储能电池储能功率为P_bat，逆变器向电网的输出功率为η₀(∑η₁P_r-∑P_o-P_bat)；

7.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去变频器输入功率之和∑P_o小于储能电池额定充电功率P_bat，即∑η₁P_r-∑P_o＜P_bat，且储能电池没有储满电能时，K闭合，储能电池充电功率为∑η₁P_r-∑P_o；

8.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r不小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r≥∑P_o，且储能电池已经储满电能时，K断开，逆变器向电网的输出功率为η₀(∑η₁P_r-∑P_o)；

9.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r＜∑P_o，K闭合，储能电池输出功率为(∑P_o-η₁∑P_r)/η₁；

10.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去变频器输入功率之和∑P_o还不小于储能电池额定充电功率P_bat，即∑η₁P_r-∑P_o≥P_bat，K闭合，储能电池储能功率为P_bat，逆变器向电网的输出功率为η₀(∑η₁P_r-∑P_o-P_bat)；

11.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r减去变频器输入功率之和∑P_o小于储能电池额定充电功率P_bat，即∑η₁P_r-∑P_o＜P_bat，K闭合，储能电池充电功率为∑η₁P_r-∑P_o；

12.当处于非用电高峰期且储能电池当前储存的电能小于设定值时，如果起重机回收功率之和∑η₁P_r小于变频器输入功率之和∑P_o，即∑η₁P_r＜∑P_o，K闭环，储能电池吸收功率为p_bat，逆变器反向工作，从电网吸收的功率为(∑P_o+P_bat-∑η₁P_r)/η₀；

直流母线电压正常时，K1、K2直到Kn都是断开的，当第i组起重机直流母线电压超过设定值20％时，智能控制器会发出指令闭合Ki，通过发热功率电阻对其放电，当直流母线电压回归到设定值后再断开Ki。

举例说明：

假设一个起重机系统中只有两台起重机，当起重机1下降发电时，如果起重机2正处于上升耗电阶段，那么连接起重机1直流母线C1的双向DC/DC模块1会把其直流母线上多余的电能通过双向DC/DC模块2输送到连接起重机2直流母线电容C2上，减少起重机对市电电能的需求：当起重机1通过DC/DC模块1输送的电能小于起重机2的电能需求，如果在市电高峰期且储能电池有电，差额电能由储能电池提供，如果储能电池电量不足，则差额电能由市电通过整流模块2提供；如果起重机1通过DC/DC模块1输送的电能大于起重机2的电能需求，当处于非市电高峰期且储能电池当前储存的电能大于设定值时，且多余的回收电能功率(∑η₁P_r-∑P_o)大于或等于储能电池的额定充电功率(P_bat)，则K闭合，储能电池储能功率为P_bat，剩余的回收电能通过逆变器输送到电网中，如条件6所示；如果多余的回收电能功率(∑η₁P_r-∑P_o)小于储能电池的额定充电功率(P_bat)，则K闭合，回收电能除了满足起重机2需要的电能外剩余的电能储存到储能电池中去，如条件7所示。

本发明将起重机组回收的电能进行优化处理，通过发明一种起重机能量回收储能系统及智能控制算法，使得起重机回收能源优先应用到其它上行起重机中去，减少了储能电池的充放电次数，提高了储能电池使用寿命。并通过区分用电高峰期来优化储能电池的充放电动作，提高了起重机回收电能的利用率，对电网也可以起到削峰填谷的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种起重机组能量回收利用系统，其特征在于：每台起重机驱动前级与市电连接整流单元模块，把三相交流市电整流为直流电；整流单元模块后级连接直流母线电容；直流母线电容后面接入变频器把直流电逆变为设定频率的交流电，再连接对应的起重机驱动电机；每台起重机直流母线电容上也连接一个能量可以双向流动的DC/DC模块，DC/DC模块输出端连接公共的储能电池；直流母线电容上也连接开关及一个发热功率电阻。

2.根据权利要求1所述的一种起重机组能量回收利用系统的控制方法，其特征在于：

步骤1：设定储能电池的电能中值E_MED、电网用电量峰值T_f、双向逆变器能量双向流动时效率η₀；

步骤2：计算起重机组下降时变频器回流发电功率之和为∑P_r，起重机组上升时变频器输入功率之和为∑P_o；

步骤3：判断电网当前用电量T是否大于等于电网用电量峰值T_f，以及储能电池当前储存的电能E_NOW是否大于等于设定的电能中值E_MED，和起重机回收功率之和∑η₁P_r是否大于等于变频器输入功率之和∑P_o，上述3种判断的真假结果组成8种处理分支，8种处理分支的选择条件表见表1，其中0表示不等式不成立，1表示不等式成立；

表1：8种处理分支的选择条件表

步骤4：根据分支选择对控制储能电池和双向逆变器连接的开关K进行打开和关闭，并约束电能分配方法，分支对应的开关K的开闭选择以及电能分配方法见表2：

表2：分支对应的开关K的开闭选择以及电能分配方法

3.根据权利要求2所述的一种起重机组能量回收利用系统的控制方法，其特征在于：直流母线电压正常时，K1、K2到Kn都是断开的，当第i组起重机直流母线电压超过设定值20％时，智能控制器会发出指令闭合Ki，通过发热功率电阻对其放电，让直流母线电压回归到设定值后再断开Ki。