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的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]四象限变频器用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)做为整流桥，采用PffM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。
[0008]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。
[0009]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 (Emergency Power System),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】
[0010]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。
[0011]—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。
[0012]直流平波电容与变频器的直流母线电容并联
[0013]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。
[0014]优选的，变流器模块采用IGBT桥臂。
[0015]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耳关。
[0016]变流器模块的输出侧与平波电感器的一端相连。
[0017]优选的，平波电感器采用三个独立的单相电感。
[0018]优选的，平波电感器采用三相电感。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]优选的，第一开关元件采用三相开关。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]滤波器的另一端与储能单元相连。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031 ] 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。
[0032]—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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]本发明的有益效果包括:
[0037]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。
[0038]本发明提供的变流器装置具有能量存储的功能